【正文】 第十三章 鍋爐故障診斷及 事故處理 第一節(jié) 故障診斷簡介 一、故障診斷的概念 ? 故障診斷包括兩個方面：零件、系統(tǒng)診斷 ? 零件故障指零件失效。其故障診斷的對象是單一零件，故障特征量與故障之間有明確因果關(guān)系，無宏觀策略問題。 ? 系統(tǒng)故障指系統(tǒng)工作能力的破壞；或一定時間內(nèi)系統(tǒng)主要功能指標超過規(guī)定范圍；或系統(tǒng)的輸入與預(yù)期輸出不相容。所提取的故障特征量與故障之間無直接因果關(guān)系。 ? 系統(tǒng)故障診斷的步驟：故障監(jiān)測、故障分析、故障決策處理。 ? 故障監(jiān)測：監(jiān)測系統(tǒng)主要功能指標，即系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測。當主要功能指標偏離規(guī)定范圍時，即可認為系統(tǒng)發(fā)生故障，并按照偏離程度不同發(fā)出早期警報、緊急警報或強迫停運。 ? 故障分析：根據(jù)檢測的信號并補充其它手段，尋找故障源。對故障的危害作評估，給出故障等級。 ? 故障處理：預(yù)測故障趨勢，做出處理。 ? 現(xiàn)代大型鍋爐的事故處理，要求監(jiān)督控制系統(tǒng)能夠?qū)C組的運行全過程、各主輔機系統(tǒng)進行在線、動態(tài)、自動診斷，及早發(fā)現(xiàn)故障存在的潛在危險，預(yù)測后果，及時判斷和決策。 ? 20世紀 80年代末期，美國電力科學研究院利用人工智能系統(tǒng)開發(fā)鍋爐故障診斷智能系統(tǒng)。其鍋爐承壓部件失效專家診斷系統(tǒng) ESCARTA是第一個鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)，并于 1989年在5個電廠投入使用，效果令人滿意。 二、故障診斷技術(shù)發(fā)展概況 ? 該系統(tǒng)知識來源于該院的手冊 《 鍋爐管道故障調(diào)查和修復(fù) 》 ， ESCARTA系統(tǒng) 首先將鍋爐承壓受熱面分為四個組成部分：水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器，然后詢問操作者損壞的部位、發(fā)生現(xiàn)象和誘發(fā)原因，從 22種損傷機理中，通過規(guī)則診斷推理，找出其中一種為故障原因。 ? 美國北印第安納公共服務(wù)公司電廠鍋爐最佳運行控制系統(tǒng)，監(jiān)測鍋爐排煙溫度、鍋爐吹灰系統(tǒng)、空氣預(yù)熱器的正常運行，將他們調(diào)整到最佳狀態(tài)。 ? 美國 Lockheed Martin公司開發(fā)的 InEC系統(tǒng)具有傳統(tǒng)專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)混合模式，幫助操作者選擇合理的運行參數(shù)，減少燃燒損失。 ? 美國 Pegasus公司開發(fā)鍋爐優(yōu)化運行系統(tǒng)，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為內(nèi)核，用以提高燃燒效率和降低 NOx排放。 ? 此外，日本石川搗播磨重工和三菱重工開發(fā)的火力發(fā)電廠支援系統(tǒng)等也用于電廠。 ? 國外使用最成功的故障診斷系統(tǒng)是美國西屋公司開發(fā)的汽輪發(fā)電機組專家系統(tǒng)，該公司在佛羅里達奧蘭多發(fā)電設(shè)備本部建立了自動診斷中心。 ? 國內(nèi)清華大學、哈工大、華中理工大學、華北電力大學等單位開發(fā)的故障診斷系統(tǒng)已用于國產(chǎn) 300MW機組。 三、專家系統(tǒng)簡述 ? 鍋爐故障診斷屬于系統(tǒng)故障診斷，特點為：故障復(fù)雜，沒有規(guī)律，僅能憑操作者對設(shè)備的認識和經(jīng)驗直覺處理；很多故障征兆相近，或多種故障存在同一征兆。 ? 根據(jù)設(shè)備的已知故障，分析確定其征兆和表象，此過程為正問題；根據(jù)設(shè)備表象，分析確定故障原因、部位、嚴重程度等，為逆問題。對于鍋爐很多故障，逆問題可能有多種答案。 ? 用機器來復(fù)制人的智能，即用計算機和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)來執(zhí)行和人的智能相關(guān)的復(fù)雜功能，稱為人工智能。針對某個領(lǐng)域的人工智能系統(tǒng)稱為專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)的知識來源于規(guī)律、算法、定理、準則以及經(jīng)驗等。 ? 人工智能主要包括：專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、故障樹診斷法、模糊數(shù)學診斷、參數(shù)估計法等。 ? 專家系統(tǒng) (Expert System， ES)是人工智能(Artificial Intelligence， AI)的一個研究分支， 是目前國內(nèi)外發(fā)展最快的 AI領(lǐng)域之一。所謂專家系統(tǒng)是把由某一領(lǐng)域?qū)＜覀兌嗄攴e累的經(jīng)驗歸納總結(jié)而形成的知識庫和模擬人類判斷推理過程的推理機結(jié)合起來，用以解決這一領(lǐng)域?qū)嶋H問題的計算機軟件系統(tǒng)。如 EPRI的ESCARTA系統(tǒng)。 四、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡述 ? 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)現(xiàn)代生物學研究人腦組織所取得的成果而提出的，反映了人類大腦的基本特征：學習、記憶和歸納。它不同于傳統(tǒng)的人工智能領(lǐng)域普遍采用的基于邏輯與符號處理的理論和方法，為人工智能的研究開發(fā)了一種新方法。 ? 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡單處理單元廣泛連接而成的網(wǎng)絡(luò)。一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有三大要素：動態(tài)特性、連接模型和學習算法。雖然每個神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和功能十分簡單，但由大量神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的行為卻是豐富多彩和十分復(fù)雜的。各個神經(jīng)元之間相互連接形成的拓撲結(jié)構(gòu)就稱為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接模型。 ? 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息處理由神經(jīng)元之間的相互作用來實現(xiàn)，知識與信息的存儲表現(xiàn)為處理單元的連接權(quán)值。網(wǎng)絡(luò)的學習和識別決定于各神經(jīng)元連接權(quán)的動態(tài)演化過程，即網(wǎng)絡(luò)學習過程也就是網(wǎng)絡(luò)權(quán)值矩陣的確定過程。通過學習使網(wǎng)絡(luò)具有對確定性輸入擁有正確響應(yīng)的能力。學習所選用的規(guī)則實際上就是權(quán)值矩陣的修改規(guī)則，稱為學習算法。 ? 專家系統(tǒng)不足： “瓶頸”問題；；。 ? 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不足： 它不能很好的利用領(lǐng)域?qū)＜曳e累的經(jīng)驗知識，只利用一些明確的故障診斷實例，而且需要一定數(shù)量的樣本學習，通過訓(xùn)練最后得到的是一些闌值矩陣和權(quán)值矩陣，而不是像專家經(jīng)驗知識那樣的邏輯推理產(chǎn)生式，所以缺乏對診斷結(jié)果的解釋能力。 五、在線診斷 ? 鍋爐故障預(yù)測、狀態(tài)檢修； ? 故障診斷專家系統(tǒng)； ? 鍋爐性能監(jiān)測系統(tǒng)； ? 厚壁元件應(yīng)力分析； ? 受熱面泄漏監(jiān)測； ? 煙氣參數(shù)及飛灰含碳在線監(jiān)測； ? 吹灰優(yōu)化系統(tǒng)； ? 燃燒監(jiān)測系統(tǒng)等。 六、離線診斷 直接診斷 ? 煤質(zhì)特性、結(jié)渣等預(yù)測； ? 數(shù)據(jù)分析；四管爆漏的 ESCARTA等。 間接診斷 ? 傳熱、流動、應(yīng)力等計算軟件及仿真； ? 燃燒數(shù)值模擬等。 改造前 改造后 某一次風水平截面溫度分布 改造前數(shù)值計算結(jié)果 改造后數(shù)值計算結(jié)果 某一次風水平截面速度分布 第二節(jié) 故障診斷試驗 ? 鍋爐一般故障特征量的提取是根據(jù)常規(guī)測量手段獲得的。鍋爐的常規(guī)監(jiān)測包括五種類型：常規(guī)溫度測量、壓力和風壓測量、流量測量、水位或物位測量、煙氣成分測量。通過以上測量數(shù)據(jù)，加上操作者的經(jīng)驗，可診斷故障的可能性。 ? 但鍋爐燃燒故障、四管泄漏等故障特征量提取需用特殊手段。 ? 煤粉燃燒可提取火焰光譜信號、輻射頻譜信號、火焰顏色信號、聲波信號及爐膛負壓等。根據(jù)火焰檢測、爐膛溫度監(jiān)視等手段，診斷燃燒故障。 ? 四管泄漏可采用超聲波檢測、聲波探測、壁溫監(jiān)測等手段進行診斷。 一、燃燒診斷 ? 激光測量： 對于氣相溫度測量，喇曼散射有兩種類型可以利用。一種是自激喇曼散射 (SRS)，另一種是相干反斯托克斯喇曼散射 (CARS)。SRS用于干凈火焰測量； CARS可用于發(fā)光、含顆粒及湍流火焰測量。 ? 還可以測量組分濃度、顆粒成分等。 ? 輻射頻譜分析：火焰頻譜分析試驗裝置由光探頭、光電轉(zhuǎn)換器、放大濾波電路、 A/D轉(zhuǎn)換和計算機組成。其中光電轉(zhuǎn)換 (光電管 )和放大濾波電路均安裝在光探頭內(nèi)。在濾波電路中濾除了信號的高頻噪聲。火焰信號頻譜估計采用通用的周期圖窗函數(shù)快速 FFT法分別對穩(wěn)定燃燒工況和非穩(wěn)定工況進行分析。 ? 火焰顏色分析：火焰顏色，由可見光波長段的火焰發(fā)光所決定。碳氫化合物火焰的發(fā)光光譜，由燃燒中間產(chǎn)物如 CH、 C2中間基的非連續(xù)光譜、 CO分子與 O原子再結(jié)合反應(yīng)所產(chǎn)生的連續(xù)光譜、作為固體的炭黑粒子所發(fā)射的連續(xù)光譜等組成。其光譜強度隨燃料、燃料與氧比劑的混合狀態(tài)、燃燒反應(yīng)過程的延遲等變化，并引起火焰顏色產(chǎn)生變化。因此，從火焰所發(fā)出的光的顏色，含有與燃燒狀況有關(guān)的信息，是把握燃燒狀況重要的情報來源。 kgc/kga； ； ? 聲波測量法： 聲波傳播時間和傳播路徑上的氣體溫度 (假設(shè)為均勻溫度分布 )的關(guān)系式為： ? 圖像處理： 用電視攝像機作為傳感器，將所拍攝火焰圖像一路送錄像機保存待用，另一路經(jīng)圖像采集與變換系統(tǒng)送計算機。由計算機綜合處理后將所求圖像特征在計算機顯示器上顯示，打印機打印或存盤待用，同時經(jīng)圖像變換系統(tǒng)送彩色顯示器顯示。為了從火焰的原始圖像迅速獲得直接、準確而又清晰地反映燃燒狀況的信息，需要對圖像進行適當?shù)奶幚恚ǘ鄨D像相加平均、圖像平滑、圖像分割、邊緣提取、特征計算及偽彩色顯示等。 二、壁溫監(jiān)測 ? 對于四管泄漏，可采用聲學方法、無損探傷等進行檢測，但在運行中，可以用壁溫監(jiān)測方法，預(yù)測剩余壽命。 ? 金屬壁溫跟各個受熱面管子的內(nèi)外部熱力環(huán)境密切相關(guān) ， 如外部煙氣溫度 ， 管內(nèi)蒸汽溫度等 。因此 ， 可采用模擬鍋爐動態(tài)熱力過程的方法來確定相關(guān)熱力參數(shù) 。 壁溫監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 一、四管爆漏 ? 應(yīng)力斷裂：短期過熱、高溫蠕變、異種鋼焊接； ? 工質(zhì)側(cè)腐蝕：氧損傷、苛性腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋、孔蝕； ? 煙氣側(cè)腐蝕：低溫腐蝕、水冷壁腐蝕、煤灰腐蝕、油灰腐蝕； ? 磨損：飛灰磨損、落渣磨損、吹灰磨損、煤粉磨損； 第三節(jié) 幾種典型故障原因 ? 疲勞：振動疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞； ? 質(zhì)量缺陷：維修損傷、化學偏移、材料缺陷、焊接缺陷。 短期過熱 ? 鍋爐設(shè)計時，管子強度是通過管子計算壁溫下材料的許用應(yīng)力來考慮的。短期過熱指實際壁溫超過設(shè)計工況下的壁溫，使材料的許用應(yīng)力急劇下降，在管內(nèi)壓力作用下，使管子實際應(yīng)力超過許用應(yīng)力而爆管。 ? 短期過熱爆管的爆破口特征是：管子爆破口塑性變形大，管子直徑明顯脹粗；爆破口減薄成刀刃狀，爆破口為較大的喇叭口，為典型的薄唇形破口，斷面由許多凹坑組成；管壁溫度低于熱處理臨界溫度 Ac1，即鋼加熱開始形成奧氏體的溫度，爆管后的金相組織為拉長的鐵素體和滲碳體，當壁溫高于 Ac1~Ac3，即亞共析鋼加熱時鐵素體全部消失的最低溫度，金相組織為馬氏體、貝氏體、珠光體和鐵素體。爆破口的氧化皮厚度隨超溫時間長而增厚。 ? 短期過熱原因：爐膛出口氣流偏斜，或其他因素使局部熱負荷偏高；管內(nèi)工質(zhì)流量不均；異物堵塞或管內(nèi)結(jié)垢嚴重；材質(zhì)等級低等。 ? 短期過熱一般發(fā)生在受熱面向火側(cè)。 ? 通常采用的措施為：改善爐內(nèi)燃燒工況，防止氣流偏斜；改進過再熱器系統(tǒng)，減輕熱偏差；保證蒸汽品質(zhì)；等。 長期過熱 ? 指受熱面實際壁溫略超過設(shè)計值，長期在高溫和應(yīng)力作用下，金屬發(fā)生珠光體球化、石墨化、合金元素再分配、高溫氧化等金相組織變化或保護膜破壞；或因高溫蠕變速度加快、持久強度下降等而導(dǎo)致的爆管現(xiàn)象。 ? 按應(yīng)力狀態(tài)分三種類型：高溫蠕變、應(yīng)力氧化裂紋、高溫氧化型。 ? 高溫蠕變型爆破口特征：管子膨脹量明顯超過金屬監(jiān)督規(guī)定的數(shù)值；爆破口邊沿較鈍，爆破口周圍氧化皮有密集的縱向裂紋，且在較大范圍內(nèi)有蠕變空洞或裂紋；向火面金相組織完全球化，彎頭處可能發(fā)生再結(jié)晶。 ? 應(yīng)力氧化裂紋型爆破口特征：管子膨脹量低于或接近金屬監(jiān)督規(guī)定值；爆破口邊沿鈍，接近爆破口向火側(cè)外壁氧化皮，有多條縱向裂紋；向火側(cè)和背火側(cè)都嚴重球化，強度和硬度都下降；管子內(nèi)外氧化皮分層；管外氧化皮沉積燃燒產(chǎn)物的硫、氯、錳、鈣等元素。 ? 高溫氧化型爆破口特征：在內(nèi)外管壁均產(chǎn)生~，管壁嚴重減薄，僅為原厚度的 33%~%；管子內(nèi)外均氧化；向火側(cè)完全球化，背火側(cè)嚴重球化，強度和硬度均下降； 管外氧化皮沉積燃燒產(chǎn)物的硫、氯、錳、鈣等元素。 ? 長期過熱爆管一般在高溫過熱器最外圈，或高再向火側(cè)。高溫氧化型一般出現(xiàn)在再熱器，應(yīng)力氧化型一般出現(xiàn)在過熱器。 ? 長期過熱原因：同樣是局部熱負荷偏高；管內(nèi)工質(zhì)流量不均；異物堵塞管子但不嚴重、管內(nèi)結(jié)垢；材質(zhì)等級較低。 ? 采取措施：改善燃燒工況，防止偏斜；改進過再熱器系統(tǒng)減輕熱偏差；結(jié)垢后進行化學清洗；改進汽溫調(diào)節(jié)；更換危險管子等。 腐蝕疲勞 ? 腐蝕疲勞也稱汽側(cè)氧腐蝕。指由于氧的作用，使管內(nèi)工質(zhì)發(fā)生電化學反應(yīng)，在管子內(nèi)壁鈍化膜破壞處，發(fā)生點狀腐蝕。 ? 腐蝕疲勞爆破口特征：爆破口管內(nèi)存在點坑狀腐蝕，呈貝殼狀；腐蝕疲勞產(chǎn)物為黑色 Fe3O4，與金屬基牢固結(jié)合，停爐后腐蝕疲勞產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為紅色的 Fe2O3，腐蝕坑沿縱向發(fā)展，腐蝕區(qū)域金相組織不發(fā)生變化。 ? 腐蝕原因：管內(nèi)介質(zhì)中含少量的堿或游離的CO2，或下彎頭停爐時積水；彎頭應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生點腐蝕，彎頭受熱沖擊，使內(nèi)壁產(chǎn)生疲勞裂紋。 ? 腐蝕疲勞爆管部位：過再熱器彎頭內(nèi)壁。 ? 防止措施：新安裝鍋爐進行化學清洗，除去鐵銹、雜物；在內(nèi)壁形成均勻保護膜；運行中嚴格控制水的 pH值和給水含氧量，停爐時加強對受熱面進行保護。 腐蝕熱疲勞 ? 指在鍋爐啟、停時受熱面承受的低周應(yīng)力疲勞；或由于管壁上反復(fù)出現(xiàn)汽膜，受熱面承受中周應(yīng)力疲勞；或由于振動，受熱面承受高周應(yīng)力疲勞。煙氣中的硫、鈉、氯等物質(zhì)促進腐蝕疲勞破壞。