CN104238516B

CN104238516B - 一种锅炉系统设备状态监测方法

Info

Publication number: CN104238516B
Application number: CN201410468800.6A
Authority: CN
Inventors: 缪惠芳; 吴纯; 吴一纯; 郑剑香; 谢珊; 赵旭
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Peisen Fujian Environmental Technology Co ltd
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2014-09-15
Publication date: 2017-10-13
Anticipated expiration: 2034-09-15
Also published as: CN104238516A

Abstract

本发明涉及锅炉技术领域，具体涉及一种锅炉系统设备状态监测方法。本发明提供了基于不同时刻系统状态的变化，监控设备状态变化概率的方法，通过对锅炉设备中的系统状态进行监控，根据系统状态判断锅炉中各重要设备的工作状态，从而有效地定位故障位置，并通过对所有系统状况的变化进行分析，预测出各种设备状态出现的概率。通过这种方法，可以帮助决策者更加及时地定位故障并对可能发生的故障做好充足的准备。

Description

一种锅炉系统设备状态监测方法

技术领域

本发明涉及锅炉技术领域，具体涉及一种锅炉系统设备状态监测方法。

背景技术

火力发电是我国主要的发电方式，电站锅炉作为火力电站的三大主机设备之一，伴随着我国火电行业的发展而发展。《2013-2017年中国锅炉制造行业产销需求预测与转型升级分析报告》显示，至2010年底，单机容量30万千瓦及以上火电机组占全部火电机组容量的60％以上。

锅炉设备是一种受压设备，经常处于高压下运行，并受到烟气和炉水中有害杂质侵蚀和飞灰磨损，因此需要定期的对锅炉系统进行维护并在运行过程中实时监测可能发生的设备故障。准确的查找锅炉设备故障正是制约锅炉正常使用和发展的重要因素之一，一旦管理不严，使用不当就会发生事故，甚至发生重大破坏性事故。在出现事故后及时的查找事故根源的速度越快越准确，事故造成的损失就会越小。但故障后及时地查找故障根源保证其正常使用是困扰锅炉设备发展的一大难题，一般情况下都是凭借人工经验去推断，往往准确率极低。

锅炉系统状态由该系统的多个变量决定。这些变量的不同取值构成了系统的不同状态。另外，系统中的每个设备元件也有多种不同的工作状态。设备状态与系统状态之间相互影响。但目前的设备控制程序只是单一的将系统元件与系统状态建立一一映射的关系，但在实际情况中，许多系统中的重要设备与系统状态的映射关系并不是一一对应的，系统中一个设备的状态发生变化可能会引起多个系统状态同时发生变化。例如在发电厂的锅炉系统中，增加通风阀门的开度，不仅可以使锅炉中含氧量提高，同时会对锅炉中的压力产生影响。而且，在即便在与系统状态存在一一映射的系统元件中，有的设备会对系统状态产生抑制总用，有的会对系统状态产生增益作用。因此，设备状态的转移概率在监控过程中，需要充分考虑设备的种类和作用对象。

发明内容

解决上述技术问题，本发明提供了基于不同时刻系统状态的变化，监控设备状态变化概率的方法，通过对锅炉设备中的系统状态进行监控，根据系统状态判断锅炉中各重要设备的工作状态，从而有效地定位故障位置，并通过对所有系统状况的变化进行分析，预测出各种设备状态出现的概率。通过这种方法，可以帮助决策者更加及时地定位故障并对可能发生的故障做好充足的准备。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种锅炉系统设备状态监测方法，方法包括以下步骤：

步骤一：将每套锅炉系统由n个系统状态变量表示，并根据这n个系统状态变量的不同取值组合来表示每套锅炉系统不同的状态，每一锅炉系统包括m个设备，N_i表示第i个设备的工作状态类型个数，而则表示第t时刻的第i个设备的工作状态，其中，i＝1,2,3.......m，确定锅炉系统状态变量集合为H，其中第i个系统状态变量用H_i表示；

步骤二：将第k个锅炉系统中的系统状态进行细分，设细分后锅炉系统状态组合总数为K，第k个锅炉系统状态组合区间为M_k。

步骤三：设定设备状态间的转移概率λ；

步骤四：设定设备工作状态集合Y与系统状态变量集合H的对应关系W；

步骤五：计算第i个设备在第t'时刻的设备状态到第t时刻的设备状态的概率其中t表示当前时刻，t'表示前一时刻，当前时刻t与前一时刻t'的时间间隔为单位时间△t，第i个设备在单位时间△t内的状态变化的概率相同，第i个设备在t'、t时刻的设备状态为

进一步的，所述步骤三具体为，设定第i个设备状态间的转移概率λ即第i个设备状态转移矩阵λⁱ(i＝1,2,3...,m)，其计算公式如下：

其中，表示第i个设备从状态1变化到状态1的概率，表示第i个设备从状态1变化到状态2的概率,以此类推，表示第i个设备从态y_i变化到状态y_i的概率。

进一步的，所述步骤四具体为：该对应关系W为第i个设备在开启状态下对锅炉系统的n个系统状态变量的影响趋势，设定设备工作状态集合Y与系统状态变量集合H的对应关系W；

其公式为：

其中w_ij表示第i个设备对第j个系统状态变量的影响值，所述j＝1,2,3......n，w_ij的取值范围为{0，1,-1}，分别表示第i个设备设备对第j个系统状态变量没有影响、有增益影响、有抑制影响。

进一步的，所述步骤具体包括以下步骤：

步骤51：判断第i个设备在前一时刻t'是否处于正常工作状态，若是，则执行步骤53，否则执行步骤52；判断方法：设定第i个设备工作状态集合维数为L_i，而设定第i个设备工作状态集合为Y_i＝{y₁,y₂,y₃,...,y_n}，其中n为自然数，则表示该第i个设备具有n个不同的工作状态，因此L_i＝n，若第i个设备在前一时刻t'的工作状态不属于集合Y_i＝{y₁,y₂,y₃,...,y_n}中的正常工作状态，则判定该第i个设备不处于正常工作状态，异则反之。

步骤52：分别计算第i个设备在当前时刻t的状态的转移概率P_i，具体公式如下：

a)若当前时刻t第i个设备非正常工作：

b)若当前时刻t第i个设备正常工作：

步骤53：判断第i个设备在当前时刻t是否处于正常工作状态，若是，则计算第i个设备在当前时刻t的工作状态的转移概率P_i的公式如下：

其中当前时刻t的锅炉系统状态为M^t，前一时刻t'的锅炉系统状态为M^t'，R(M^t|M^t')是指设备在系统状态M^t'→M^t的允许变化状态集合,系统状态M^t'→M^t允许变化的状态集合与W的关系为：R(M^t|M^t')∈W，表示的是第t时刻第i个设备的工作状态，这里的允许变化状态集合R(M^t|M^t')是按照且R(M^k|M^k')∈W的方式进行的。

否则，判定第i个设备在当前时刻t的工作状态是否满足设备状态变化公式：

若是，则执行步骤54，否则，执行步骤55。

步骤54：计算第i个设备在当前时刻t的工作状态的转移概率P_i的公式如下：

步骤55：计算第i个设备在当前时刻t的状态的转移概率P_i的公式如下：

本发明通过采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优点：

本发明通过遍历系统中所有可能的状态变化方式，结合系统种设备对于系统中状态变量的影响方式计算设备状态转移概率，计算结果可以直接为使用者提供设备处于某种状态时系统中的状态变量最可能发生的变化，同时提供给使用者发生这种变化的概率，从而帮助使用者做好相应的准备。同时，本发明在对设备的类型进行分类，使其可以适用于系统中不同的设备控制方式，可以更有效的进行设备转移概率的计算分析。

附图说明

图1是本发明的实施例的流程图；

图2锅炉系统每种工作状态范围。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

一种锅炉系统设备状态监测方法，参考图1所示，包括以下步骤：

步骤一：将每套锅炉系统由n个系统状态变量表示，并根据这n个系统状态变量的不同取值组合来表示每套锅炉系统不同的状态，本文中K＝k＝1，因此锅炉系统包括m个设备，N_i表示第i个设备的工作状态类型个数，而则表示第t时刻的第i个设备的工作状态，其中，i＝1,2,3.......m，确定锅炉系统状态变量集合为H，其中第i个系统状态变量用H_i表示。作为一个具体的实施例，本发明采用为了简化计算过程，在锅炉系统中取锅炉中的蒸汽温度和蒸汽压力两个较为关键的系统状态变量，进行分析。因此变量个数n为2，n＝2。则锅炉系统状态变量集合为H＝[H₁,H₂]＝[蒸汽温度,蒸汽压力]。

目前大型的电厂，多数采用亚临界、超临界机组。本例中取亚临界机组作为研究对象。亚临界中各主要系统变量的工作范围一般为：主蒸汽压力16-18MPa，蒸汽温度535-540℃。因此设定锅炉蒸汽压力正常运行范围为[16,18]，蒸汽温度正常运行范围为[535,540]。

步骤二：将第k个锅炉系统中的系统状态进行细分，设细分后锅炉系统状态组合总数为K，第k个锅炉系统状态组合区间为M_k。本发明中的k＝1，设定细分后锅炉系统状态组合总数K＝30种工作状态，每种工作状态范围如图2所示，假定系统状态为蒸汽温度和蒸汽压力两种，将蒸汽温度的正常工作范围平均分成4份，将蒸汽压力的正常工作范围平均分成3份，因此锅炉系统整体运行状况范围(包括正常运行情况、低于正常范围、高于正常范围)可分成(4+1+1)*(3+1+1)＝30个细分区间，即图2中的表格示意出的即为本发明的锅炉系统状态组合区间M_k＝M₁。

定义锅炉系统中分别由燃料输送装置和通气装置两个设备控制这两个变量，因此该锅炉系统包括m＝2个设备，N_i表示第i个设备的工作状态类型个数，其中，i＝1,2，每个设备均有正常运行、故障-开、故障-关三种状态，即N_i＝3，分别用1、2、3表示。而则表示第t时刻的第i个设备的工作状态，其中，i＝1,2。

步骤三：设定设备状态间的转移概率λ。设定第i个设备状态间的转移概率λ即第i个设备状态转移矩阵λⁱ(i＝1,2,3...,m)，其计算公式如下：

其中，表示第i个设备从状态1变化到状态1的概率，表示第i个设备从状态1变化到状态2的概率,以此类推，表示第i个设备从态y_i变化到状态y_i的概率。本实施例中，根据实际运行的历史数据，设定每一设备的每种状态变化的概率，设备在各种运行状态下相互转换的概率(例如，设备从正常工作状态变为故障-关工作状态下的概率，本发明中设燃料输送装置和通气装置中的工作状态相互转移概率为λ，

λ＝[λ¹,λ²]

其中

其中假设两种控制设备在固定时间步长△t内均为不可修复系统。

步骤四：设定设备工作状态集合Y与系统状态变量集合H的对应关系W。该对应关系W为第i个设备在开启状态下对锅炉系统的n个系统状态变量的影响趋势，设定设备工作状态集合Y与系统状态变量集合H的对应关系W；其公式为：

其中w_ij表示第i个设备对第j个系统状态变量的影响值，所述j＝1,2,3......n，w_ij的取值范围为0，1,-1，分别表示第i个设备设备对第j个系统状态变量没有影响、有增益影响、有抑制影响。本实施例中，设定燃料输送装置会应影响锅炉中的温度，并且输送装置的正常运行会使锅炉中的蒸汽温度升高；而通气装置的正常运行会时锅炉中的蒸汽压力降低，因此有，

步骤五：计算第i个设备在第t'时刻的设备状态到第t时刻的设备状态的概率P，其中t表示当前时刻，t'表示前一时刻，当前时刻t与前一时刻t'的时间间隔为单位时间△t，并假设第i个设备在单位时间△t内的状态变化的概率相同。

本实施例以给定的单位时间△t＝3min为观测系统状态变化的时间间隔，已知t'、t时刻的设备工作状态将设备工作状态分别遍历所有锅炉系统状态组合区间M_k，详细见图2中的蒸汽温度-蒸汽压力表，其中将系统状态细分为30个子区间。根据判断系统所处的状态(M^t,M^t')，进一步判断系统状态(M^t,M^t')是否符合燃料输送装置和通气装置的设定的运行规则W，根据设备状态转移概率计算原理计算每个设备在系统状态处于M^t'→M^t的过程的设备的变化概率部分系统状态转移概率如下表1所示，

表1

具体包括以下步骤：

本实施例中，参考图2的细分区间中，7、8、9、12、13、14、17、18、19、22、23、24为系统正常工作区间，其余均为系统不正常工作区间。

c)若当前时刻t第i个设备非正常工作：

d)若当前时刻t第i个设备正常工作：

例如第2个设备在t'时刻的处于不正常工作状态(设为故障-关：设定设备状态为2)，当第2个设备在t时刻处于正常工作状态(设定设备状态为1)，则

当第2个设备在t时刻处于不正常工作状态(即故障-关：设定设备状态为2)时，有

因为根据λ²可知，设备2为不可修复系统，因此的概率为0，的概率为1。

否则，判定第i个设备在当前时刻t的工作状态是否满足如下公式：

若是，则执行步骤54，否则，执行步骤55。

本实施例中，前一时刻t'时第2个设备处于正常状态(设定设备状态为1)，若在时刻t时第2个设备也处于正常工作状态(设定设备状态为1)，则

满足执行步骤55，

本实施例中，在时刻t时第2个设备处于非正常工作状态(设为故障-关：设定设备状态为2)，根据W的设定可知设备2对系统状态变量中的蒸汽压力是抑制作用，因此，当(M^t|M^t')＝(12|14)时，有

当(M^t|M^t')＝(14|12)时，因此

通过遍历系统中所有可能的状态变化方式，结合系统种设备对于系统中状态变量的影响方式计算设备状态转移概率，不仅可以告诉决策者直观的知道设备处于某种状态时系统中的状态变量会发生怎么样的变化，同时告诉决策者这种变化的概率是多少，从而帮助决策者做好相应的准备。同时，在对设备的类型进行分类，使其可以适用于系统中不同的设备控制方式，可以更有效的进行设备转移概率的计算分析。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims

1.一种锅炉系统设备状态监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：将每一个锅炉系统由n个系统状态变量表示，并根据这n个系统状态变量的不同取值组合来表示每一个锅炉系统不同的状态，每一个锅炉系统包括m个设备，N_i表示第i个设备的工作状态类型个数，而则表示第t时刻的第i个设备的工作状态，其中，i＝1,2,3.......m，确定锅炉系统状态变量集合为H，其中第i个系统状态变量用H_i表示；

步骤二：将第k个锅炉系统中的系统状态进行细分，设细分后锅炉系统状态组合总数为K，第k个锅炉系统状态组合区间为M_k；

步骤三：设定设备状态间的转移概率λ；

步骤五：计算第i个设备在第t'时刻的设备状态到第t时刻的设备状态的概率P，其中t表示当前时刻，t'表示前一时刻，当前时刻t与前一时刻t'的时间间隔为单位时间Δt，第i个设备在单位时间Δt内的状态变化的概率相同,第i个设备在t'、t时刻的设备状态为

2.根据权利要求1所述的一种锅炉系统设备状态监测方法，其特征在于：所述步骤三具体包括以下步骤：设定第i个设备状态间的转移概率λ即第i个设备状态转移矩阵λⁱ(i＝1,2,3...,m)，其计算公式如下：

<mrow> <msup> <mi>&lambda;</mi> <mi>i</mi> </msup> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>&lambda;</mi> <mn>11</mn> <mi>i</mi> </msubsup> </mtd> <mtd> <msubsup> <mi>&lambda;</mi> <mn>12</mn> <mi>i</mi> </msubsup> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <msubsup> <mi>&lambda;</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>&lambda;</mi> <mn>21</mn> <mi>i</mi> </msubsup> </mtd> <mtd> <msubsup> <mi>&lambda;</mi> <mn>22</mn> <mi>i</mi> </msubsup> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <msubsup> <mi>&lambda;</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo>.</mo> </mtd> <mtd> <mo>.</mo> </mtd> <mtd> <mrow></mrow> </mtd> <mtd> <mo>.</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo>.</mo> </mtd> <mtd> <mo>.</mo> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <mo>.</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo>.</mo> </mtd> <mtd> <mo>.</mo> </mtd> <mtd> <mrow></mrow> </mtd> <mtd> <mo>.</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>&lambda;</mi> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> </mtd> <mtd> <msubsup> <mi>&lambda;</mi> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mn>2</mn> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <msubsup> <mi>&lambda;</mi> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>

3.根据权利要求1所述的一种锅炉系统设备状态监测方法，其特征在于：所述步骤四具体包括以下步骤：该对应关系W为第i个设备在开启状态下对锅炉系统的n个系统状态变量的影响趋势，设定设备工作状态集合Y与系统状态变量集合H的对应关系W,其公式为：

其中w_ij表示第i个设备对第j个系统状态变量的影响值，所述j＝1,2,3......n，w_ij的取值范围为{0，1,-1}。

4.根据权利要求1所述的一种锅炉系统设备状态监测方法，其特征在于：所述步骤五具体包括以下步骤：

步骤51：判断第i个设备在前一时刻t'是否处于正常工作状态，若是，则执行步骤53，否则执行步骤52；判断方法：设定第i个设备工作状态集合维数为L_i，而设定第i个设备工作状态集合为Y_i＝{y₁,y₂,y₃,...,y_n}，其中n为自然数，则表示该第i个设备具有n个不同的工作状态，因此L_i＝n，若第i个设备在前一时刻t'的工作状态不属于集合Y_i＝{y₁,y₂,y₃,...,y_n}中的正常工作状态，则判定该第i个设备不处于正常工作状态，异则反之，

a)若当前时刻t第i个设备非正常工作：

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b)若当前时刻t第i个设备正常工作：

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其中当前时刻t的锅炉系统状态为M^t，前一时刻t'的锅炉系统状态为M^t'，R(M^t|M^t')是指设备在系统状态M^t'→M^t的允许变化状态集合,系统状态M^t'→M^t允许变化的状态集合与W的关系为：R(M^t|M^t')∈W，表示的是第t时刻第i个设备的工作状态，这里的允许变化状态集合R(M^t|M^t')是按照且R(M^x|M^x')∈W的方式进行的，

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若是，则执行步骤54，否则，执行步骤55，

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