一种基于大数据介质参数诊断的调节阀门故障预警系统及方法与流程

本发明涉火力发电厂安全生产技术领域，特别涉及一种基于大数据介质参数诊断的调节阀门故障预警系统及方法。

背景技术：

调节阀门是火力发电厂比较常见且必不可缺的重要设备，常被用于直接控制系统工质流量。在机组正常运行中，为满足各种工况下工质流量的需求，调节阀门需要频繁动作。由于火力发电厂调节阀门数量较多而又动作频繁，在运行过程中调节阀门的故障缺陷较为常见。若故障不能及时被发现，极易造成其控制的介质流量、压力及温度等参数异常，轻则导致系统偏离设计值运行，重则导致机组出现跳机甚至安全事故。

目前，运行人员可以通过阀门指令、反馈或故障信号在集散控制系统dcs画面上发现部分调节阀门故障并及时处理，如：阀门卡涩、通讯故障等。但有些机械故障运行人员很难在调节阀门故障前期及时发现，如：阀杆断裂、执行机构脱落等，只有当其控制的介质参数严重偏离正常值时才会被发现，此时往往已经错过故障处理的最佳时机，严重影响机组安全运行。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于大数据介质参数诊断的调节阀门故障预警系统及方法，当调节阀门出现dcs系统画面无法体现的控制或机械故障时，本发明可根据通流介质参数与阀门开度进行综合判断，进而及时向运行人员发出预警或报警，提醒运行人员尽早检查处理运行异常的系统，能有效避免安全事故发生。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于大数据介质参数诊断的调节阀门故障预警方法，所述调节阀门当做通流面积可调的节流孔板，根据流动介质流体力学特性，调节阀门可通过调节通流面积调节介质流量，预警方法包括以下步骤；

步骤1、所述调节阀门的流量计算公式如式(5)，通过介质密度、介质流量和阀门前后差压得出与阀门通流面积成正比关系的对比面积，对比面积与调节阀门各个开度一一对应；

步骤1.1、获得介质密度：

对于可压缩介质(如空气)：

其中：p为调节阀门处介质压力，单位为pa；t为调节阀门处介质温度，单位为k；ρ为调节阀门处介质密度，单位为kg/m³；p1为调节阀门进口压力，单位为pa；p2为调节阀门出口压力，单位为pa；t1为调节阀门进口温度，单位为k；t2为调节阀门出口温度，单位为k；p0、t0、ρ0为任一确定状态下介质压力、温度、密度，均为已知量；

通过式(1)-式(3)可推导得到：

对于不可压缩介质：根据介质密度随温度及压力变化对照表，编制用于计算介质密度模块，该模块可通过获取介质温度及压力后直接输出介质密度值；

步骤1.2、利用介质流量和阀门前后差压推导对比面积：

qm＝qv×ρ(6)

δp＝p2-p1(7)

式(5)-式(7)中qv为介质体积流量，单位为m³/s；n为调节阀门在某一开度下的综合常数；a为调节阀门通流面积，单位为m²；△p为调节阀门进出口压差，单位为pa；qm为介质质量流量，单位为kg/s。

通过式(5)-式(7)可得到：

其中：ad为对比面积，由于n在调节阀门某一确定开度时为常数，故ad与阀门通流面积成正比例关系，在调节阀门无故障情况下ad与阀门开度θ始终一一对应；

步骤2、获取系统长期正常运行参数历史大数据信息，通过式(8)计算得出ad数据，以调节阀门开度θ为x轴、ad值为y轴，绘制调节阀门正常运行工况θ-ad图；

步骤3、通过多项式拟合的方法拟合获得调节阀门正常运行工况点的上边界曲线和下边界曲线并根据曲线在θ-ad图上绘制出预警区域和报警区域；

调节阀门正常运行工况点的上边界曲线：

ad＝fu(θ)(9)

调节阀门正常运行工况点的上边界曲线：

ad＝fd(θ)(10)

步骤4、获取调节阀门实时运行工况数据，根据式(8)计算ad的实时值，当运行工况点在预警区内时，系统发出故障预警，提醒运行人员检查该阀门状态；当运行工况点在报警区内时，系统发送故障报警，提醒运行人员根据运行工况处理故障。

所述步骤3，在θ-ad图中1.05fu(θ)＜ad＜1.1fu(θ)和0.9fd(θ)＜ad＜0.95fd(θ)区域属于预警区；ad＞1.1fu(θ)和ad＜0.9fd(θ)区域属于报警区。

一种基于大数据介质参数诊断的调节阀门故障预警系统，包括测量与采集模块、数据处理模块、判断与预警模块；

所述测量与采集模块、数据处理模块、判断与预警模块顺次连接；

通过测量与采集模块将系统中各参数测量、采集并传送至数据处理模块，数据处理模块首先将阀门长期正常工作的历史大数据信息进行处理并绘制θ-ad图，根据θ-ad图，该模块将阀门正常运行工况点进行拟合得出上、下边界曲线，进而绘制出预警区域和报警区域；

预警区域和报警区域确定后，数据处理模块根据实时测量参数计算出运行工况点ad值，并判断此ad值在θ-ad图中所属区域，若运行工况点ad值处在预警区内，则系统发出故障预警，提醒运行人员检查该阀门状态；若运行工况点ad值处在报警区内，则系统发送故障报警，提醒运行人员根据运行工况处理故障。

所述测量与采集模块所测量与采集的参数包括：调节阀门进口压力p1、调节阀门进口压力p2、调节阀门进口温度t1、调节阀门出口温度t2、介质质量流量qm、调节阀门开度θ；

所述数据处理模块将系统阀门长期正常工作的历史大数据信息通过式(8)进行计算，得到各种工况下阀门开度θ与ad的历史数据，以阀门开度θ为x轴、ad值为y轴，绘制阀门正常运行工况θ-ad图，通过数据拟合的方法获得阀门正常运行工况点的上边界曲线和下边界曲线，并根据曲线在θ-ad图上绘制出预警区和报警区；根据测量与采集模块采集的实时运行工况数据计算ad的实时值；

所述判断与预警模块根据数据处理模块绘制出的θ-ad图和ad实时值，判断运行工况点在θ-ad图所处区域，若运行工况点在预警区内时，则系统发出故障预警，提醒运行人员检查该阀门状态；若运行工况点在报警区内时，则系统发送故障报警，提醒运行人员根据运行工况处理故障。

本发明的有益效果：

本发明在火力发电厂运行过程中，当调节阀门出现dcs系统画面无法体现的控制或机械故障时，本发明可根据通流介质参数与阀门开度进行综合判断，进而及时向运行人员发出预警或报警，提醒运行人员尽早检查处理运行异常的系统，能有效避免安全事故发生。

附图说明：

图1为本发明调节阀门正常运行工况θ-ad图。

图2为本发明流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。实施例：

以某350mw燃煤锅炉安装在冷一次风至脱硝热解炉稀释风管道上的调节阀门为例，一种基于大数据介质参数诊断的调节阀门故障预警方法，包括以下步骤；

步骤1、根据空气流体力学特性，流经调节阀门的空气流量计算公式如式(5)，通过空气密度、空气流量和调节阀门前后差压推导出与阀门通流面积成正比关系的对比面积；

步骤1.1、获得空气密度：

其中：p为调节阀门处空气压力，单位为pa；t为调节阀门处空气温度，单位为k；ρ为调节阀门处空气密度，单位为kg/m³；p1为调节阀门进口空气压力，单位为pa；p2为调节阀门出口空气压力，单位为pa；t1为调节阀门进口空气温度，单位为k；t2为调节阀门出口空气温度，单位为k；p0、t0、ρ0为标准状态下空气压力、温度、密度，p0＝101325pa，t0＝273k、ρ0＝1.293kg/m³；

通过式(1)-式(3)可推导得到：

步骤1.2、利用空气流量和调节阀门前后差压推导对比面积：

qm＝qv×ρ(6)

δp＝p2-p1(7)

式(5)-式(7)中qv为空气体积流量，单位为m³/s；n为调节阀门在某一开度下的综合常数；a为调节阀门通流面积，单位为m²；△p为调节阀门进出口压差，单位为pa；qm为空气质量流量，单位为kg/s。

通过式(5)-式(7)推导可得到ad：

步骤2、获取系统长期正常运行历史大数据信息，通过式(8)计算得出ad历史数据，以调节阀门开度θ为x轴、ad值为y轴，绘制调节阀门正常运行工况θ-ad图，见图1；

步骤3、通过多项式拟合的方法拟合获得调节阀门正常运行工况点的上边界曲线和下边界曲线并根据曲线在θ-ad图上绘制出预警区域和报警区域；

调节阀门正常运行工况点的上边界曲线：

ad＝fu(θ)(9)

调节阀门正常运行工况点的上边界曲线：

ad＝fd(θ)(10)

步骤4、获取调节阀门实时运行工况数据，根据式(8)计算ad的实时值，当运行工况点在预警区内时，系统发出故障预警，提醒运行人员检查该阀门状态；当运行工况点在报警区内时，系统发送故障报警，提醒运行人员根据运行工况处理故障。

所述步骤3中在θ-ad图中1.05fu(θ)＜ad＜1.1fu(θ)和0.9fd(θ)＜ad＜0.95fd(θ)区域属于预警区；ad＞1.1fu(θ)和ad＜0.9fd(θ)区域属于报警区，如图1所示。

一种基于大数据介质参数诊断的调节阀门故障预警系统，包括测量与采集模块、数据处理模块、判断与预警模块；

所述测量与采集模块、数据处理模块、判断与预警模块顺次连接；通过测量与采集模块将调节阀门进口空气压力p1、调节阀门进口空气压力p2、调节阀门进口空气温度t1、调节阀门出口空气温度t2、空气质量流量qm、调节阀门开度θ等参数测量、采集并传送至数据处理模块，数据处理模块首先将阀门长期正常工作的历史大数据信息进行处理并绘制θ-ad图，根据θ-ad图，该模块将阀门正常运行工况点进行拟合得出上、下边界曲线，进而绘制出预警区域和报警区域；

预警区域和报警区域确定后，数据处理模块根据实时测量参数计算出运行工况点ad值，并判断此ad值在θ-ad图中所属区域，若运行工况点ad值处在预警区内，则系统发出故障预警，提醒运行人员检查该阀门状态；若运行工况点ad值处在报警区内，则系统发送故障报警，提醒运行人员根据运行工况处理故障。

所述测量与采集模块所测量与采集的参数包括：调节阀门进口压力p1、调节阀门进口压力p2、调节阀门进口温度t1、调节阀门出口温度t2、介质质量流量qm、调节阀门开度θ；

所述数据处理模块将系统阀门长期正常工作的历史大数据信息通过式(8)进行计算，得到各种工况下阀门开度θ与ad的历史数据，以阀门开度θ为x轴、ad值为y轴，绘制阀门正常运行工况θ-ad图，通过数据拟合的方法获得阀门正常运行工况点的上边界曲线和下边界曲线，并根据曲线在θ-ad图上绘制出预警区和报警区；根据测量与采集模块采集的实时运行工况数据计算ad的实时值；

所述判断与预警模块根据数据处理模块绘制出的θ-ad图和ad实时值，判断运行工况点在θ-ad图所处区域，若运行工况点在预警区内时，则系统发出故障预警，提醒运行人员检查该阀门状态；若运行工况点在报警区内时，则系统发送故障报警，提醒运行人员根据运行工况处理故障。