故障树分析法在电厂热工自动化检修中的应用
童帅
[摘 要]我国科学技术的持续发展对国家电力事业具有积极的推动作用，同时对国家经济建设也具有重要的促进作用。故障树分析法的引入有力确保电厂热工自动化检修工作的顺利进行。本文首先阐述故障树分析法的概念，并对电厂热工出现的故障类型进行分析，详细介绍故障树诊断的执行流程，借此促进相关作业人员在具体电力检修作业时具有更为全面的业务知识，从而为电厂建设提供强有力的专业人才，促进我国电厂行业的进一步发展。
[关键词]故障树分析法;电厂热工;自动化检修
[中图分类号]TM621 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–0–02
Application of Automatic Maintenance of Thermal Engineering
in Power Plant Based on Fault Tree Analysis
Tong Shuai
[Abstract]The continuous development of science and technology in my country has positively promoted the national electric power industry， and also played an important role in promoting the national economic construction. The introduction of the fault tree analysis method has effectively ensured the smooth progress of the thermal automation maintenance work of power plants， and then promoted The operation of economic activities in my country is more efficient. This article first explains the concept of fault tree analysis， analyzes the types of faults that occur in the thermal engineering of power plants， and introduces the execution process of fault tree diagnosis in detail， so as to promote relevant operators to have more comprehensive business knowledge in specific power operations. Thereby providing powerful professionals for power plant construction and promoting the further development of China"s power plant industry.
[Keywords]fault tree analysis method; power plant thermal engineering; automatic maintenance
我国经济不断向前推进，人们生活中的电力需求也在不断增加，從而对我国的电力行业提出更高的要求。在电厂热工建设领
域，应用故障树分析法检修，可以很高程度地加强我国的电厂建设，确保我国经济得到高效发展。故障树分析法在电厂热工领域的应用，最大限度挖掘该方法的应用价值，特此开展本次课题研究。
1 故障树分析法
在火电厂中，自动化系统难免会出现各种故障，对故障原因及时排查并进行准确地诊断，对检修措施的正确应用具有积极意义，在进行系统分析及排除问题的过程中，需要丰富的生产作业经验，同时需要应用科学的分析方法[1]。
从电厂热工系统的角度，该系统出现的故障包括硬件层面的故障、人为层面以及软件层面的故障。硬件层面包括硬件性能出现恶化、硬件自身存在设计缺陷;软件层面包括程序设计的错误、系统输入输出参数的错误等;人为层面主要指人为操作失误导致的系统及设备故障。在这种背景下，采用故障树分析法对故障类型进行排查显得额外重要。
故障树分析法源于树形结构，该结构将一个实体对象转换为含有多个属性的集合，且不同属性与属性间也存在包含及被包含的关系。该结构用于故障分析时具有以下特点[2]。
（1）该方法从系统内部进入，深入各个部件，再对各个零件进行原因排除，利用树形结构从上到下的原理进行分析。基于该方法可以从系统的头部出发，采用逻辑符号构建树状的决策/分析模型，对每个可能出现的故障进行概率计算，同时也可以对系统级故障、子系统故障及更小单位的故障进行影响权重分析。
（2）该方法可以进行定量分析，也可以进行定性分析，即可以针对某一个构件产生的系统故障进行分析，也可以将多个构件作为一个整体进行综合故障分析。由于故障树分析法采用逻辑图进行描述，故障对象间的箭头表示指向关系，有助于技术人员、相关应用人员有效应用该模型。
（3）一般来说，故障树可以通过逻辑门的方式构建逻辑图，因而可以通过程序设计对逻辑关系进行有效计算，同时故障树根据实际应用场景的复杂度而构建，复杂的故障树层次数可能高达上千，每一层的故障对象可以多达几万，仅仅依赖人工进行故障分析，效率显然低下，因而需要采用计算机辅助的方式进行故障树的构建。
（4）故障分析法在应用时也存在一定的不足。首先故障树在构建的初始阶段存在严重冗余，应用较为困难，分析人员采用该方法需要具备较高的专业知识，致使该方法在电厂热工检修中的应用受到一定的限制。在构建故障树时，需要对各个故障间关系进行逻辑推导，要求相关作业人员具有一定的数学基础，否则会造成工程排查出错。同时，考虑到不同工作人员专业水平不
同，各相关人员陈述分析结论的可信度也存在明显差异。
2 火电厂热工自动化的发展及现状
大容量、高参数的火电机组成为我国发电工业的主力机组，而热工自动化技术因为机组容量的提升、控制仪表的智能化而取得大幅度进步。热工的智能化控制是实现安全经济运行的主要措施之一，包括锅炉、汽轮机、发电机以及辅机的参数调控、回路设计、命令控制以及性能优化等功能，从而使得热工从简单的人为操作发展到不同复杂程度设备的自动控制、过程管控以及综合分析，进而成为火电机组运行的重要环节。
回顾热工自动化的发展，可以看到其与经济社会发展的变化紧密相关，是一个从简单到复杂，从局部智能到全局操控，从低水平智能向高精尖智能转化的过程。结合热工自动化的发展及设备更新的程度，可以将其归纳为三个阶段。
（1）热工向智能化转变的第一阶段。
建国初期，我国的火电机组只有50MW，机组采用就地控制，很多辅助设备，包括锅炉、汽轮机都需要在各自设备上设置相应的控制盘。这一时期，关于热工怎么实现智能化主要依靠传递函数的方式进行论述，其中以根轨迹法、频率法等分析方法应用较多，因而在这个时期对热工的控制主要采用手工+经验的方式来实现。
（2）热工向智能化转变的第二阶段。
上世纪70年代，通过生产工艺的发展，锅炉、汽轮机可以构成一个整体，从而减少了控制环节，提升了火力发电的效率。在该模式下，机、锅炉、电力采用集中控制。此时热工智能化采用模拟仪表、单元组合的方式，开始引入了计算机技术。
在这个时期，热工实现智能化的理论基础为状态空間分析法，具体内容包括最小二乘法、极大值的动态评估、卡尔曼滤波估计等方法，同时计算机技术的进一步发展为普及现代控制理论提供了新的途径。
（3）热工向智能化转变的第三阶段。
伴随技术的进一步向前发展，分散控制系统的概念初步形成，即在结构上分散，不仅将运行风险分散，并且消除了整体性的故障节点，增强了系统的可靠性，从而可以灵活地运用各种新型算法及模型，为系统的调试和运行提供更多可靠的方法。分散控制系统的出现极大推动了热工智能化程度，并为真正实现智能化提供可用的技术工具，同时也改变了热工智能化控制从业人员对热工智能化概念的理解，从而从整个行业角度带来了巨大的推动。
这个时期热工的智能化控制形成了新的控制理论，即大型系统控制及以智能算法为基础的控制理论。由于电力生产过程中存在机理复杂性，在实际控制过程中存在多个随机因素，因而难以建立准确的、能覆盖所有随机因素的数据模型，同时，借助当前的控制策略，过于复杂难以在线控制，不能满足高水平控制的要
求。在此背景下，人工智能、控制理论、运筹学的结合为热工的智能化控制提供了新的契机。在这个阶段，工业自动化已不再是局部控制，而是对全局问题进行掌控，在闭环控制、全局控制之间进行最优化策略的选取。
从当前的现状来看，火电厂热工需要涵盖检测显示、自动调节、信号保护等环节，从而构成一个完整的智能控制系统。同时，新技术的不断出现使得热工在新材料、制造工艺、传感器、变速器等领域进一步实现了改进，控制装置在设计和应用层面均产生了飞跃的进步。
其中，可用作进行参数检测，包括温度检测、压力检测、流量监测以及液位监测等;从过程角度，可以将汽包炉中的水位调节系统分为三冲量系统，可将燃烧调节系统的送风模块以送风指令的形式进行调节等;从控制系统角度，结合前面提到的分散控制系统，可实现故障分散，减小控制室的大小，缩减系统所用电缆的成本，降低备品种类及数量的支出，更重要的是降低生产中对设备厂家的依赖，进而增加控制系统构建的灵活性。
3 电厂热工的故障类型
电厂热工在运行过程中，自动化系统在实际作业中可能出现以下几类故障。
（1）现场信号出现的相关故障[3]。现场信号是电力生产作业需要的各种输出指令信号，包括温度指示信号、执行部门信号、开关信号以及变速器信号。当现场信号出现异常时，会极大影响系统的控制性能，同时也会降低监视数据准确性和精度，从而对操作人员作业构成误导。现场信号故障包括阀门故障、接线故障、变速器故障以及测量零部件故障。
（2）DCS系统故障、PLC硬件故障。具体来说包括数模信号转换模块存在故障、电源模块存在故障以及CPU模块出现故障。
（3）软硬件配置存在故障，比如，编译出错或者系统软件存在设计缺陷等。
（4）人为问题也是电厂热工出现故障的重要原因，比如说，现场维护人员出现操作失误。
4 故障树的分析执行流程
故障树分析法需要对系统硬件故障进行分析，同时需要将软件因素、人为因素以及环境因素纳入考虑范围[4]。不仅能够对故障产生原因进行定性，同时对系统故障发生的原因产生较为准确的认识，一步一步分析不同事件结构的应用价值，借助布尔运算对故障间关系进行简化，从而对故障数种的最小路径、最小故障子树进行确定，从而对因为薄弱环节或者可能出现的失误进行有效判断。在此基础上，可以对相关故障因素进行定量评估，即基于已知单元故障对系统失效进行概率计算，包括故障因素重要度、故障因素的结构重要性以及促系统失效概率。从整体来说，故障树的构建从以下几个步骤下完成。
（1）明确顶事件。就电厂热工建设而言，自动化系统设计的最大初衷就是无需相关工作人员参与生产，因而不允许出现相关故障。
（2）在顶事件后，对系统故障进行现象定义，即故障出现了需要进行具体分析。如果将故障现象看作为一个输出对象或者系统故障产生的直接原因作为一个输入对象，同时结合逻辑门设计对不同故障因素之间的内在联系进行故障树描述。
（3）加强中间事件的分析。相关人员需要对系统故障现象下的多个故障对象进行事件的输入，从而对各个输入对象进行分解，下一步事件作为下一级输出的具体流程，但是事件的排除分析需要多次递推，因而中间事件的分析对后续的分析至关重要[5]。
（4）应用逆向思维。针对已输出的事件树，进行逻辑关系的描述，从而判断故障树的树根，进而形成故障构建的树形结构。
5 结语
综上，在电厂构建过程中，尤其是自动化检修作业中，需要采用故障树分析法对可能出现的故障进行原因排查，该方法有助于电力行业的进一步发展，同时确保我国电力供应的可靠性。通过分析故障类型、故障树执行流程可以确保故障树分析法应用的可靠性。在我国经济持续发展的进程中，电力供应的稳定具有积极意义，并为我国经济持续稳定发展注入动力。
参考文献
[1] 郑雷雷，付义荣，郭锐，等.故障树分析法在信息安全风险评估中的应用[C].大数据环境下安防系统安全等级保护研讨会论文集，2018.
[2] 张曦，凌万水，黄飞，等.基于故障树分析法的配电终端失效研究[J].电子器件，2017，40（6）：1506-1510.
[3] 李东民，李静，林华锋.基于故障树分析的嵌入式系统AADL模型可靠性分析方法[J].计算机科学，2017（6）：25.
[4] 董留群.基于故障树分析法的建筑施工安全管理研究[J].工程管理学报，2017，31（2）：131-135.
[5] 赵奎，崔海朋.故障树分析法在海洋修井平台自动排管系统中的应用[J].机电工程技术，2018，47（11）：209-212.