CN109977477A - 基于改进模糊层次分析的电站锅炉过热器健康状态评估法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于改进模糊层次分析的电站锅炉过热器健康状态评估法，属于电站锅炉安全运行技术领域。该方法首先建立包括目标层、准则层和指标层三个层次的电站锅炉过热器健康状态评价层次体系；基于改进的模糊层次分析法计算电站锅炉过热器健康状态评价层次体系表中每个指标的指标权重，得到每个指标层指标对于目标层的综合权重；最后通过计算电站锅炉过热器综合评价得分对电站锅炉过热器健康状态进行评估。本发明对锅炉过热器健康状态进行量化分析，基于模糊一致性判断矩阵，无需反复修正，并可设置精度，得到科学的指标量化权重，提升过热器健康状态评估的准确性保障机器长期有效运行，增长运行时间。

Description

基于改进模糊层次分析的电站锅炉过热器健康状态评估法

技术领域

本发明涉及电站锅炉安全运行技术领域，特别涉及一种基于改进模糊层次分析的电站锅炉过热器健康状态评估法。

背景技术

电站锅炉是火力发电厂的核心设备，具有体积大、结构复杂等特点，长期工作在高温高压工况下，容易出现磨损、腐蚀、泄漏等问题，但出于对安全和成本的考虑，锅炉只能进行根据有关规程、规范要求进行定期检修，可能无法及时发现其亚健康状态。而过热器作为电站锅炉承压部件，对过热器的健康状态和失效风险进行评估对锅炉长期服役具有重要意义。目前，有的电厂采用在线监测管理软件，如DCS(分布式控制)系统，对电站锅炉运行状态进行实时监测，一旦发现潜在问题立即停炉检查。

电站锅炉过热器主要失效模式为蠕变、疲劳、磨损、腐蚀等，故障树诊断方法(Fault Tree Analysis,FTA)是一种“由果求因”的演绎分析方法，是根据故障寻求发生原因的过程，将故障原因逐级细化，直到无需再深究的最基本因素为止，即底事件。基于故障的层次性，形成导致故障的因果链，考虑到故障的相关性，往往构成树状或网状的结构。

故障树诊断方法直观形象地表达了故障发生的逻辑关系，但同时由于该演绎方法较多依赖于专家经验与领域知识，受主观因素影响较大，无法产生定量的结果。

层次分析法(Analytical Hierarchy Process,AHP)利用分层与要素分析，将复杂问题分解，决策者的决策思维过程得以数量化，是一种定性与定量结合的决策方法。模糊综合层次分析法(Fuzzy Analytical Hierarchy Process,FAHP)将层次分析法与模糊综合评价法结合起来，使用层次分析法确定指标权重，模糊综合评价对指标进行评定，建立模糊判断矩阵，确定指标的影响权重。层次分析法一致度检验过程繁琐反复，模糊层次分析法在其基础上引进模糊一致判断矩阵，解决了一致性判断问题，但矩阵的赋值仍易受到主观影响，精度不足。而改进的模糊层次分析法(improved Fuzzy Analytic Hierarchy Process,iFAHP)在原基础上，通过三标度法构造优先判断矩阵，基于和行归一法或方根法实现目标权重的迭代运算，加快收敛速度，根据要求的计算精度得出对应结果。

模糊综合评价法以模糊数学为基础理论，运用模糊数学的隶属度将定性评价定量转化，对受多因素影响的事物或对象给出综合评价，对复杂、影响因素多的电站锅炉体系，模糊综合评价可更准确地定位风险评价等级。

目前，模糊层次分析法与综合评价法结合起来，广泛地应用于最优选择、资源分配、风险评估、效果评价等领域。最优选择即在多种方案中选择最优解，可运用到规划场景；类似的，在资源规划领域，最优方案对应最优资源分配方法，可依据该方法指导重点资源利用和资源规划方法，实现效益最大化，如在加工行业对切削资源的分配。风险评估，对评价对象进行安全性评估，如制造、消防、投资等领域，对运维、施工、投资行为进行安全评估，指导决策并对可能发生的风险进行预防；效果评价即根据层次分析模型和最终的评价结果，对一项工程/产品/政策进行效果评价，如评价其绩效、政策、满意度、性能等。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于改进模糊层次分析的电站锅炉过热器健康状态评估法。本发明对锅炉过热器健康状态进行量化分析，基于模糊一致性判断矩阵，无需反复修正，并可设置精度，得到科学的指标量化权重，提升过热器健康状态评估的准确性，保障机器长期有效运行，增长运行时间。

本发明提出一种基于改进模糊层次分析的电站锅炉过热器健康状态评估法，包括以下步骤：

1)建立电站锅炉过热器健康状态评价层次体系；

电站锅炉过热器健康状态评价层次体系包括目标层、准则层和指标层三个层次；其中,目标层指标为电站锅炉的过热器健康状态X，X对应准则层指标包括过热损伤u₁、腐蚀减薄u₂、焊缝开裂u₃、磨损失效u₄和热疲劳u₅；过热损伤u₁对应进出口蒸汽温度u₁₁、过热器管壁温u₁₂、减温水温度u₁₃、过热蒸汽流量u₁₄、出口烟气流速u₁₅、运行负荷u₁₆六项指标层指标；腐蚀减薄u₂对应过热器管壁温度u₂₁、烟气含硫量u₂₂、烟气含碱量u₂₃三项指标层指标；焊缝开裂u₃对应焊接质量u₃₁、焊缝处壁温u₃₂两项指标层指标；磨损失效u₄对应煤粒质量u₄₁、飞灰浓度u₄₂、烟气流速u₄₃、过热蒸汽压力u₄₄四项指标层指标；热疲劳u₅对应机组循环运行情况u₅₁、过热器管壁温u₅₂、管壁材质u₅₃三项指标层指标；

2)基于改进的模糊层次分析法计算电站锅炉过热器健康状态评价层次体系表中每个指标的指标权重，得到每个指标层指标对于目标层X的综合权重；

2-1)对准测层指标进行重要程度排序，建立准则层指标互补模糊判断矩阵：

进一步构造得出准则层指标模糊一致性判断矩阵：

求得准则层指标初始排序向量

将R₁变为互反型矩阵为：

最后经过迭代计算处理后得到准则层指标权重向量：

W_X～u＝[0.425,0.103,0.161,0.251,0.0611^T

2-2)对每个准则层指标对应的所有指标层指标，重复步骤2-1)，得到该准则层指标对应的指标层指标的权重向量

2-3)通过递接计算加权和获得每个指标层指标对于目标层X的综合权重a_ij；

3)对电站锅炉过热器健康状态进行评估；

3-1)获取各指标层指标的综合评价值

3-2)计算电站锅炉过热器综合评价得分Q：

3-3)通过判断Q所处的等级范围，得到对电站锅炉过热器的健康状态评价结果。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明利用改进的模糊层次分析法对电站锅炉过热器建立分析模型，克服传统AHP方法反复修正、精度低的特点，利用三标度法建立判断矩阵，无需反复验证矩阵一致度是否达标，更科学的量化各因素权重，提升了电站锅炉健康状态评估的准确性。

通过本发明得到的综合评价结果可指导电站锅炉运营维修策略，为电站人员维修提供指导依据，保障机器长期有效运行，增长运行时间。

具体实施方式

本发明提出一种基于改进模糊层次分析的电站锅炉过热器健康状态评估法，下面结合具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出一种基于改进模糊层次分析的电站锅炉过热器健康状态评估法，包括以下步骤：

1)建立电站锅炉过热器健康状态评价层次体系；

电站锅炉过热器健康状态评价层次体系包括目标层、准则层和指标层三个层次。其中,目标层的电站锅炉的过热器健康状态X为评估目标，采用iFAHP对X进行层次分析，将影响决策目标的因素向下分为准则层和指标层，指标层为包含影响因素的各项指标。准则层包含影响锅炉过热器健康状态的各类损伤和失效模式，指标层为对应每个准则层准则的各类相关影响指标和因素。具体来说，准则层主要包括过热损伤(u₁)、磨损失效(u₂)、焊缝开裂(u₃)、腐蚀减薄(u₄)、热疲劳(u₅)共五个指标，每个准则又分别对应指标层的多个指标，如表1所示：

表1电站锅炉过热器健康状态评价层次体系表

表2中的层次体系包括目标层、准则层和指标层：目标层为电站锅炉过热器健康状态X，表示电站锅炉过热器综合运行状态。X对应准则层指标包括过热损伤u₁、腐蚀减薄u₂、焊缝开裂u₃、磨损失效u₄和热疲劳u₅，u₁～u₅为同一层级；过热损伤u₁对应进出口蒸汽温度u₁₁、过热器管壁温u₁₂、减温水温度u₁₃、过热蒸汽流量u₁₄、出口烟气流速u₁₅、运行负荷u₁₆六项指标层指标，即u₁₁～u₁₆属于u₁下的同一层级指标；腐蚀减薄u₂对应过热器管壁温度u₂₁、烟气含硫量u₂₂、烟气含碱量u₂₃三项指标层指标，即u₂₁～u₂₃为u₂下的同一层级指标；焊缝开裂u₃对应焊接质量u₃₁、焊缝处壁温u₃₂两项指标层指标，即u₃₁、u₃₂为u₃下的同一层级指标；磨损失效u₄对应煤粒质量u₄₁、飞灰浓度u₄₂、烟气流速u₄₃、过热蒸汽压力u₄₄四项指标层指标，即u₄₁～u₄₄为u₄下的同一层级指标；热疲劳u₅对应机组循环运行情况u₅₁、过热器管壁温u₅₂、管壁材质u₅₃三项指标层指标，即u₅₁～u₅₃为u₅下的同一层级指标，从而最终依次构成表中递阶层次结构的指标体系。

对于过热损伤u₁，影响过热损伤的主要指标有进出口蒸汽温度、过热器管壁温、减温水温度、过热蒸汽流量、运行负荷。过热器过热主要包含短时过热、长时过热以及在高温和应力同时影响下的蠕变损伤。短时过热通常是因为过热器在异物堵塞或者氧化皮脱落堆积造成的蒸汽流量减少，管壁得不到及时冷却，或短时过热至高温区造成破裂；长时过热是指在较长时间管子实际壁温超出设计壁温，造成管道材质恶化；蠕变损伤则是在高温与应力的共同作用下，应力不变但引发塑性变形，随时间缓慢增长最终造成断裂。因此过热损伤与各项温度及运行负荷即运行时间密切相关，可利用这些指标量进行过热损伤健康状态评估。

对于腐蚀减薄u₂，过热器腐蚀减薄影响指标主要有管壁温度、烟气含硫量、含碱量。在氯化物、硫酸盐、氧氧化物等杂质存在的环境中，过热器受热面运行时存在较高的应力，同时由于安装工艺等相关原因存在残余应力，复合应力在腐蚀环境作用下造成腐蚀开裂，腐蚀受烟气含硫量、含碱量影响严重，这也与水质、煤燃料质量密切相关。

对于焊缝开裂u₃；焊缝开裂主要与焊接质量以及焊缝处壁温密切相关。由于锅炉各焊接面通常是经过焊接组装起来的，焊接处质量是影响是否发生焊缝开裂的主要因素。焊接缺陷主要包括气孔、焊口未熔、夹渣等，将造成焊接残余应力过大，最终引起焊缝失效。而若壁温超过设计温度区域，热膨胀也会造成异种金属焊缝开裂。

对于磨损失效u₄，影响磨损失效的主要指标有煤粒质量、飞灰浓度、烟气流速、过热蒸汽压力等。流过过热器的高温烟气中，往往因为携带灰粒与未完全燃烧的煤粉颗粒，造成对炉管的撞击和摩擦，剥离管道微量金属，随着时间的累积造成过热器管壁减薄，受灰粒浓度、烟气流速过热蒸汽压力以及煤粒质量密切影响。

对于热疲劳u₅，影响热疲劳的主要指标有机组循环运行情况、管壁温度、管壁材质等。在对锅炉进行水除焦时，会造成炉管金属壁温短期迅速下降，间断性的热胀冷缩会造成管壁的热疲劳，而锅炉在运行过程中，负荷机组往往会调峰运行，长期累计运行/停炉循环，会引发低周热疲劳损伤。同时，管壁材质将影响低周疲劳损伤带来的塑性变形严重程度。

2)基于改进的模糊层次分析法计算电站锅炉过热器健康状态评价层次体系表中每个指标的指标权重，得到每个指标层指标对于目标层X的综合权重；

2-1)对评价目标电站锅炉过热器的健康状态X的准测层指标进行重要程度排序，基于电力行业统计报告统计发现，过热器最容易发生过热损伤，其次是磨损等失效，进一步根据中国特种设备检测研究院提供的失效检测记录，以及电站锅炉行业领域标准对各影响因素进行分析，对各准则层指标影响能力进行重要性对比，建立准则层指标互补模糊判断矩阵：

进一步构造得出准则层指标模糊一致性判断矩阵：

求得准则层指标初始排序向量

将R₁变为互反型矩阵为：

最后经过迭代计算处理后得到准则层指标权重向量：

w_X～u＝[0.425，0.103，0.161，0.251，0.061]^T

2-2)对每个准则层指标对应的所有指标层指标，重复步骤2-1)，得到如表2所示的该准则层指标对应的指标层指标的权重向量

表2改进模糊层次分析法权重值表

以腐蚀减薄为例，当管壁温度在400～500℃时，壁温每升高50℃，腐蚀速度加快1倍，因此壁温对腐蚀影响较大，据此赋给壁温较高的重要性。而过热器的磨损失效情况下，磨损严重程度往往跟灰粒浓度、烟气流速呈指数函数关系，相关性强因此重要度高。

2-3)根据表3所列，为递阶计算加权和得出每个指标层指标对于目标层X的综合权重a_ij：

表3评价指标综合权重

根据模糊综合评价法计算可知，影响电站锅炉过热器健康状态的主要指标是过热器管壁温度、飞灰浓度、焊接质量等。基于以上方法求出的权重系数，可对特定故障发生可能性进行排序，由此可快速判断排查造成锅炉系统故障和不健康状态的原因，安排人员对可能的位置进行排查和检修，提升检修效率。同时，此权重系数作为衡量各指标因素重要性的标准，对应高权重数据包含对应故障特征信息多，还可作为细粒度健康状态诊断的输入，辅助细粒度健康状态诊断的特征选择，提升故障识别及预测精度，基于此可开展细粒度的健康状态诊断方法研究。

3)对电站锅炉过热器健康状态进行评估；

3-1)根据对评价对象某电站锅炉过热器的检查数据与现场调查结果，结合专家百分制评分，得到各指标层指标的综合评价值

3-2)再结合步骤2)得到的权重结果，得到电站锅炉过热器综合评价得分Q：

3-3)通过判断Q所处的等级范围，得到对电站锅炉过热器的健康状态评价结果。

根据电站锅炉相关标准和设计规范，结合电站锅炉过热器的实际情况，将其健康状态分成如表4所示的以下几个等级：

表4电站锅炉过热器健康状态等级表

健康状态等级	很好	较好	较差	很差
					评价值	0.9～1	0.7～0.9	0.5～0.7	<0.5

本发明的一个实施例中根据某特种设备研究院提供的对一600MW超临界锅炉的多个专家打分，根据步骤3)综合得到各指标评价得分如表5所示：

表5本发明实施例的各指标评价得分表

得到综合评价得分：

因此通过分析可知该电站锅炉过热器处于较好的健康状态，可对该电站锅炉的运营维护提供指导意见。

Claims (1)

1.一种基于改进模糊层次分析的电站锅炉过热器健康状态评估法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立电站锅炉过热器健康状态评价层次体系；

电站锅炉过热器健康状态评价层次体系包括目标层、准则层和指标层三个层次；其中，目标层指标为电站锅炉的过热器健康状态X，X对应准则层指标包括过热损伤u₁、腐蚀减薄u₂、焊缝开裂u₃、磨损失效u₄和热疲劳u₅；过热损伤u₁对应进出口蒸汽温度u₁₁、过热器管壁温u₁₂、减温水温度u₁₃、过热蒸汽流量u₁₄、出口烟气流速u₁₅、运行负荷u₁₆六项指标层指标；腐蚀减薄u₂对应过热器管壁温度u₂₁、烟气含硫量u₂₂、烟气含碱量u₂₃三项指标层指标；焊缝开裂u₃对应焊接质量u₃₁、焊缝处壁温u₃₂两项指标层指标；磨损失效u₄对应煤粒质量u₄₁、飞灰浓度u₄₂、烟气流速u₄₃、过热蒸汽压力u₄₄四项指标层指标；热疲劳u₅对应机组循环运行情况u₅₁、过热器管壁温u₅₂、管壁材质u₅₃三项指标层指标；

2)基于改进的模糊层次分析法计算电站锅炉过热器健康状态评价层次体系表中每个指标的指标权重，得到每个指标层指标对于目标层X的综合权重；

2-1)对准测层指标进行重要程度排序，建立准则层指标互补模糊判断矩阵：

进一步构造得出准则层指标模糊一致性判断矩阵：

求得准则层指标初始排序向量

将R₁变为互反型矩阵为：

最后经过迭代计算处理后得到准则层指标权重向量：

w_X～u＝[0.425，0.103，0.161，0.251，0.061]^T

2-2)对每个准则层指标对应的所有指标层指标，重复步骤2-1)，得到该准则层指标对应的指标层指标的权重向量

2-3)通过递接计算加权和获得每个指标层指标对于目标层X的综合权重a_ij；

3)对电站锅炉过热器健康状态进行评估；

3-1)获取各指标层指标的综合评价值

3-2)计算电站锅炉过热器综合评价得分Q：

3-3)通过判断Q所处的等级范围，得到对电站锅炉过热器的健康状态评价结果。