1、哈尔滨工业大学先进动力技术研究所 2014年9月3日,动力设备远程健康管理系统,一、背景和科研团队简介 二、系统总体设计 三、数据支撑平台 四、设备通用异常检测 五、设备动态经济性监测与分析 六、（燃气轮机）排温分布异常检测 七、振动系统故障诊断专家系统 八、设备远程健康管理系统的工业应用,提纲,一、研究背景和意义,燃气轮机、汽轮机、风机等大型动力设备是21世纪乃至更长时期内能源高效利用和洁净转化的核心动力设备。,一、研究背景和意义：需求与机遇,大型设备健康管理系统的基础市场需求： 设备检修和维护： 不论燃机还是汽机还是压气机机等设备，都是单价很高，且处于工业生产的核心位置，维修维护成本很高，
2、提升检修工作效率是所有企业的刚需和科研的热点。 智慧化管理趋势：近年越来越热的智慧化生产、工业大数据服务等行业热点,总结： 大型设备的健康管理是一个适用范围广，且发展空间很大的知识服务产品，随着工业智能化管理需求的提升市场空间巨大；动力设备异常检测和故障分析是大型设备运维的必要工具，目前面临着空前的机会，前景无限。,例如：燃机行业面临巨大的发展机会 根据2014年5月21日签署的中俄东线管道供气购销合同，从2018年起，俄罗斯开始通过中俄天然气管道东线向中国供气，输气量逐年增长，最终达到每年380亿立方米，累计合同期30年。 380亿立方米，30年意味着什么？,一、研究背景和意义：设备故障诊断
3、的重要性,汽轮机、压气机、风机等其他动力设备也呈现迅猛的发展态势，设备的生产企业和工业生产部门越来越重视设备性能的提高和运行的稳定，在广泛应用的情况下更加重视设备运行的稳定和高效。,一、研究背景和意义：设备故障诊断的重要性,动力设备工质和能量的流动并伴随设备机械传动部分的联动，形成了动力设备整体运转的一种普遍形式。设备的各组成部分是一个有机联动的整体，各部分之间存在很强的相互依赖关系。,燃机状态参数,电机状态参数,排温参数,燃烧子系统状态参数,动力设备的运行是“牵一发而动全身”的整体联动的运转，当其中一个部件发生问题，会对其余部件造成影响，这些影响不仅对燃机的高效运行不利，也会对设备产生积累性
4、的安全问题，一旦问题爆发将严重影响运行安全； 虽然类似的故障诊断工作国内外做了大量的工作，但是，目前国内动力设备基本只配备了数据服务，故障诊断主要停留在理论研究的阶段；,一、研究背景和意义：科研团队介绍,哈尔滨工业大学 先进动力技术研究所,20世纪90年代年起,2011年起,2002年起,先进动力技术研究所数据挖掘实验室专注于动力系统智能化管理和控制行业，有超过二十年的科研经历，并通过和高校、科研院所以及企业的合作,形成了一套完善的动力设备运行维护的知识服务和健康管理模式。以工业智能化为导向，获得了大量的科研和项目成果 。,2009年起,二、系统总体设计,动力设备远程健康管理系统,核心：建设企
5、业级远程数据中心、提供动力设备全面的知识服务和完善的健康监测系统。,数据支撑平台：搭建高效可靠的数据采集平台。在平台端通过接收传感器上的变送数据，监测机组的运行情况，并将数据传送到数据采集服务器上。 健康管理系统：实施全面的设备健康监测和分析，通过嵌入专业分析模块实现专业分析的相关功能，引入专家系统协助进行决策并通过评价系统进行自适应改善。 数据展示平台：将设备远程数据、高级应用层分析数据进行多元化展示。,二、系统总体设计,系统的分层、模块化设计,火电机组综合管理及运行监测系统硬件结构,专业分析模块以外挂的形式嵌入到系统中，为系统提供多元化的分析和决策功能。,二、系统总体设计,人在回路中的系统
6、架构，计算机进行数据计算和初步分析，在此基础上人进行最终的决策。,机组档案库,故障案例库,各领域专家库,二、系统总体设计,计算机自动分析模型自学习与能力提升,模型自学习,报警记录,异常报告自动生成,机组异常报警报告自动生成，降低 人进一步分析的工作量,三、数据支撑平台,数据支撑平台是设备远程健康管理系统的基础部分，承担了数据采集、转发、存储和发布等任务，同时需要为专业分析模块提供通用接口协议。,三、数据支撑平台,多任务数据采集,数据采集接口 提供数据从设备向现场数据 库传输的通用接口协议 数据标准化 将现场的测点进行标准化和规范化，方便数据中心的调用、显示、专业分析等二次开发 数据组织 实现数
7、据的打包和临时存储 多任务采集 主要解决不同任务下（如启停机、正常运行、发生异常时）的数据采集策略。,基于OPC客户端的数据通信协议,数据标准化和规范测点对照表,数据打包技术,三、数据支撑平台,数据安全高效传输,海量数据的并行传输,数据传输的断点续传功能,基于小波的数据压缩技术，压缩比高达10.24,数据加密 对被传输的数据进行加密，采用二进制和VPN技术进行加密 数据压缩 对数据包进行压缩，在保证数据真实的情况下减少网络传输资源的占用 数据的断点续传 网络发送故障时数据传输的紧急处理，保证数据稳定传输 多任务采集 针对不同的数据类型和任务进行传输的控制,三、数据支撑平台,海量数据存储,基于小
8、波重构的数据提取,数据存储 通过二进制Blob存储来提高数据的存储和检索效率 数据库分区 使数据进行检索的时候大大缩小检索面积提高检索效率 多尺度数据提取 网络发送故障时数据传输的紧急处理，保证数据稳定传输 多任务存储 针对不同的数据类型和任务设计不同的存储策略,数据的二进制存储,数据库分区存储,三、数据支撑平台,数据多元展示,丰富多元的数据组态,数据组态 建立基于WEB的数据展示平台，通过方便灵活的组态功能对实时数据、历史数据、异常数据进行展示 通用数据接口 设计通用的数据接口方便各种专业分析的模块进行链接、读写,系统软件结构,三、数据支撑平台,多源模块的无缝嵌入,专业分析模块如设备通用异常
9、检测、燃机排温异常检测、振动故障检测等模块均可以通过通用数据接口进行无缝嵌入，这些系统的开发可以在多元化的环境中进行，极大的方便了系统的二次开发。,四、通用异常检测系统,通用异常检测的意义,异常的几种常见形式,由于设计、安装的缺陷以及长期运行引起的老化，设备的某些部件或者子系统在运行过程中难免会出现性能下降、甚至产生故障，从而导致整个系统性能下降、可靠性得不到保障。通用异常检测的目的就是通过远程监设备的状态参数、识别系统的状态和变化趋势，在设备自身发生故障报警前进行状态预警，以维护设备性能，大大减少重大事故发生的概率。,设备的大多数潜在故障对设备的正常运行有持续的影响，但设备自身的监测系统是无
10、法发现设备性能的缓变现象！,通过数据挖掘和理论分析将正常模式和异常模式进行有效区分,设备运行异常状况数据,四、通用异常检测系统,异常的分类：,点异常：测量值本应该在某一常值附近波动，但此时差生了较大偏离 线异常：测量值应该保持不变或者缓慢变化，但此时变化过快或者朝恶化的发现发展 面异常：一组测点的一段时间的输出构成了一个曲面，当系统发生异常时，各个参数之间的关联关系发生变化，从而导致曲面的形状发生了变化，由此检测异常。 开关量异常：开关量之间由于逻辑关系构成了逻辑关联图，它们相互之间的逻辑关系可能会因系统故障而产生错误的关系。,构造最小超球划分点异常,滑动窗方法构造线异常识别模型,无论是点异常
11、、线异常还是其他异常形式，异常检测的实质是寻找系统运行的常模式，并且采用相应的技术有效划分常模式和非常模式，将这种划分结果建议给领域专家，辅助进行决策。,四、通用异常检测系统,寻找正常模式以燃机为例,定义：正常模式的定义为设备实际运行中频繁发生的模式 模式：对于实际运行的燃气轮机，燃机的各设备和组成部分是一个有机联系的整体，各部分之间存在很强的相互关系，这种相互之间的依赖关系即为模式。,异常和非异常的划分,常模式的获取必须是基于机组正常的运行数据，在之后的异常检测系统中，发生异常就是由于样本点超出了偏差限，超限的原因是通过模型得到的修正值发生了很大偏差，可以说明此时运行异常。,（1）通过一段时
12、间内燃机运行的历史数据的分析，得到燃机系统各物理量之间的关联关系，从而获得燃机运行的正常模式； （2） 燃机正常模式获取时，各物理量之间的关系会受到工况、环境因素以及可能的异常因素的影响。而常模式的获取需要采用各物理量相互影响的建模方法，消除工况、环境等因素对模式的影响； （3）当得到燃机运行的常模式，通过检测模式之间的差异，再根据自适应调整的允许偏差范围，即可实现异常检测。,四、通用异常检测系统,工况发生改变时，设备参数有一个合理的变化范围,当设备处于常模式的运行状况下，设备各个参数均存在一个固定的范围内波动，这个范围不随工况的改变而改变。 范围的获取方法：基于统计理论的范围划分、数据结构分
13、析等。,燃机参数在全工况运行内的变化范围,四、通用异常检测系统,工况发生改变时，设备参数有一个合理的变化范围,可以看出，绝大多参数在全工况范围内的波动满足正态分布！,四、通用异常检测系统,设备参数还存在一个随工况变化的取值范围,为了更准确的进行异常检测，及时发现设备性能的微小变化，而这些变化受工况影响较大，因此需提取设备参数随着工况变化时的动态范围。 突出难点：找到各物理量的关联关系，进行多参数的关系表达。,燃机排温随着工况变化的合理取值范围,各个参数之间一般存在强烈的非线性耦合，为了保证关联关系的鲁棒性，各个参数之间的线性关系也是重要考虑的规则之一。,四、通用异常检测系统,异常检测模型的获取
14、方法,四、通用异常检测系统,异常检测建模的结果展示,模型合理的偏差带,模型输出与实际测量值的对比,五、机组经济性动态计算及分析,影响经济性准确计算的主要因素？,运行参数偏离额定工况,原本需要恒定的额定参数也随机组运行波动，难以稳定，如阀门前后蒸汽、燃气的压力，背压等,部分参数不可测,一些参数是经济性计算的重要输入变量，但由于条件限制这些参数是不可测的，这种情况也会影响经济性计算，例如回热器换热系数,传统的设备经济性计算一般根据稳态的理论公式而没有考虑系统动态响应和参数偏离造成的影响，这种计算结果不能反映机组真实的经济性！,经济性准确计算的作用,对机组经济性进行准确的监测，消除由动态储能特性和额
15、定参数偏离引起的经济性计算的偏差。然后根据实际经济性计算的偏离异常来检测设备是否发生异常。,解决方法：,动力设备运行的理论建模基于模型仿真的动态特性分析监测参数拟合与动态消除参数修正基于修正参数的经济性计算,一般步骤,建立准确的设备模型，模拟设备运行,不同动态条件下设备经济性偏离情况的机理分析,根据机理分析，采用基于人工智能和统计分析的方法消除动态,设计参数修正方案，对原参数进行消除动态的修正,五、机组经济性动态计算及分析,五、机组经济性动态计算及分析,设备参数动态特性分析,当机组负荷发生变化时（如负荷上升、下降、突变），由于设备的容积空间、阀门处等部件存在蓄质储能，因此设备的测量参数存在响应
16、延迟，且响应延迟的类型、快慢和设备结构、负荷变化规律都有一定的关系。,五、机组经济性动态计算及分析,消除设备动态的方法,在一段时间内，级组参数的值总是围绕一定的稳态值上下波动 由级组前后参数确定的机组内效率也随着真实效率波动,参数拟合总能找到一条线使得所有样本点距离该直线的距离平方和最小，若这些样本点均匀分布在直线两侧，则拟合曲线恰好经过样本集的中心线。,变工况,额定参数偏离,五、机组经济性动态计算及分析,消除动态与修正,基于卡尔曼滤波的换热系数估计,基于最小二乘拟合换热器端差验证,当设备的性能参数不可测时，采用模型估计的方法进行估计，或设计性能指数利用其它可测参数进行转换。,五、机组经济性动
17、态计算及分析,设备整体经济性计算与修正,五、机组经济性动态计算及分析,系统应用1：哈三电厂实时监测与经济性分析系统,经济性在线监测系统,五、机组经济性动态计算及分析,系统应用1：哈三电厂实时监测与经济性分析系统,经济性在线监测系统,五、机组经济性动态计算及分析,五、机组经济性动态计算及分析,系统应用2：哈汽厂机组远程热力性能分析,五、机组经济性动态计算及分析,系统应用2：哈汽厂机组远程热力性能分析,六、燃气轮机排温异常检测系统,研究排温异常检测的重要性,燃烧室状态检测与故障诊断的重要意义燃烧室的工作环境恶劣，故障频发燃烧室一旦出现故障的后果严重 燃气轮机排温异常检测的重要意义燃烧室的故障会对燃
18、烧室的温度产生影响传感器无法长期在1500以上的高温下工作利用透平排温来监视燃烧室性能变化,在实际中通过测量和研究透平排气温度的情况来对燃气轮机燃烧系统进行异常检测和故障诊断。,理想情况下，热电偶测得的温度应该一致。 实际情况中，由于燃气轮机通常设计若干个沿轴线环形分布的燃烧室，在机组运行时，各燃烧室不会完全相同，相应的各燃烧室出口温度也就不尽相同，但大体上均匀。 当某个燃烧室出现故障时，会造成某几个排温测点的排温出现明显的变化。,六、燃气轮机排温异常检测系统,典型燃烧系统监测诊断系统：GE公司MARK VI,定义S为排气温度的允许排温分散度,认为S是燃气轮机出口的平均排气温度T4* 压气机出
19、口温度T2*的函数定义S1为排气温度热电偶的最高读数与最低读数之间的差；S2为排气温度热电偶的最高读数与第2个低读数之间的差；S3为排气温度热电偶的最高读数与第3个低读数之间的差,对燃烧设备突发性故障能够发出报警和保护动作、切断燃料,对于一些因长期积累引起的燃烧部件缓慢损耗的事故无法及时报警，不能针对故障变化趋势做出提前预测和判断； 没有充分利用所有测点的数据，只利用了最高温度和第1、2、3个最低温度的差值，压气机出口温度的平均温度，排气温度的平均温度这几个温度； 当周围环境和工况变化时，会对排温分散度产生较大影响； 演变过程的信息不能被表现出来，即无法对燃烧状态的变化趋势做出判断；,GE公司
20、MARK VI问题分析,六、燃气轮机排温异常检测系统,定义了排温偏离指数，它是跟各点温度及工况、环境因素有关的系数 利用排温偏离指数，建立排温分布的正常模式 当系统正常运行，没有发生结构性的变化（如异常、停机检修等）时，各个排温测点的排温偏离指数在正常范围内波动 当系统发生异常时，各个排温测点的排温偏离指数将超出正常范围，发生变化。,阈度被大大压缩，对故障信息敏感，适用于早期预警,六、燃气轮机排温异常检测系统,蓝色实线为第一种模式 2月27日至3月8日 红色点划线为第二种模式 5月10日至6月14日 6月30日至7月12日 绿色虚线为第三种模式 6月15日至6月28日,经过对一台机组全年的排温
21、分布模式的进行分析，可以看出该机组基本具有三种排温分布模式。 第2种模式为该机组经常运行的模式，只要机组的结构不发生变化，即使机组停机基本也不会对模式造成影响 第1种模式为故障模式 第3种模式为机组排温分布异常模式,工况变化的影响,正常停机的影响,机组故障的影响,停机检修的影响,检修前,检修后,燃料切换的影响,机组运行典型情况分析,六、燃气轮机排温异常检测系统,工况及环境变化的不会对排温分布的正常模式造成影响 系统在正常运行时，各个排温的偏离指数会在一定范围内平稳波动，且符合正态分布。 当系统发生结构性异常时，各个排温的偏离指数会超出正常范围,测点1,测点2,机组正常运行时排温分布模式应该在正
22、常模式附近波动，没有明显的趋势，当机组发生异常时，排温分布模式应该里正常模式越来越远。 将排温分布看成高维空间的一点，通过排温分布模式和正常模式之间的欧氏距离来进行燃气轮机异常检测。 当排温分布模式与常模式之间的欧氏距离增大时，说明系统出现了异常。,一级透平叶片磨损故障,基于距离判别法的异常检测算法,六、燃气轮机排温异常检测系统,基于改进质量控制图的异常检测算法,报警规则：排温偏离指数基本符合正态分布。当排温分布模式的偏离指数超出了正常范围时，则认为该机组发生异常。,一级透平叶片磨损故障,基于修正贝叶斯的异常检测算法,一级透平叶片磨损故障,七、振动系统故障诊断专家系统,系统功能,系统分布式网络
23、结构图,数据采集：按设定的时间间隔采集机组日常运行过程的振动数据 事故记录：当机组振动超过危险值时，将事故发生前后一段时间内的数据，为事故分析提供基本数据。 状态监测预报警：以直观的棒图形式，实时显示机组测点的振动幅值，并根据测点振动幅值的变化进行报警判断，给出报警信息； 振动信号分析：提供了多种振动信号分析图形，包括波形图、频谱图、轴心轨迹图、三维谱图、波德图、极坐标图和振动趋势图等，帮助技术人员对机组的工作状态进行深入分析。 故障诊断：对机组数据进行分析，提取故障征兆，利用专家知识进行推理诊断，给出诊断结果，并提出消除故障的措施。系统提供了自动诊断和对话诊断两种诊断方式，可对机组常见故障进
24、行诊断。,七、振动系统故障诊断专家系统,专家系统在振动故障诊断的应用,振动故障诊断专家系统,专家实时诊断,专家对话诊断,历史数据诊断,七、振动系统故障诊断专家系统,振动数据分析和查询界面,轴心轨迹图,级联图,趋势分析图,报警事件查询界面,2010年燃机机群远程专家支持与诊断系统,2007年汽轮机机群远程健康管理系统,2013年风机机群远程健康管理系统,工业应用,八、设备远程健康管理系统的工业应用,应用1、中海油燃气轮机远程专家支持系统,项目自2010年启动，2011年接入第一台机组，2013年10月结题验收。远程专家支持与诊断系统已经接入中海油70余台机组。目前，哈工大正配合中海油进行“国家科
25、技进步奖”的申报工作。,八、设备远程健康管理系统的工业应用,中海油透平发电机组远程健康管理系统,计划接入200台机组，目前已接入70多台机组。,机组实时监测信息,机组信息配置,八、设备远程健康管理系统的工业应用,中海油透平发电机组远程健康管理系统,目前正在为40多台机组提供知识服务。,故障专家库,模拟组态,八、设备远程健康管理系统的工业应用,中海油透平发电机组远程健康管理系统,系统硬件建设,八、设备远程健康管理系统的工业应用,工作流程,网络拓扑图,应用2：哈尔滨汽轮机厂远程监测分析系统,八、设备远程健康管理系统的工业应用,振动数据分析,经济性能组态,故障案例库,实时耗差分析,八、设备远程健康管理系统的工业应用,华电能源示范项目，后期准备在集团推广应用。,应用3：哈三电厂汽轮机实时监测与经济性分析系统,八、设备远程健康管理系统的工业应用,哈三电厂实时监测与经济性分析系统,七、设备远程健康管理系统的工业应用,实时监测系统,经济性在线监测系统,八、设备远程健康管理系统的工业应用,七、设备远程健康管理系统的工业应用,应用4：风电的监控预报及故障诊断平台,一体化联合发电单元,融合数值天气预报的风电预报,八、设备远程健康管理系统的工业应用,八、设备远程健康管理系统的工业应用,风电的监控预报及故障诊断平台,超短期预报,谢谢您的关注！,
