第十三章 锅炉故障诊断及事故处理第一节 故障诊断简介一、故障诊断的概念n故障诊断包括两个方面：零件、系统诊断n零件故障指零件失效。其故障诊断的对象是 单一零件，故障特征量与故障之间有明确因 果关系，无宏观策略问题。n系统故障指系统工作能力的破坏；或一定时 间内系统主要功能指标超过规定范围；或系 统的输入与预期输出不相容。所提取的故障 特征量与故障之间无直接因果关系。n系统故障诊断的步骤：故障监测、故障分析 、故障决策处理。n故障监测：监测系统主要功能指标，即系统 状态监测。当主要功能指标偏离规定范围时 ，即可认为系统发生故障，并按照偏离程度 不同发出早期警报、紧急警报或强迫停运。n故障分析：根据检测的信号并补充其它手段 ，寻找故障源。对故障的危害作评估，给出 故障等级。n故障处理：预测故障趋势，做出处理。n现代大型锅炉的事故处理，要求监督控制系统 能够对机组的运行全过程、各主辅机系统进行 在线、动态、自动诊断，及早发现故障存在的 潜在危险，预测后果，及时判断和决策。n20世纪80年代末期，美国电力科学研究院利用 人工智能系统开发锅炉故障诊断智能系统。其 锅炉承压部件失效专家诊断系统ESCARTA是 第一个锅炉故障诊断专家系统，并于1989年在 5个电厂投入使用，效果令人满意。二、故障诊断技术发展概况n该系统知识来源于该院的手册锅炉管道故障 调查和修复， ESCARTA系统首先将锅炉承 压受热面分为四个组成部分：水冷壁、过热器 、再热器、省煤器，然后询问操作者损坏的部 位、发生现象和诱发原因，从22种损伤机理中 ，通过规则诊断推理，找出其中一种为故障原 因。n美国北印第安纳公共服务公司电厂锅炉最佳运 行控制系统，监测锅炉排烟温度、锅炉吹灰系 统、空气预热器的正常运行，将他们调整到最 佳状态。n美国Lockheed Martin公司开发的InEC系统具 有传统专家系统和神经网络技术混合模式，帮 助操作者选择合理的运行参数，减少燃烧损失 。n美国Pegasus公司开发锅炉优化运行系统，以 神经网络系统为内核，用以提高燃烧效率和降 低NOx排放。n此外，日本石川捣播磨重工和三菱重工开发的 火力发电厂支援系统等也用于电厂。n国外使用最成功的故障诊断系统是美国西屋公 司开发的汽轮发电机组专家系统，该公司在佛 罗里达奥兰多发电设备本部建立了自动诊断中 心。n国内清华大学、哈工大、华中理工大学、华北 电力大学等单位开发的故障诊断系统已用于国 产300MW机组。三、专家系统简述n锅炉故障诊断属于系统故障诊断，特点为：故 障复杂，没有规律，仅能凭操作者对设备的认 识和经验直觉处理；很多故障征兆相近，或多 种故障存在同一征兆。n根据设备的已知故障，分析确定其征兆和表象 ，此过程为正问题；根据设备表象，分析确定 故障原因、部位、严重程度等，为逆问题。对 于锅炉很多故障，逆问题可能有多种答案。n用机器来复制人的智能，即用计算机和相应的 软件系统来执行和人的智能相关的复杂功能， 称为人工智能。针对某个领域的人工智能系统 称为专家系统。专家系统的知识来源于规律、 算法、定理、准则以及经验等。n人工智能主要包括：专家系统、神经网络方法 、故障树诊断法、模糊数学诊断、参数估计法 等。n专家系统(Expert System，ES)是人工智能 (Artificial Intelligence，AI)的一个研究分支， 是目前国内外发展最快的AI领域之一。所谓专 家系统是把由某一领域专家们多年积累的经验 归纳总结而形成的知识库和模拟人类判断推理 过程的推理机结合起来，用以解决这一领域实 际问题的计算机软件系统。如EPRI的 ESCARTA系统。四、人工神经网络简述n人工神经网络是根据现代生物学研究人脑组织 所取得的成果而提出的，反映了人类大脑的基 本特征：学习、记忆和归纳。它不同于传统的 人工智能领域普遍采用的基于逻辑与符号处理 的理论和方法，为人工智能的研究开发了一种 新方法。n人工神经网络是由大量简单处理单元广泛连接 而成的网络。一个人工神经网络有三大要素： 动态特性、连接模型和学习算法。虽然每个神 经元的结构和功能十分简单，但由大量神经元 构成的网络系统的行为却是丰富多彩和十分复 杂的。各个神经元之间相互连接形成的拓扑结 构就称为人工神经网络的连接模型。n人工神经网络的信息处理由神经元之间的相互 作用来实现，知识与信息的存储表现为处理单 元的连接权值。网络的学习和识别决定于各神 经元连接权的动态演化过程，即网络学习过程 也就是网络权值矩阵的确定过程。通过学习使 网络具有对确定性输入拥有正确响应的能力。 学习所选用的规则实际上就是权值矩阵的修改 规则，称为学习算法。n专家系统不足：1.知识获取的“瓶颈”问题；2. 模拟专家思维过程的单一推理机制的局限性； 3.系统缺乏自学习能力。n神经网络不足：它不能很好的利用领域专家积 累的经验知识，只利用一些明确的故障诊断实 例，而且需要一定数量的样本学习，通过训练 最后得到的是一些阑值矩阵和权值矩阵，而不 是像专家经验知识那样的逻辑推理产生式，所 以缺乏对诊断结果的解释能力。五、在线诊断n锅炉故障预测、状态检修；n故障诊断专家系统；n锅炉性能监测系统；n厚壁元件应力分析；n受热面泄漏监测；n烟气参数及飞灰含碳在线监测；n吹灰优化系统；n燃烧监测系统等。六、离线诊断1、直接诊断n煤质特性、结渣等预测；n数据分析；四管爆漏的ESCARTA等。 2、间接诊断n传热、流动、应力等计算软件及仿真；n燃烧数值模拟等。改造前 改造后某一次风水平截面温度分布改造前数值计算结果 改造后数值计算结果 某一次风水平截面速度分布 第二节 故障诊断试验n锅炉一般故障特征量的提取是根据常规测量手 段获得的。锅炉的常规监测包括五种类型：常 规温度测量、压力和风压测量、流量测量、水 位或物位测量、烟气成分测量。通过以上测量 数据，加上操作者的经验，可诊断故障的可能 性。n但锅炉燃烧故障、四管泄漏等故障特征量提取 需用特殊手段。n煤粉燃烧可提取火焰光谱信号、辐射频谱信号 、火焰颜色信号、声波信号及炉膛负压等。根 据火焰检测、炉膛温度监视等手段，诊断燃烧 故障。n四管泄漏可采用超声波检测、声波探测、壁温 监测等手段进行诊断。一、燃烧诊断n激光测量：对于气相温度测量，喇曼散射有两 种类型可以利用。一种是自激喇曼散射(SRS) ，另一种是相干反斯托克斯喇曼散射(CARS) 。SRS用于干净火焰测量；CARS可用于发光 、含颗粒及湍流火焰测量。n还可以测量组分浓度、颗粒成分等。n辐射频谱分析：火焰频谱分析试验装置由光探 头、光电转换器、放大滤波电路、A/D转换和 计算机组成。其中光电转换(光电管)和放大滤 波电路均安装在光探头内。在滤波电路中滤除 了信号的高频噪声。火焰信号频谱估计采用通 用的周期图窗函数快速FFT法分别对稳定燃烧 工况和非稳定工况进行分析。n火焰颜色分析：火焰颜色，由可见光波长段的 火焰发光所决定。碳氢化合物火焰的发光光谱 ，由燃烧中间产物如CH、C2中间基的非连续 光谱、CO分子与O原子再结合反应所产生的 连续光谱、作为固体的炭黑粒子所发射的连续 光谱等组成。其光谱强度随燃料、燃料与氧比 剂的混合状态、燃烧反应过程的延迟等变化， 并引起火焰颜色产生变化。因此，从火焰所发 出的光的颜色，含有与燃烧状况有关的信息， 是把握燃烧状况重要的情报来源。a-1.22 kgc/kga；b-0.88；c-0.68n声波测量法：声波传播时间和传播路径上的气 体温度(假设为均匀温度分布)的关系式为：n图像处理：用电视摄像机作为传感器，将所拍 摄火焰图像一路送录像机保存待用，另一路经 图像采集与变换系统送计算机。由计算机综合 处理后将所求图像特征在计算机显示器上显示 ，打印机打印或存盘待用，同时经图像变换系 统送彩色显示器显示。为了从火焰的原始图像 迅速获得直接、准确而又清晰地反映燃烧状况 的信息，需要对图像进行适当的处理，包括多 图像相加平均、图像平滑、图像分割、边缘提 取、特征计算及伪彩色显示等。二、壁温监测n对于四管泄漏，可采用声学方法、无损探伤等 进行检测，但在运行中，可以用壁温监测方法 ，预测剩余寿命。n金属壁温跟各个受热面管子的内外部热力环境 密切相关，如外部烟气温度，管内蒸汽温度等 。因此，可采用模拟锅炉动态热力过程的方法 来确定相关热力参数。壁温监测系统结构一、四管爆漏n应力断裂：短期过热、高温蠕变、异种钢焊接 ；n工质侧腐蚀：氧损伤、苛性腐蚀、应力腐蚀裂 纹、孔蚀；n烟气侧腐蚀：低温腐蚀、水冷壁腐蚀、煤灰腐 蚀、油灰腐蚀；n磨损：飞灰磨损、落渣磨损、吹灰磨损、煤粉 磨损；第三节 几种典型故障原因n疲劳：振动疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳；n质量缺陷：维修损伤、化学偏移、材料缺陷、 焊接缺陷。 1、短期过热n锅炉设计时，管子强度是通过管子计算壁温下 材料的许用应力来考虑的。短期过热指实际壁 温超过设计工况下的壁温，使材料的许用应力 急剧下降，在管内压力作用下，使管子实际应 力超过许用应力而爆管。n短期过热爆管的爆破口特征是：管子爆破口塑 性变形大，管子直径明显胀粗；爆破口减薄成 刀刃状，爆破口为较大的喇叭口，为典型的薄 唇形破口，断面由许多凹坑组成；管壁温度低 于热处理临界温度Ac1，即钢加热开始形成奥 氏体的温度，爆管后的金相组织为拉长的铁素 体和渗碳体，当壁温高于Ac1Ac3，即亚共析 钢加热时铁素体全部消失的最低温度，金相组 织为马氏体、贝氏体、珠光体和铁素体。爆破 口的氧化皮厚度随超温时间长而增厚。n短期过热原因：炉膛出口气流偏斜，或其他因 素使局部热负荷偏高；管内工质流量不均；异 物堵塞或管内结垢严重；材质等级低等。n短期过热一般发生在受热面向火侧。n通常采用的措施为：改善炉内燃烧工况，防止 气流偏斜；改进过再热器系统，减轻热偏差； 保证蒸汽品质；等。2、长期过热n指受热面实际壁温略超过设计值，长期在高温 和应力作用下，金属发生珠光体球化、石墨化 、合金元素再分配、高温氧化等金相组织变化 或保护膜破坏；或因高温蠕变速度加快、持久 强度下降等而导致的爆管现象。n按应力状态分三种类型：高温蠕变、应力氧化 裂纹、高温氧化型。n高温蠕变型爆破口特征：管子膨胀量明显超过 金属监督规定的数值；爆破口边沿较钝，爆破 口周围氧化皮有密集的纵向裂纹，且在较大范 围内有蠕变空洞或裂纹；向火面金相组织完全 球化，弯头处可能发生再结晶。n应力氧化裂纹型爆破口特征：管子膨胀量低于 或接近金属监督规定值；爆破口边沿钝，接近 爆破口向火侧外壁氧化皮，有多条纵向裂纹； 向火侧和背火侧都严重球化，强度和硬度都下 降；管子内外氧化皮分层；管外氧化皮沉积燃 烧产物的硫、氯、锰、钙等元素。n高温氧化型爆破口特征：在内外管壁均产生 1.01.5mm的氧化皮，管壁严重减薄，仅为原 厚度的33%12.5%；管子内外均氧化；向火 侧完全球化，背火侧严重球化，强度和硬度均 下降；管外氧化皮沉积燃烧产物的硫、氯、锰 、钙等元素。n长期过热爆管一般在高温过热器最外圈，或高 再向火侧。高温氧化型一般出现在再热器，应 力氧化型一般出现在过热器。n长期过热原因：同样是局部热负荷偏高；管内 工质流量不均；异物堵塞管子但不严重、管内 结垢；材质等级较低。n采取措施：改善燃烧工况，防止偏斜；改进过 再热器系统减轻热偏差；结垢后进行化学清洗 ；改进汽温调节；更换危险管子等。3、腐蚀疲劳n腐蚀疲劳也称汽侧氧腐蚀。指由于氧的作用， 使管内工质发生电化学反应，在管子内壁钝化 膜破坏处，发生点状腐蚀。n腐蚀疲劳爆破口特征：爆破口管内存在点坑状 腐蚀，呈贝壳状；腐蚀疲劳产物为黑色Fe3O4 ，与金属基牢固结合，停炉后腐蚀疲劳产物转 化为红色的Fe2O3，腐蚀坑沿纵向发展，腐蚀 区域金相组织不发生变化。n腐蚀原因：管内介质中含少量的碱或游离的 CO2，或下弯头停炉时积水；弯头应力集中区 产生点腐蚀，