故障树分析法在电厂热工自动化检修中的应用

李松涛

(国电蓬莱发电有限公司设备维护部 山东蓬莱 265600)

故障树分析法在电厂热工自动化检修中的应用

李松涛

(国电蓬莱发电有限公司设备维护部 山东蓬莱 265600)

随着火力发电机组自动化程度的日益提高，运行中出现故障的几率也随之升高。为此，提出了故障树分析法，将其应用到热工自动化故障诊断和检修之中，并通过列举故障分析法的实际应用案例，阐述了其在热工自动化检修中的优越性。

火电厂； 热工自动化； 故障树分析法

热工自动化作为火电厂大型火力发电机组实现安全、经济运行的重要组成部分，是衡量火电企业现代化水平的重要指标。随着现代控制技术的快速发展和发电机组容量增大，热工自动化越来越趋向于大型化和复杂化，系统控制回路和变量越来越多，在实际运行中出现故障的概率也随之升高，且故障规律性越来越隐蔽，这些都给热工自动化的故障诊断、检修工作带来了很多困难。目前，用于热工自动化系统故障诊断的方法和技术很多，大致有故障树法、专家系统法、神经网络法等，但没有一种技术能够适应所有故障的诊断，而故障树分析法作为一种基于图形演绎的故障诊断方法，能够将系统故障与组成部件直接进行有机联系，对热工自动化系统而言，是一种行之有效的故障分析和诊断方法。

1 热工自动化系统存在的主要故障类型

火电厂热工自动化系统现场易发故障主要集中在以下几个方面。

1) 来自于现场信号本身的故障。现场信号是指与电力生产过程密切相关的各类变送器、开关、执行机构以及温度传感器等输出的信号。一旦现场信号自身出现故障，会对DCS系统中的控制功能产生直接影响，同时，会导致监视数据误差，给操作人员产生误导作用，甚至引发误操作。现场信号故障可分为四个方面：①系统运行参数测量元件故障，如：热电偶断线、短接、损坏，测量元件质量不合格、安装不当等。②变送器存在问题，如：变送器电路故障、敏感元件损坏等。③接线故障，如：接线端子松动、短接等。④阀门故障，比如：电动门、电磁阀等不能远程操作或状态错误。

2) PLC硬件或DCS系统存在的故障，比如：CPU模块故障、电源模块故障、I/O模块故障等。

3) 系统硬件配置有误或软件组态存在问题，比如系统软件编辑、编译错误等。

4) 现场运维人员操作不当引发的故障。

2 故障树分析法概述

当火电厂热工自动化系统发生故障时，能否正确分析、诊断故障发生的部位及原因，是能否采取合理有效检修措施的关键，而故障分析和诊断需要在丰富经验的基础上，依靠科学的分析方法。故障树分析法(Fault Tree Analysis，简称FT)，又叫因果树分析法，是由美国沃特森提出来，并经过应用发展形成的一种简单、有效的逻辑分析方法，具体来说就是将不希望发生的故障时间作为分析目标，采用合适的逻辑门将引发故障的原因从总体到局部联结成树形图，从而对其进行逻辑分析的方法[1]。

如图1为故障树分析法的系统图，图中系统故障是指不希望发生的事件，也称顶事件，该故障或是由部件A发生故障导致的或是由部件B发生故障导致的，而部件A的故障又是因为元件1或者元件2发生失效而导致的，部件B的故障是因为元件3和元件4同时失效而导致的。图中处于故障树底部的元件失效事件是引发系统故障的基本事件，一般称为底事件，而介于顶事件与基本事件之间的事件(图中的部件A故障、部件B故障)称为中间事件[2]。

图1 故障树分析系统简图

3 故障树模型的建立步骤及诊断流程

故障树分析方法既能分析系统硬件自身的故障影响，又能够全面地分析环境因素、人为因素及软件因素等的影响。不但能够对系统故障产生的原因进行定性分析，从而明确导致系统故障的原因和原因组合，能够通过对各层事件结构的重要程度分析，通过采用布尔代数运算对故障树进行简化，确定最小割集和最小路集，判断系统的薄弱环节及所有可能失效模式，还能够对系统的相关评价指标进行定量计算，并根据已经明确的已知单元的故障分布及发生概率，求得单元概率重要度、结构重要度、关键重要度和系统失效概率等定量指标[3]。故障树分析法中故障树的建立主要分为如下几步。

1) 顶事件的确定。对于火电厂热工自动化系统而言，就是表现出来的不希望发生的故障现象。

2) 分析顶事件即对系统故障的现象进行分析。通过对热工自动化系统故障现象进行分析，找到引发系统故障的直接原因，将故障现象当成一个输出事件，将可能导致系统故障的所有直接原因当作输入事件，并选取适当的逻辑门表示这些事件之间存在的内在逻辑关系。

3) 中间事件分析。深入分析每一个与系统故障现象(顶事件)存在直接相关的输入事件(中间事件)，如果这些输入事件还能够进一步进行分解，那么则需要将其进一步作为下一级的输出事件，并采用步骤2的方法，对其进行分析处理。

4) 使用逆向思维。通过对已知输出事件的分析，利用逻辑关系找到存在问题(故障或失效)的输入事件，这样一棵倒置的故障树即完成。

4 应用案例分析

汽轮机凝汽器真空下降是较为常见的热工自动化故障，为了查找导致该故障的真正原因，需要建立凝汽器真空下降故障的故障树。首先，将凝汽器真空下降故障作为故障树的顶事件，对该故障现象(顶事件)进行分析，分析引发凝汽器真空下降的直接原因，建立下一层的事件(中间事件)，直到找到最终原因(底层事件)为止。凝汽器内蒸汽饱和温度ts和循环水入口温度t1、循环水温升Δt、换热端差δt之间存在因果关系，因此，以这些因素作为中间事件，进一步查找引发这些因素异常的最终原因，建立故障树。图2为凝汽器真空恶化诊断故障树，从图2中可以看出，影响凝汽器真空的底层事件共计有11个，这样只需要对这些底层事件涉及的实际监测和各种参数进行逐一分析和排查，就能很容易地找到导致凝汽器真空下降的真正原因。

图2 凝汽器真空下降诊断故障树

某火电厂300 MW供热机组出现真空恶化故障，经过现场实际检测发现：循环水温升Δt在15℃～16℃(原设计Δt为6.5℃)，传热端差δt在14℃～15℃(原设计δt为8 ℃)。有检测数据可知：循环水温升Δt和传热端差δt都高于原设计值，在汽轮机额定运行情况下，凝汽器排汽量Dc正常，经过详细检查存在发现循环水量不足问题，比设计值减少8 000 t/h，进一步检查发现，循环水排水沟受阻，因而减少了循环水进水量。影响δt因素也很多，经过逐一检查和分析发现，存在凝汽器铜管结垢超标问题，经测试清洁系数仅为0.39(原设计值为0.85)，后对凝汽器铜管进行彻底清扫，同时对高压头循环水泵进行更换。经过此次大修处理，再次启动投运时，凝汽器真空达到了设计要求，真空下降故障得以解决。

5 结束语

本文通过对火电厂热工自动化系统常见故障的总结分析，将故障树分析法这一理论应用于热工自动化故障检测之中，概述了故障树分析法的基本原理和建立步骤，并通过现场实际案例，详细说明了故障树法在火电厂热工自动化系统故障检修中的优越性。从其应用情况来看，在火电厂热工自动化故障诊断和检修工作中应用故障树分析方法，具有一定的科学性、可靠性和准确性，可以实现热工自动化系统的预测检修向状态检修的过渡，节省大量人力和物力，降低机组停运带来的经济损失，从而提高发电机组运行的安全性和经济性。

[1] 虞和济.故障诊断的基本原理[M].北京：冶金工业出版社，1991：27-32.

[2] 陈瑞勋，李青，解海涛. 基于规则和故障树的故障案例库构建方法研究[J].航空制造技术， 2017(3)：87-88.

[3] 朱继源.故障树原理和应用[M].西安：西安交通大学出版社，1989：11-15.

[责任编辑：李娟]

Application of Fault Tree Analysis in Thermal Power Plant Automatic Maintenance

LI Songtao

(Equipment Maintenance Department， Guodian Penglai Power Generation Co.， Ltd.， Penglai 265600， China)

With the increasing degree of automation of thermal generating units， failure probability in the operation also increases. This paper suggests the application of fault tree analysis in to the failure diagnosis and maintenance of thermal automation， and explains the advantages with some practical case studies.

thermal power plant; thermal automation; fault tree analysis

2017-05-23

李松涛(1982-)，男，工程师，主要研究方向：自动化控制

TM 621.4

A

1672-2434(2017)04-0027-03