CN110925031A - 一种大功率间接空冷汽轮机管控系统 - Google Patents

Abstract

一种大功率间接空冷汽轮机管控系统，涉及汽轮机控制技术领域，针对现有技术中电力行业的状态监测仍处于数字化监测层次，只能够读取显示已有传感器数据，可观性差的问题，包括现场数据采集子系统和技术服务子系统；现场数据采集子系统通过OPC站采集机组实时状态信息，并通过旋转门压缩技术对数据进行压缩存储；技术服务子系统用于对采集的实时数据及存储的历史数据进行分析比对，预测机组经济性及安全状态。本发明采用上述技术方案提供的大功率间接空冷汽轮机智慧化管控平台，能够实现汽轮机状态监测、故障预警、未知故障分析、故障库自动完善、经济性最优化分析、机组寿命分析等功能，极大的提高了机组运行的经济性、安全性、可视性及可控性。

Description

一种大功率间接空冷汽轮机管控系统

技术领域

本发明涉及汽轮机控制技术领域，具体为一种大功率间接空冷汽轮机管控系统。

背景技术

当前，汽轮发电机组主辅机设备的设计效率已达到较高水平，难以通过优化机组结构提升发电效率，为进一步挖掘汽轮发电机组节能降耗潜力的最佳方案是提高电力生产的智能化管控水平；电力行业的运行及控制仍处在人为操作阶段，主观因素过强导致易出现安全性事故，并且机组经济性无法达到理论最优解；电力行业的状态监测仍处于数字化监测层次，只能够读取显示已有传感器数据，对数据的内在联系及外部扩展工作还不够，电源侧的可观性和可控性不够完善。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中电力行业的状态监测仍处于数字化监测层次，只能够读取显示已有传感器数据，可观性差的问题，提出一种大功率间接空冷汽轮机管控系统。本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种大功率间接空冷汽轮机管控系统，包括现场数据采集子系统和技术服务子系统；

所述现场数据采集子系统通过OPC站采集机组实时状态信息，并通过旋转门压缩技术对数据进行压缩存储；

所述技术服务子系统用于对采集的实时数据及存储的历史数据进行分析比对，预测机组经济性及安全状态。

进一步的，所所述技术服务子系统包括知识库、数据库、推理机、人机接口、知识获取模块和解释模块，

所述知识库用于存储领域知识，所述领域知识包括专家经验、专家知识和常识性知识；

所述数据库用于存储领域内的初始数据和推理过程得到的各种信息；

所述推理机用于控制和协调专家内核单元；

所述人机接口用于接收来自用户的信息并将其翻译成专家内核单元的内部形式，并且能将推理机从知识库中推出的有用知识发送给用户；

所述知识获取模块用于根据机组实际情况添加新的知识库模块单元，并为模块单元修改相关测点及权重计算方案，还用于开放接口以完善该汽轮机管控系统；

所述解释机构用于对推理机分析结果给出解释。

进一步的，所述技术服务子系统对采集的实时数据及存储的历史数据进行分析比对的具体步骤为：

A：以外界环境温度、电网的负荷调度为标定参数，确定当前时刻工况；

B：在知识库中找到当前工况下所对应的设计参数；

C：对比当前时刻工况条件下的实时值与理论值偏差。

进一步的，所述技术服务子系统预测安全状态的具体过程为：

A：对实时值与理论值偏差进行特征检测，当特征参数达到设定的报警值时触发报警，并开始故障诊断；

B：在知识库中找到产生上述偏差的原因，给出解决方案并生成故障报告，最后将报警和诊断信息写入数据库。

进一步的，所述知识库包含通流模块、缸温模块、轴封模块、回热模块、膨胀模块和轴瓦模块；

所述通流模块存储信息包含：主蒸汽温度、主蒸汽压力、主蒸汽流量、高压排汽温度、高压排汽压力、再热蒸汽温度、再热蒸汽压力、中压排汽温度、中压排汽压力、高压调阀开度、中压调阀开度和负荷量；

所述缸温模块存储信息包含：主蒸汽管道壁温、主汽阀壁温、调节阀壁温、调节级金属温度、高压外缸上部金属温度、高压外缸下部金属温度、中压外缸上部金属温度、中压外缸下部金属温度和负荷量；

所述轴封模块存储信息包含：高压轴封温度、高压轴封压力、高压轴封金属温度、中压轴封温度、中压轴封压力、中压轴封金属温度、低压轴封温度、低压轴封压力、低压轴封金属温度和负荷量；

所述回热模块存储信息包含：各抽汽口温度、各抽汽口压力、各高压加热器端差、各高压加热器疏水温度、各高压加热器入口给水温度、各低压加热器端差、各低压加热器疏水温度、各低压加热器入口给水温度和负荷量；

所述膨胀模块存储信息包含：高压绝对膨胀量、高压胀差、低压胀差、主蒸汽温度、主蒸汽压力、主蒸汽流量和负荷量；

所述轴瓦模块存储信息包含：各瓦轴振、各瓦瓦振、各瓦回油温度、各瓦支持轴承温度、推力轴承温度、转速和负荷量。

进一步的，所述的推理机采用如下的推理流程：

A：以负荷量及周边环境因素标定工况；

B：根据工况在工况匹配单元取得该工况下应有的设计值；

C：将该工况下的设计值与现场实测实时值比对，计算残差值，根据残差值的绝对值由小到大排序，根据序列给出相应权重；

D：在知识库内的六大模块中，对各模块所对应的测点权重进行求和，得到每个模块对于设计值偏差的影响因子；

E：影响因子最大的模块即为导致出现偏差的原因。

本发明的有益效果是：本发明对电厂采集的大量实时及历史数据深入分析，找到局部最优参数解，预测机组未来趋势，实现通过汽轮机智慧化管控平台保障机组安全、高效运行。

本发明采用上述技术方案提供的大功率间接空冷汽轮机智慧化管控平台，能够实现汽轮机状态监测、故障预警、未知故障分析、故障库自动完善、经济性最优化分析、机组寿命分析等功能，极大的提高了机组运行的经济性、安全性、可视性及可控性，提升了电站机组智慧化管控水平。

附图说明

图1是本发明系统体系结构图；

图2是高级技术服务系统软件结构图；

图3是系统分层模块化设计图；

图4是数据平台与高级技术模块接口示意图；

图5是基于网络的服务系统结构及数据流；

图6是服务系统结构图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种大功率间接空冷汽轮机管控系统，包括现场数据采集子系统和技术服务子系统；

所述现场数据采集子系统通过OPC站采集机组实时状态信息，并通过旋转门压缩技术对数据进行压缩存储；

所述技术服务子系统用于对采集的实时数据及存储的历史数据进行分析比对，预测机组经济性及安全状态。

本发明采用如下方案：

1.立足于电厂现有的数据采集和存储设备，利用现有DCS、DEH以及TSI系统，基于INTERNET网络将实时数据进行数据传输、存储、分析和诊断，从而建立一个实时的机组数据采集、振动状态监测、故障诊断和转子寿命分析的技术服务平台。

2.采用基于web浏览器的B/S模式进行系统使用和管理，软件平台采用分层模块化设计，将数据平台和高级应用中故障诊断、寿命分析、热力性能分析、安全预警及报表生成等模块进行分离，以便进行单独研发和扩展。

3.通过电厂客户端实时采集机组运行数据，经过数据整理、转换、标准化、高效压缩等操作后，按照实时、定时、报警和启停机四种工作模式将数据通过INTERNET网远程传输到存储服务器，统一存储在中心数据库中，借助高效数据压缩技术，实现机组长期运行数据存储；

4.通过远程数据采集和通信，以模拟图、数据表、实时趋势、历史趋势等方式对汽轮机振动参数进行监测，提供棒图、趋势图、波形图、频谱图、轴心轨迹图、轴心位置图、升降速图、三维谱图、波德图、极坐标图等丰富的振动分析图谱，辅助专家对机组振动状况进行全面的监测，并对振动故障进行分析和诊断；根据监测结果对异常测点进行实时报警，提醒运行人员采取必要的措施，为机组的安全运行提供可靠的保障；

5.能够从振动数据中自动提取故障诊断征兆，并且可以加入更丰富的人工获取征兆，提供对常见振动故障的计算机自动诊断，给出故障诊断结果、推理过程和处理对策，能够诊断的故障有不平衡、不对中、转子碰磨、油膜振荡、叶片断裂和转子裂纹；

6.采用热应力和疲劳寿命损耗理论，通过对汽轮机的启停及变负荷运行导致的低周疲劳寿命损耗和材料在高温状态下受应力作用的蠕变寿命损耗进行在线实时计算和分析，监测汽轮机转子的寿命损耗情况，从而保证汽轮机运行安全性和可靠性；

7.通过对未知故障发生前不同时间段各参数变化率进行分析，找到数据变化率最大的参数做为故障分析的先兆特征，为下次出现同样故障实现预警做基础判据；

8.对比当前时刻汽轮机经济性参数、理论状态下经济性参数及同环境条件下同机组经济性参数偏差量，找到局部最优经济性条件，并给出指导调整方案；

为电厂自动生成时刻振动报表、启停振动报表、事件振动报表及经济性指标分析报表。

大功率间接空冷汽轮机智慧化管控平台基于INTERNET进行机组远程数据采集和传输，基于web浏览器的B/S模式进行系统使用和管理。该平台由智慧化现场数据采集系统及高级技术服务系统两部分组成，现场数据采集系统应用电站原有温度、压力、流量、位移等传感器采集机组实时状态信息，NI卡件读取DCS参数并向数据服务器传输，网闸保障数据安全及单向传输，应用旋转门压缩技术实现数据高效压缩及快速存取；高级技术服务系统对采集数据进行深入分析，对比实时值与理论值偏差，预测机组经济性及安全性状态，通过自学习及人工学习方式自动完善专家诊断库，实现机组智能化控制。大功率间接空冷汽轮机智慧化管控平台系统体系结构图如图1所示。高级技术服务系统软件的结构图如图2所示。

软件平台采用分层模块化设计，将数据平台和高级应用模块进行分离，以便进行单独研发和扩展，整个平台设计的层次如图3所示，系统的数据平台和专业分析模块进行解耦，利用开放的标准数据接口进行专业分析模块的无缝对接，这样可以保证系统良好的扩展性，专业分析模块无缝对接结构图如图4所示。

状态监测与故障诊断的基本过程是，对提取得到的特征参数进行限值检测，当特征参数达到设定的报警值时触发报警，并开始自动诊断，所有报警和自动诊断的结构都写入数据库，供后续查询。

基于网络的故障诊断专家系统通过WWW服务器发布。主要是由数据库系统、交互系统和专家系统内核三大部分组成。结构及数据流如图5所示。

1.数据库系统：专家系统的最基本的部件。与一般的数据库相比，这类系统使用数据的主要目的是支持诊断，因为它对综合性数据或者经过预处理的数据比较重视，而普通数据库则侧重于原始资料的收集、整理和组织。

2.交互系统：主要负责人机交互等工作。而这正是基于网络的专家系统以WWW服务的方式进行数据发布与单机版专家系统突出差别之处。

3.专家系统内核：专家系统重要的核心部分，内核部分执行对采集来的数据做故障诊断，产生提高给人类专家参考的故障文件、解释文件以及对策文件。

专家系统由知识库、数据库、推理机、人机接口、知识获取和解释部分六大部分组成，结构图如图6所示。

1.知识库：是领域知识的存储器。它存储专家经验、专家知识与常识性知识，是专家系统的核心部分。知识是决定一个专家系统性能的主要因素。一个知识库必须具备良好的可用性、确定性和完善性。

2.数据库：用于存储领域内的初始数据和推理过程得到的各种信息。数据库中存放的内容是该系统当前要处理的对象的一些事实。

3.推理机：是用来控制、协调整个系统的。他根据当前输入的数据及数据库中的信息，利用知识库中的知识，按一定的推理策略，去解决当前的问题。并把结果送到用户接口。

4.人机接口：是专家系统与用户通信的部分。它既可以接受来自用户的信息，将其翻译成系统可接受的内部形式，又能把推理机从知识库中推出的有用知识送给用户。

5.知识获取：能通过人机接口从专家以及经验获取专业知识，并把知识存储到知识库中，以备故障诊断。

6.解释机构：能对推理给出必要的解释。这给用户了解推理工程，向系统学习和维护系统提供了方便。知识获取部分为修改、扩充知识库中的知识提供手段。

大功率间接空冷汽轮机智慧化管控平台应具有以下功能：

1.基于一体化平台，通过网络接收TSI系统发送的机组转速和不同工况的振动测点原始样本数据；

2.自动根据机组运行情况实现不同的采样速度和方式，在机组升降速过程、定速、带负荷或正常运行中，配合所接收的数据自动识别机组运行状态；

3.振动特征计算与分析：根据接收的振动样本数据进行时域信号和频域信号的转换；使用FFT和DFT算法计算振动测点特征参数，包括轴转速、通频值、探头间隙(对于电涡流探头测点)、0.5X、1X和2X幅值和相位；对振动样本数据进行频谱分析，获取频带参数；

4.振动状态实时监视分析：提供机组振动情况实时监视功能，显示各振动通道的振动波形图、频谱图、轴心轨迹图并提供各通道的振动棒状图；

5.提供专业的振动数据分析图表，具有机组升、降速瞬态数据分析和趋势分析功能，主要包括：数据列表、轴心轨迹图、频谱图、波德图、趋势分析图、极坐标图、正/分对称分析图、轴中心线位置图、时间趋势图、级联图、瀑布图等；

6.系统配置：采用目录结构参数配置界面，分页式参数输入界面，列表一览显示，可配置各振动通道的名称、安装信息、传感器信息、数据采集参数等，可配置振动通道对设置，可配置接入系统的过程量测点名称、数据采集参数等；

7.数据存贮与管理：对机组日常运行时的振动动态信号数据和重要的振动特征数据，进行机组历史运行资料存贮。在线系统最少保存最近一个月数据，同时提供备份数据的恢复装入系统的功能；

8.其他功能：全部的监测、分析图表提供图形打印和打印预览功能；历史数据查询结果数据打印功能；

9.系统接口：根据仿真系统提供的数据，为转子裂纹及叶片断裂故障诊断及转子寿命分析系统获取必要的过程参数；可为DCS系统提供TDM处理后的振动测点1X幅值和相位数据，提高DCS系统分析能力。

10.提供转子裂纹及叶片断裂故障诊断模型(还包括的故障诊断内容(试验台模拟的故障)：不平衡、摩擦、不对中、油膜振荡等)；

11.提供转子裂纹及叶片断裂故障诊断分析软件(还包括的故障诊断内容(试验台模拟的故障)：不平衡、摩擦、不对中、油膜振荡等)；

12.根据汽轮机主要运行参数、结构几何参数、材料特性参数数据，构建相应的数据库，并对历史数据进行对比分析；

13.提供汽轮机转子关键部位温度场应力场计算功能；

14.确定汽轮机转子寿命限值与损耗准则；

15.提供快速启停过程及变工况过程对汽轮机转子疲劳寿命影响分析；

16.提供在线寿命监视、画面显示功能。

需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大功率间接空冷汽轮机管控系统，其特征在于：包括现场数据采集子系统和技术服务子系统；

所述现场数据采集子系统通过OPC站采集机组实时状态信息，并通过旋转门压缩技术对数据进行压缩存储；

所述技术服务子系统用于对采集的实时数据及存储的历史数据进行分析比对，预测机组经济性及安全状态。

2.根据权利要求1所述的一种大功率间接空冷汽轮机管控系统，其特征在于所述技术服务子系统包括知识库、数据库、推理机、人机接口、知识获取模块和解释模块，

所述知识库用于存储领域知识，所述领域知识包括专家经验、专家知识和常识性知识；

所述数据库用于存储领域内的初始数据和推理过程得到的各种信息；

所述推理机用于控制和协调专家内核单元；

所述人机接口用于接收来自用户的信息并将其翻译成专家内核单元的内部形式，并且能将推理机从知识库中推出的有用知识发送给用户；

所述知识获取模块用于根据机组实际情况添加新的知识库模块单元，并为模块单元修改相关测点及权重计算方案，还用于开放接口以完善该汽轮机管控系统；

所述解释机构用于对推理机分析结果给出解释。

3.根据权利要求2所述的一种大功率间接空冷汽轮机管控系统，其特征在于所述技术服务子系统对采集的实时数据及存储的历史数据进行分析比对的具体步骤为：

A：以外界环境温度、电网的负荷调度为标定参数，确定当前时刻工况；

B：在知识库中找到当前工况下所对应的设计参数；

C：对比当前时刻工况条件下的实时值与理论值偏差。

4.根据权利要求2所述的一种大功率间接空冷汽轮机管控系统，其特征在于所述技术服务子系统预测安全状态的具体过程为：

A：对实时值与理论值偏差进行特征检测，当特征参数达到设定的报警值时触发报警，并开始故障诊断；

B：在知识库中找到产生上述偏差的原因，给出解决方案并生成故障报告，最后将报警和诊断信息写入数据库。

5.根据权利要求2所述的一种大功率间接空冷汽轮机管控系统，其特征在于所述知识库包含通流模块、缸温模块、轴封模块、回热模块、膨胀模块和轴瓦模块；

所述通流模块存储信息包含：主蒸汽温度、主蒸汽压力、主蒸汽流量、高压排汽温度、高压排汽压力、再热蒸汽温度、再热蒸汽压力、中压排汽温度、中压排汽压力、高压调阀开度、中压调阀开度和负荷量；

所述缸温模块存储信息包含：主蒸汽管道壁温、主汽阀壁温、调节阀壁温、调节级金属温度、高压外缸上部金属温度、高压外缸下部金属温度、中压外缸上部金属温度、中压外缸下部金属温度和负荷量；

所述轴封模块存储信息包含：高压轴封温度、高压轴封压力、高压轴封金属温度、中压轴封温度、中压轴封压力、中压轴封金属温度、低压轴封温度、低压轴封压力、低压轴封金属温度和负荷量；

所述回热模块存储信息包含：各抽汽口温度、各抽汽口压力、各高压加热器端差、各高压加热器疏水温度、各高压加热器入口给水温度、各低压加热器端差、各低压加热器疏水温度、各低压加热器入口给水温度和负荷量；

所述膨胀模块存储信息包含：高压绝对膨胀量、高压胀差、低压胀差、主蒸汽温度、主蒸汽压力、主蒸汽流量和负荷量；

所述轴瓦模块存储信息包含：各瓦轴振、各瓦瓦振、各瓦回油温度、各瓦支持轴承温度、推力轴承温度、转速和负荷量。

6.根据权利要求2所述的一种大功率间接空冷汽轮机管控系统，其特征在于所述的推理机采用如下的推理流程：

A：以负荷量及周边环境因素标定工况；

B：根据工况在工况匹配单元取得该工况下应有的设计值；

C：将该工况下的设计值与现场实测实时值比对，计算残差值，根据残差值的绝对值由小到大排序，根据序列给出相应权重；

D：在知识库内的六大模块中，对各模块所对应的测点权重进行求和，得到每个模块对于设计值偏差的影响因子；

E：影响因子最大的模块即为导致出现偏差的原因。

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