基于BP网络的加热器性能评价方法

李贺

【摘 要】在BP网络的基础上，为了避免加热器结构参数的复杂计算，提出了一种新的计算模型——BP网络的低压加热器端差应达值的计算模型。结果表明，基于BP神经网络的低压加热器端差应达值的计算模型满足精度要求，因此可应用于低压加热器运行热经济性评价，并可实现对加热器性能降低的早期发现。

【关键词】汽轮机 低压加热器 端差 BP神经网络

【Abstract】 Based on the BP neural network， we proposes a new calculated model for avoiding the complex calculating of the structure parameters of the heat， the calculated model of the target value of terminal temperature differences from the low- pressure heater. Evaluate the operational economical situation from the deviation extent of the heater. The calculation results show that the suggestion evaluation methods of the operation heat economy of the low-pressure heater by using the BP neural network can be used for the operational economical situation of the low-pressure heater and the early detection of heater performance degradation.

【Key words】steam turbine；low-pressure heater；terminal temperature difference；BP neural network

低压加热器是汽轮机的一个重要的辅助设备。低压加热器运行经济情况的好坏，直接关系到汽轮机乃至全厂的经济运行。因此，运行部门十分重视低压加热器性能失常的早期发现并及时处理。

加热器运行经济性通常采用端差作为评价指标，但由于加热器端差受入口水温、汽轮机负荷等因素的影响，实测端差值并不能直接用来评价加热器热经济性。为此，文献[1]以热力系统的热平衡方程等基础建立了加热器端差运行热经济性的通用计算模型。文献[2]利用等效焓降法定量分析了加热器端差对机组热经济性的影响，文献[3]利用传热学的基本理论建立了回热加热器的变工况数学模型。通过分析以上几种方法可以看出现有的计算端差应达值是通过加热器变工况计算方法得到运行工况变化后加热器端差的应达值，并将端差应达值与实际测量值进行对比，从而实现对加热器运行经济性的评价。但这需要预先已知加热器的结构参数，然而时设备制造厂家说明书中并没有明确给出，从而导致基于变工况计算方法得到的低压加热器上、下端差存在着较大的误差，这些都会影响到对低压加热器运行经济性的准确评价。

本文鉴于以上方法的不足，提出了反向传播网络（Back-Propagation Network，简称BP网络）计算模型。基于BP网络的数学建模方法的优点在于不必事先给出函数的具体形式，它借助于本身所具有的学习能力，自动形成应变量与自变量之间的函数关系，因此为数学建模提供了方便条件。

BP网络是人工神经网络的一种变化形式，且其应用的范围非常广泛，如函数逼近、模式识别、分类和故障诊断等领域。为此，本文基于BP网络建立了低压加热器上、下端差应达值的数学模型，并以某300MW汽轮机组某低压加热器性能状态正常时的低压加热器上、下端差及其相应的影响因素作为训练样本，得到了低压加热器上、下端差与其影响因素之间的非线性数学模型。汽轮机实际运行过程中，借助于BP网络得到的加热器端差应达值和实际测量值进行比较，即可以对低压加热器的运行经济状态进行评价。

1 BP网络算法

BP网络于1986年由Rumelhart 和McCelland领导的科学小组在《Parallel Distributed Processing》一书中提出，是模拟人脑结构及其功能的人工智能技术。

网络的输入向量为；隐层输出向量为；输出层输出向量为。由图可以看出，此网络输入层节点有n个，网络的输出信号为，有m个隐含层。根据Kosmogorov定理理论证明，在合理的结构和恰当的权值条件下，3层BP神经网络可以逼近任意的连续函数。根据经验公式：

（1）

其中，，，分别为隐含层、输入层、输出层的神经元数目，为1～10之间的一个整数。

由于BP网络自身存在的很多缺点，如它的训练速度慢、易陷入局部极小点等。这就需要在训练过程中选择合适的网络结构。借于以上分析，本文采用一个隐层，节点数目在训练过程中不时调整，以达到最佳的训练效果。

2 基于BP网络的加热器端差计算模型

本文采用的计算模型是以某300MW汽轮机为例，对其经过大修后正常状态下的H5低压加热器上、下端差值用BP网络模型进行计算，并通过与实测端差值的对比来验证模型的有效性。

本文的训练数据通过电厂控制系统采集，算例中共准备180个样本，为了避免训练过程中的“过拟合”现象并且评价所建立的BP网络模型的性能和泛化能力，其中100个作为训练样本，50个作为检验样本，30个作为测试样本。语言使用MATLAB 7.6.0。

本文所用的BP网络的传递函数为Sigmoid函数，其工作区域为[0，1]，因此对于训练样本还要进行预处理，将其对应到区间[0，1]之间，这个过程称为“归一化”。这样做的目的是可以提高训练速度和灵敏性。所采用的归一化公式为：

（2）

式中，为归一化后的变量，为原始的变量，为变量中的最大值，为变量中的最小值。

在训练结束后，对输出值再进行反归一化处理，即可以得到低压加热器上、下端差的应达值。

在进行模型的性能评价时，本文采用均方差（Mean squared error，Mse）作为计算结果准确度判断的依据，即：

（3）

3 BP网络算法的实验验证

在实际计算时，给定的学习精度为0.01，网络隐含层神经元个数为15个，训练次数= 2000，权值调整参数=0.01。其最终的加热器的上、下端差实测值和计算结果如图1和图2所示。

图1端差样本训练结果图 图2下端差样本训练结果

通过图1和图2可以看出，低压加热器的上、下端差的训练结果和实际大修后正常状态下的上、下端差实测值基本吻合。其上、下端差的均方差值分别为0.0152℃和0.7635℃。由模型性能评价指标表明，此模型可实现对低压加热器上、下端差应达值的精确计算。

为了检验此模型的有效性，本文在汽轮机大修后正常运行状态下的数据中又抽取了50个数据作为验证样本，通过该模型验证后的上、下端差应达值的计算结果如图3和图4所示。

图3端差样本验证结果 图4下端差验证结果

由图3和图4可见，采用BP网络计算方法验证得出的低压加热器上、下端差的结果与实际测量结果吻合比较好，证明该计算方法得出的结果具有较高的精度，此模型可以应用于低压加热器运行经济性能的评价。

通过现场实际检查，发现该汽轮机H5和H6低压加热器存在旁路门内漏问题，造成加热器出口水温降低，导致加热器测量的上端差偏大。

4 结语

本文利用BP网络建立了低压加热器热经济性评价模型，通过分析和讨论，得到的结论如下：

（1）根据BP网络原理建立的低压加热器热经济性评价模型可准确地对低压加热器运行经济性能进行评价。

（2）该模型在计算过程中能够避免加热器复杂结构对加热器端差的影响，为低压加热器的热经济性评价提供了方便条件。

（3）在模型参数训练过程中，若隐层节点数过少，则达不到所需要的精度；若隐层节点数过多，虽然网络误差减小，但会使训练时间变长。因此，本文将训练数据分成三份，

参考文献：

[1]郭民臣，刘强，叶江明，陈爱萍.定功率下加热器端差对机组热经济性的影响[J].中国电机工程学报，2008，28（23）：42-45.

[2]李秀云，严俊杰等.外置蒸汽冷却器机组热统定量分析方法[J].中国电机工程学报，2001，21（1）：35-39.

[3]刘继平，李秀云等.带疏水冷却器的回热加热器变工况特性研究[J].汽轮机技术，2000，4（6）：356-359.