CN103267649B - 塔式太阳能热发电吸热器过热器运行故障诊断分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔式太阳能热发电吸热器过热器运行故障诊断分析方法，该方法对过热器喷水减温阀进行粘滞-滑动故障、卡死故障、调节阀增益故障和恒偏差故障的诊断，对过热蒸汽温度和过热器表面温度检测热电偶采用热电偶冗余、热电偶功能冗余和特性跟踪相结合的温度传感器做故障诊断，并且在过热器表面设置多个S型热电偶用于检测过热器表面的金属温度，若该温度及其变化率超限则采用专家知识方法判断故障为投入光功率大、给水控制异常、主蒸汽流量小和汽温控制系统异常中的一种。本发明提高了塔式太阳能热发电吸热器中安全隐患最大的过热器的运行可靠性，有利于太阳能热发电技术的进一步发展，逐渐达到大规模商业运行的程度。

Description

塔式太阳能热发电吸热器过热器运行故障诊断分析方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能热发电站吸热器过热器的故障诊断技术，具体地说是一种运用故障原理和专家知识相结合的太阳能塔式热发电站腔式蒸汽吸热器过热器的故障诊断分析方法，属于热能与动力工程和自动控制工程领域的问题。

背景技术

有效利用太阳能资源，对于缓解我国的能源问题、减少CO₂的排放量、保护生态环境、确保经济发展过程中的能源持续稳定供应等都将具有重大而深远的意义。太阳能塔式热发电是太阳能热利用的一种重要形式，典型的太阳能热发电系统一般由镜场、吸热器、汽轮发电系统和蓄热系统组成。镜场的功能是将低密度太阳能集聚成高密度能量，由定日镜和塔架组成。太阳能吸热器安装在塔的顶部，将聚集的高密度太阳光能转化成热能。蓄能子系统用于存储由太阳能转化而来的热能。

太阳能吸热器是太阳能塔式热发电的关键设备之一，是完成光热转化的设备，对设备的安全性和可靠性要求较高。一般的塔式热发电蒸汽吸热器为腔式吸热器设计，这种吸热器可以减少辐射泄漏、对流散热损失，从而达到提高吸热器光热转化效率的作用。吸热器的总体热力系统由给水与预热段、蒸发段、过热段以及泄水和排污系统组成，如图1所示。其中在过热器汽水系统中，由汽包分离出来的饱和蒸汽需经过过热器变成有一定过热度的蒸汽后送入汽轮机作功，过热器分为三级，蒸汽在进入一级过热段后，设置一级喷水减温器，其喷水减温水来自给水泵后的给水，在二级过热器后设置二级喷水减温器，其喷水同样来自给水泵后的给水，两级喷水减温器前均设置流量计，用以计算吸热器的经济性，在管道中设置放气阀门，用以在启动阶段空气的放散，同时设置两个自动安全泄放阀门，超压后自动蒸汽泄放阀启动，自动泄放，保护吸热器的安全性。

太阳能塔式热发电蒸汽吸热器中，由于过热器管内不像预热器和蒸发器管内流过的是水或者汽水混合物，而是过热蒸汽，再加上吸热器接受着非常高热流密度的辐射能量，所以过热器是吸热器中最脆弱的部分，极容易受到高温作用而烧毁，有必要采取必要的措施防止故障的发生。

故障诊断技术是一门综合性技术，涉及多门学科，如数理统计、模糊集理论、信号处理、现代控制理论、模式识别等学科理论，故障诊断技术可以对有些故障进行早诊断、早发现和早处理，对保证设备安全以及运行可靠有着非常重要的作用，近年受到广泛的关注，被大量应用于航空航天、电力、冶金等多个行业。

目前，国际上已建成或正在建的塔式太阳能热发电站工程30余座，但均未见有关于的塔式太阳能热发电吸热器故障诊断分析方法的公开报道。

西安交通大学发明的专利号为200910021308.3的专利“一种太阳能腔式吸热器的模拟装置”公开了用于太阳能热发电中蒸汽发生器，即吸热器的原理、结构以及热性能，该吸热器是我国首台太阳能塔式蒸汽吸热器，取得了成功，但是目前还没有关于这种或类似吸热器故障诊断的研究或产品。

发明内容

技术问题：

本发明所要解决的技术问题是针对太阳能塔式热发电蒸汽吸热器中，由于过热器管内不像预热器和蒸发器管内流过的是水或者汽水混合物，而是过热蒸汽，再加上吸热器接受着非常高热流密度的辐射能量，所以过热器是太阳能塔式热发电吸热器中最脆弱的部分，极容易受到高温作用而烧毁，有必要采取诊断措施防止故障的发生，而提出的一种塔式太阳能热发电吸热器过热器运行故障诊断分析方法。

技术方案：

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明塔式太阳能热发电吸热器过热器运行故障诊断分析方法，对过热器喷水减温调节阀的粘滞-滑动故障、卡死故障、调节阀增益故障和恒偏差故障进行诊断，对过热蒸汽温度和过热器表面温度检测热电偶采用热电偶冗余、热电偶功能冗余和特性跟踪相结合的温度传感器热电偶进行故障诊断，而在过热器表面设置多个S型热电偶用于检测过热器表面的金属温度，若该温度及其变化率超限，则采用专家知识方法判断故障为投入光功率大、给水控制异常、主蒸汽流量小和汽温控制系统异常中的一种。

进一步地，所述喷水减温调节阀的粘滞-滑动故障的诊断方法如下：

计算滑动统计特征，数据长度为N，计算得到阀杆移动的平均速度，以及阀杆移动速度的均方根RMS_x：

${\stackrel{\‾}{V}}_x=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|V_{\mathrm{xi}}\right|/N---\left(1\right)$

V_xi=(X_i-X_i-1)/dt(2)

${\mathrm{RMS}}_x=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|V_{\mathrm{xi}}\right|}^2/(N-1)}---\left(3\right)$

其中：dt为采样间隔，X_i为阀门开度；

粘滞-滑动故障的检测指标为阀杆移动速度的均方根与阀杆移动的平均速度之比，即：

$r_x=\frac{{\mathrm{RMS}}_x}{{\stackrel{\‾}{V}}_x}---\left(4\right)$

计算出指令信号的r_u，即：

$r_u={\mathrm{RMS}}_u/{\stackrel{\‾}{V}}_u---\left(5\right)$

其中：为滑块移动的平均速度，RMS_u为滑块移动速度的均方根；

故障决策的决策量D_u，D_x如下：

如果r_u>ε，则D_u=1，

否则D_u=0；

如果r_x>ε，则D_x=1，

否则D_x=0；

ε为判断粘滞-滑动故障的阈值，决策函数的逻辑表达式如下：

S=D_uANDD_x(6)

当S=1时认为存在粘滞-滑动故障，否则认为不存在此故障。

进一步地，所述喷水减温调节阀的卡死故障的诊断方法如下：

当喷水减温调节阀出现卡死故障时，将表现为如下两种情况：

情况1：一段时间内，喷水减温调节阀阀位指令的变化程度超过3%，而喷水减温调节阀反馈不随指令变化，且流量也不发生变化；

情况2：当指令不变化时，喷水减温调节阀阀位反馈和流量也不变化，但喷水减温调节阀阀位反馈和指令相差2%；

如满足上述两个条件即可说明执行器发生了卡死故障。

进一步地，所述喷水减温调节阀的增益故障的诊断方法如下：

喷水减温调节阀的增益为调节阀位信号和指令信号的比值，在正常情况下执行器的增益等于1；如果执行器增益大于1.1，则发生了增益故障；计算调节阀增益的方法：统计5至10个采样周期内的阀位和指令信号，利用两者的变化速度均值的比值作为执行器增益的估计值。

进一步地，所述喷水减温调节阀的恒偏差故障的诊断方法如下：

统计在5至10个采样周期内，喷水减温调节阀开度指令信号和反馈信号间差值的均值超过正常的死区范围，满足此条件，则认为执行器存在恒偏差故障。

有益效果：

本发明对喷水减温阀进行粘滞-滑动故障、卡死故障、调节阀增益故障和恒偏差故障的诊断，对过热蒸汽温度和过热器表面温度检测热电偶采用热电偶冗余、热电偶功能冗余和特性跟踪相结合的温度传感器热电偶进行故障诊断，而在过热器表面设置多个S型热电偶用于检测过热器表面的金属温度，如温度及其变化率超限则采用专家知识方法判断故障为投入光功率大、给水控制异常、主蒸汽流量小和汽温控制系统异常中的一种。通过对太阳能塔式热发电吸热器中过热器故障诊断技术的实施后，大大提高了太阳能塔式热发电吸热器中安全隐患最大的过热器的运行可靠性，有利于太阳能热发电技术的进一步发展，从而逐渐达到大规模商业运行的程度。

附图说明

图1为吸热器的汽水系统及过热器系统结构示意图。

具体实施方式

1喷水减温调节阀故障诊断

1.1喷水减温调节阀的粘滞-滑动故障诊断

在正常情况下，电动喷水减温调节阀的阀杆是平滑的转动的，但当“粘滞-滑动”故障发生时，阀杆的动作以“动—停—动”的方式运动（运动的幅度与阀杆所受的摩擦力有关）。这种故障往往是由于润滑不够，阀内有残杂物，以及高温引起阀杆膨胀产生滑动等原因造成的。

由于在正常情况和故障情况下的阀杆运动速度的分布，可以用速度均方根与速度均值检测这种差异。正常状态下速度分布均方根与速度均值接近，而出现粘滞-滑动故障时速度分布时相差较远，随着故障严重程度加大，两者差距也越大。检测喷水减温调节阀的粘滞-滑动故障的具体方法如下：

计算滑动统计特征，设数据长度为N，计算得到阀杆移动的平均速度V_x，以及阀杆移动速度的均方根RMS_x。

${\stackrel{\‾}{V}}_x=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|V_{\mathrm{xi}}\right|/N---\left(1\right)$

V_xi=(X_i-X_i-1)/dt(2)

${\mathrm{RMS}}_x=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|V_{\mathrm{xi}}\right|}^2/(N-1)}---\left(3\right)$

其中：dt为采样间隔，X_i为阀门开度。

定义粘滞-滑动故障的检测指标为阀杆移动速度的均方根与阀杆移动的平均速度之比，即：

$r_x=\frac{{\mathrm{RMS}}_x}{{\stackrel{\‾}{V}}_x}---\left(4\right)$

为了防止误报的出现，检测算法还必须考虑指令信号的变化情况。因为如果指令的变化体现出台阶式的运动状况时，位置反馈信号也会呈现出粘滞-滑动时的运动状况。解决此问题的方法是，计算出指令信号的r_u，即：

$r_u={\mathrm{RMS}}_u/{\stackrel{\‾}{V}}_u---\left(5\right)$

其中：为滑块移动的平均速度，RMS_u为滑块移动速度的均方根。

故障决策：

定义决策量D_u，D_x如下，

ifr_u>εthenD_u=1

elseD_u=0

ifr_x>εthenD_x=1

elseD_x=0

ε为判断粘滞-滑动故障的阈值。在正常的情况下，D_u和D_x接近于1，而粘滞-滑动的严重程度增大，值也增大，ε值可经过试验确定。决策函数的逻辑表达式如下：

S=D_uANDD_x(6)

当S=1时认为存在粘滞-滑动故障，否则认为不存在此故障。

按照式(1)～(5)计算r_u和r_x，设定ε=0.85后，按照式(6)判定S的值，如果S=1，则可以判定喷水减温调节阀处于粘滞-滑动故障状态下，为了保护吸热器和保证蒸汽的品质，需要对喷水减温阀进行检修或者更换。

1.2喷水减温调节阀的卡死故障诊断

当喷水减温调节阀出现卡死故障时，将表现为如下两种情况：

情况1：一段时间内，喷水减温调节阀开度指令的变化超过3%，而喷水减温调节阀反馈不随指令变化，且流量也不发生变化；

情况2：当指令不变化时，喷水减温调节阀反馈和流量也不变化，但喷水减温调节阀开度反馈和开度指令相差超过2%；

如满足上述两个条件即可说明执行器发生了卡死故障。

诊断方法：记录指令、反馈和流量信号的偏差，并判断其变化是否稳定。当指令的稳定度远远大于反馈稳定度和流量稳定度时可认为发生了卡死故障，为了保护吸热器和保证蒸汽的品质，需要对喷水减温阀进行检修或者更换。

1.3喷水减温调节阀的增益故障诊断

喷水减温调节阀的增益可以定义为调节阀位信号和指令信号的比值。在正常情况下执行器的增益约等于1。如果执行器增益大于1.1，则发生了增益故障。计算调节阀增益的方法：统计5至10个采样周期内的阀位和指令信号，利用两者的变化速度均值的比值作为执行器增益的估计值，如果执行器增益大于1.1，则发生了增益故障，需要对喷水减温阀进行检修或者更换。

1.4喷水减温调节阀的恒偏差故障诊断

喷水减温调节阀恒偏差故障表现为偏差超过死区范围，数值比较固定。估计恒偏差大小的方法：统计5至10个采样周期内，喷水减温调节阀阀位指令信号和反馈信号间差值的均值超过正常的死区范围，且差值变化平稳，满足此条件，则认为执行器存在恒偏差故障。

2过热蒸汽温度和过热器表面温度检测热电偶故障诊断方法

根据过热蒸汽温度检测热电偶预测值与实时数据的差值判别该热电偶发生故障与否：

$D\left(k\right)=\frac{1}{2}{(y\left(k\right)-\hat{y}\left(k\right))}^2---\left(7\right)$

式中，k为采样时刻。当D超过设定阈值时，可以认为该传感器故障正在或者已经发生，进入故障识别阶段。对于传感器不同种类的故障采用不同识别方式通过监控每个时刻的预测误差值来实现误差识别。

2.1过热蒸汽温度检测热电偶故障类型

（1）偏差故障

热电偶偏差的故障模式为：

$y\left(k\right)=\hat{y}\left(k\right)+C---\left(8\right)$

式中：C为常数。

（2）彻底失效故障

热电偶彻底失效的故障模式为：

y(k)=C(9)

（3）漂移故障

热电偶漂移的故障模式为：判断是否成立，若成立则属漂移故障。

（4）精度下降故障

热电偶精度下降的故障模式为：判断y(k)与的残差序列的方差是否超过一定阈值，

若成立则属精度下降故障。

2.2热电偶故障诊断方法

（1）热电偶冗余

传感器冗余就是使用数只独立的传感器测量同一参数，并在数据处理中分别监测。显然这种方法需要增加更多的传感器，使硬件成本上升。因此这种方法只能在有限的情况下使用。

（2）热电偶功能冗余

热电偶功能冗余能更好地利用系统中每个热电偶的信息，它是利用不同部位同一种热电偶之间以及同一部位不同类型的传感器之间可以预想故障的关系。例如，在测量吸热器过热器表面沿蒸汽流向的几个部位温度时，按照流向的顺序，如果任两只传感器之间温度降低，则说明其中有传感器有问题。

（3）特性跟踪

发生故障的热电偶经常在可接受的范围内显示出稳定的特性和读数。例如，热电偶正常工作时有一个特定的范围值，热电偶的开路或短路也有一个固定的数值。当读数值与所期望的特性值有某种偏差时，即可认为热电偶有故障。另外，可在较长的时间内观察热电偶的读数值，以及与其他部位传感器的数值稳定情况进行比较，这都有助于诊断热电偶故障。

采用热电偶冗余的方法即在过热蒸汽测量中都采用三只同类型的热电偶测量蒸汽出口的温度，同时比较三个测量数据的差别用于判别热电偶的测量故障；采用热电偶功能冗余方法判别过热器外表面热电偶的故障，即每级过热器外的热电偶读数按照蒸汽的流向不是增加的，则说明其中有热电偶发生了故障；采用特性跟踪方法诊断，具体来说，不论是蒸汽温度测量热电偶读数还是过热器外表面热电偶读数都应与过热器的运行工况有关，即热负荷、喷水量等参数与热电偶读数之间有一定的关系，设定运行工况下对应热电偶参数的变化范围，如热电偶采集数值超出相应的范围则认定热电偶故障，应采取相应的处理措施。而故障的类型主要有偏差故障、彻底失效故障、漂移故障和精度下降故障四类。

3过热器故障的专家经验诊断

过热器超温故障特征是吸热器表面温度高，检测方法主要通过在过热器表面设置热电偶（选择S型），热电偶检测温度的正常值是对应于每个运行工况，如果热电检测值超过正常的温度，并且检测温度的变化率较大，则可以判定过热器超温故障发生。

过热器超温故障发生的原因主要有：投入光功率大、给水控制异常、主蒸汽流量小和汽温控制系统异常，而每种故障的诊断专家知识如表1所示。

表1：过热器超温故障诊断专家知识

在过热器表面设置多个S型热电偶用于检测过热器表面的金属温度，多个热电偶在过热器表面的分布在每级过热器按照蒸汽流向逐渐增多的原则布置，当60%的热电偶检测值超过正常的温度，并且检测温度的变化率超过40摄氏度/分钟，判定过热器表面超温故障发生。在具体判定超温属于哪种原因造成时，按照表1所示的专家知识进行判定。

Claims (5)

1.一种塔式太阳能热发电吸热器过热器运行故障诊断分析方法，其特征是对过热器喷水减温调节阀的粘滞-滑动故障、卡死故障、调节阀增益故障和恒偏差故障进行诊断，对过热蒸汽温度检测的热电偶和过热器表面温度检测的热电偶采用热电偶冗余、热电偶功能冗余和特性跟踪相结合的方法进行故障诊断，而在过热器表面设置多个S型热电偶用于检测过热器表面的金属温度，若该温度及其变化率超限，则采用专家知识方法判断故障为投入光功率大、给水控制异常、主蒸汽流量小和汽温控制系统异常中的一种；

所述喷水减温调节阀的粘滞-滑动故障的诊断方法如下：

计算滑动统计特征，数据长度为N，计算得到阀杆移动的平均速度以及阀杆移动速度的均方根RMS_x：

V_xi＝(X_i-X_i-1)/dt(2)

其中：dt为采样间隔，X_i为阀门开度，V_xi为阀杆移动速度；

粘滞-滑动故障的检测指标为阀杆移动速度的均方根与阀杆移动的平均速度之比，即：

计算出指令信号的r_u，即：

其中：为滑块移动的平均速度，RMS_u为滑块移动速度的均方根；

故障决策的决策量D_u，D_x如下：

如果r_u>ε，则D_u＝1，

否则D_u＝0；

如果r_x>ε，则D_x＝1，

否则D_x＝0；

ε为判断粘滞-滑动故障的阈值，决策函数的逻辑表达式如下：

S＝D_uANDD_x(6)

当S＝1时认为存在粘滞-滑动故障，否则认为不存在此故障。

2.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电吸热器过热器运行故障诊断分析方法，其特征是所述喷水减温调节阀的卡死故障的诊断方法如下：

当喷水减温调节阀出现卡死故障时，将表现为如下两种情况：

情况1：一段时间内，喷水减温调节阀开度指令的变化超过3％，而喷水减温调节阀反馈不随指令变化，且流量也不发生变化；

情况2：当指令不变化时，喷水减温调节阀反馈和流量也不变化，但喷水减温调节阀开度反馈和开度指令相差超过2％；

如满足上述两个条件即可说明执行器发生了卡死故障。

3.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电吸热器过热器运行故障诊断分析方法，其特征是所述喷水减温调节阀的增益故障的诊断方法如下：

喷水减温调节阀的增益为调节阀位信号和指令信号的比值，在正常情况下执行器的增益等于1；如果执行器增益大于1.1，则发生了增益故障；计算调节阀增益的方法：统计5至10个采样周期内的阀位和指令信号，利用两者的变化速度均值的比值作为执行器增益的估计值。

4.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电吸热器过热器运行故障诊断分析方法，其特征是所述喷水减温调节阀的恒偏差故障的诊断方法如下：

统计在5至10个采样周期内，喷水减温调节阀开度指令信号和反馈信号间差值的均值超过正常的死区范围，满足此条件，则认为执行器存在恒偏差故障。

5.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电吸热器过热器运行故障诊断分析方法，其特征是所述在过热器表面设置多个S型热电偶用于检测过热器表面的金属温度，多个热电偶在过热器表面的分布在每级过热器按照蒸汽流向逐渐增多的原则布置，当60％的热电偶检测值超过正常的温度，并且检测温度的变化率超过40摄氏度/分钟，判定过热器表面超温故障发生；在具体判定超温属于哪种原因造成时，按照如下专家知识的原则判定：如果投入定日镜数目多并且蒸汽压力高并且水位正常并且主蒸汽流量正常并且蒸汽汽温正常时判定投入光功率大；如果水位低于设定值并且投入光功率正常并且主蒸汽流量正常并且蒸汽汽温正常时判定给水控制异常；如果主蒸汽流量小并且蒸汽压力高并且水位低于设定值并且投入光功率正常并且蒸汽汽温正常时判定主蒸汽流量小故障；如果蒸汽汽温度高并且主蒸汽流量正常并且水位正常并且投入光功率正常则判定汽温控制系统故障。