張紅民 楊利 魏書軍 紀(jì)仕東 谷新房 馬先新 張譯文

（華能沾化熱電有限公司）

汽輪機(jī)通流部分故障診斷方法研究

張紅民 楊利 魏書軍 紀(jì)仕東 谷新房 馬先新 張譯文

（華能沾化熱電有限公司）

汽輪機(jī)通流部分在發(fā)電機(jī)組設(shè)備中是最容易發(fā)生故障的部分。汽輪機(jī)通流部分的故障在任何工況下都可能出現(xiàn)，若發(fā)生故障將對汽輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響，因此使用的汽輪機(jī)故障診斷方法將決定汽輪機(jī)故障修復(fù)的快慢和效率。本文提出運(yùn)用一種基于監(jiān)測參數(shù)變化函數(shù)方式，對故障進(jìn)行智能化診斷的辦法。

汽輪機(jī)；通流部分；故障診斷；故障分析；主元分析；聚合分析；智能診斷

0 引言

人類進(jìn)入20世紀(jì)以來，工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)獲得很大發(fā)展，人們廣泛地使用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)、生活，機(jī)械設(shè)備在人們生活中的作用舉足輕重，由此帶來的機(jī)械設(shè)備安全問題也屢見不鮮。為了保證機(jī)器設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行，人們廣泛開展針對機(jī)械設(shè)備故障問題的研究，作為這些機(jī)械設(shè)備的動力源設(shè)備的汽輪機(jī)，一旦出現(xiàn)故障，不但影響機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行，造成生產(chǎn)中斷，而且汽輪機(jī)故障帶來的危害也很嚴(yán)重，因此，關(guān)于汽輪機(jī)故障研究，得到國內(nèi)外的廣泛研究。汽輪機(jī)通流部分，是汽輪機(jī)的核心組件，因此開展對汽輪機(jī)通流部分的研究，是一種必須的要求。文中提出了一個針對汽輪機(jī)故障排除的較為穩(wěn)妥的解決方案。

1 汽輪機(jī)故障診斷研究國內(nèi)外發(fā)展歷程

早期主要是靠人工的觸、摸、聽、看等手段對汽輪機(jī)通流部分進(jìn)行故障診斷，主要靠經(jīng)驗積累，但經(jīng)驗積累需要的時間長，見效慢，同時不可預(yù)見的問題層出不窮，這種方法已經(jīng)不再適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)要求。因此人們開始利用現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)對汽輪機(jī)通流部分故障診斷進(jìn)行分析。尤其是在人工智能化，信息集成化，模塊化，以及實時動態(tài)響應(yīng)等技術(shù)研究方面已經(jīng)走得很遠(yuǎn)。

1.1 汽輪機(jī)故障診斷研究國外發(fā)展過程

最早從事汽輪機(jī)故障診斷研究的國家是美國，美國許多研究機(jī)構(gòu)和公司在這方面的技術(shù)一直引領(lǐng)世界潮流。對汽輪機(jī)故障研究表現(xiàn)突出的機(jī)構(gòu)、公司和產(chǎn)品有：Bechtel的火電站設(shè)備診斷用專家系統(tǒng)、Radial公司的汽輪發(fā)電機(jī)組振動診斷用專家系統(tǒng)、西屋公司（WHEC）發(fā)電機(jī)組故障遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)、Bently公司的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)（ADR3）。這些研究都一直得到世界業(yè)界的歡迎和好評。

日本開展汽輪機(jī)故障研究方面研究的機(jī)構(gòu)也很多，主要有東芝電氣、日立電氣、富士和三菱重工等。他們在汽輪機(jī)壽命檢測和壽命診斷技術(shù)的研究造詣很受學(xué)界推崇。如東芝電氣公司與東京電力公司合作開發(fā)的大功率汽輪機(jī)軸系振動診斷系統(tǒng)、日立公司開發(fā)的汽輪機(jī)壽命診斷裝置、三菱公司開發(fā)大MHM振動診斷系統(tǒng)等都廣受好評。

歐洲也不例外，法國電力部門（EDF）的離線振動監(jiān)測系統(tǒng)，及后續(xù)的監(jiān)測和診斷支援工作站平臺、瑞士的ABB公司、德國的西門子公司、丹麥的B&K公司等都擁有各自在市場得到檢驗的故障診斷系統(tǒng)，都得到很好的評價。

1.2 我國開展汽輪機(jī)故障研究的發(fā)展歷程

我國在汽輪機(jī)通流部分故障診斷研究方面跟西方發(fā)達(dá)國家還有很大的差距，存在很多不足，但我國研究雖然時間短，即使起步較晚，但是發(fā)展很快。中國人從全盤吸收先進(jìn)的國外技術(shù)，到自我開展獨(dú)立研究，緊跟世界先進(jìn)潮流方面，獲得很高的評價。

目前我國從事汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)研究與開發(fā)的機(jī)構(gòu)、企業(yè)單位、高校越來越多。國內(nèi)各高校和科研機(jī)構(gòu)紛紛開展課程和實驗室，相關(guān)的企業(yè)也加大資金，人力物力等投入，開展研究。在理論和實踐中都獲得很好的成果。在政府層面，國家安排大量資金，提升企業(yè)技術(shù)改造和升級。尤其是從“七五”、“八五”計劃期間起，專項安排的汽輪機(jī)故障診斷攻關(guān)項目，鼓勵國內(nèi)高校，科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)積極參與汽輪機(jī)故障診斷系統(tǒng)的研究與開發(fā)，獲得了很多重要的成果。

2 汽輪機(jī)通流部分故障診斷技術(shù)的發(fā)展

2.1 概念汽輪機(jī)通流部分（Flow Passage of Steam Turbine）是指汽輪機(jī)本體中做功汽流的通道，主要由進(jìn)汽組件、各級通流部分葉柵及排汽缸三大機(jī)構(gòu)組成。由于汽輪機(jī)通流部分長期處于高溫、高壓等惡劣環(huán)境，很容易發(fā)生故障，尤其是閥門類部位。因此這些部位一旦發(fā)生故障，對汽輪機(jī)組的安全運(yùn)行危害巨大，后果十分嚴(yán)重。汽輪機(jī)通流部分故障診斷方法一直以來是專家和學(xué)者研究的重要課題。當(dāng)前汽輪機(jī)組趨向于大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，其研究方面趨向于安全、動態(tài)、實時。

2.2 汽輪機(jī)通流部分故障診斷辦法

當(dāng)前最為流行的做法是利用傳感器技術(shù)，通過對汽輪機(jī)的震動強(qiáng)度、熱力值、振動頻率等信號進(jìn)行采集和分析。利用傳感器可以在高溫條件下運(yùn)行。因此要提高診斷故障識別精準(zhǔn)度，以減少誤診率和漏診率。另外是如何對各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行信息整合分析，評判。例如，利用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動的頻率，頻譜等信息，進(jìn)行分析處理等。

3 汽輪機(jī)通流部分故障產(chǎn)生的原因和故障診斷辦法

3.1 汽輪機(jī)通流部分故障產(chǎn)生的原因

很多時候汽輪機(jī)通流部分故障（損壞）主要由斷葉片和汽缸與轉(zhuǎn)子之間的磨擦引起。由于葉片損壞的因素太多，涉及范圍廣，涉及內(nèi)容十分廣泛，其他常見的通流故障，大概有如下幾類∶

1）主汽門，調(diào)門故障，出現(xiàn)氣門，調(diào)門松動，變形等；

2）噴嘴故障，涉及噴嘴的設(shè)計，制造，安裝工藝以及后續(xù)的運(yùn)行維護(hù)等；

3）汽封故障；

4）發(fā)生物理和化學(xué)故障∶結(jié)垢，變形，汽蝕等。

3.2 故障分析和診斷辦法

汽輪機(jī)通流部分故障產(chǎn)生的原因很多，世界各個國家的研究者們先后根據(jù)故障發(fā)生的原因提出各種辦法，比如振蕩問題、振動頻譜、摩擦問題、轉(zhuǎn)子不平衡問題。在通流部分，研究最為一致的方向就是利用各種故障數(shù)據(jù)（信號指示數(shù)據(jù)）經(jīng)過數(shù)理模型的推理，創(chuàng)立了一個針對熱電機(jī)組的壓力流量常數(shù)。分析比較壓力流量常數(shù)在不同故障中的變化趨勢，運(yùn)用歷史數(shù)據(jù)與現(xiàn)實推導(dǎo)出來的數(shù)值進(jìn)行比對驗證，構(gòu)建了一個根據(jù)磨損厚度和壓力流量常數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。利用壓力流量常數(shù)，推導(dǎo)出診斷調(diào)節(jié)級故障的公式。

3.3 通流故障診斷方法分類

1）主元分析法（PCA）是目前根據(jù)多元統(tǒng)計過程控制的故障診斷技術(shù)的核心，是利用原始數(shù)據(jù)空間，通過構(gòu)造一組新的潛隱變量來降低原始數(shù)據(jù)空間的維數(shù)，再從新的映射空間抽取主要變化信息，提取統(tǒng)計特征，從而構(gòu)成對原始數(shù)據(jù)空間特性的理解的一種分析方法。

2）智能化分析是根據(jù)汽輪機(jī)通流部分特點(diǎn)，利用振動診斷和熱值診斷，建立故障診斷決策表，提取對故障識別有用的故障特征，進(jìn)行構(gòu)建故障診斷機(jī)制（規(guī)則），去除影響故障診斷不利的因素，提高故障診斷精確度。

3.4 診斷實例

如某種機(jī)型的汽輪機(jī)發(fā)生故障，應(yīng)該采取如下流程對該汽輪機(jī)的通流部分進(jìn)行診斷分析。

程序化分析流程為：

1）根據(jù)設(shè)備負(fù)載正常工作核定范圍數(shù)據(jù)，和故障檢測參數(shù)之間的數(shù)據(jù)建立一個動態(tài)對比曲線，然后根據(jù)曲線變動情況，建立故障征兆函數(shù)關(guān)系。

2）對故障發(fā)生時的通流部分故障監(jiān)測參數(shù)實時數(shù)據(jù)經(jīng)過故障征兆函數(shù)模糊化。

3）對模糊化后的故障監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采用主元分析法進(jìn)行特征提取，得到可以數(shù)理分析的故障主元特征。

4）計算故障主元特征與各類故障模式之間的貼近度，得到故障分析數(shù)據(jù)。

5）按照事先設(shè)計好的數(shù)理參數(shù)比對原則，驗證故障可能的貼近度。

（以上流程可以通過計算機(jī)模擬操作。）

首先對氣輪機(jī)的通流部分進(jìn)行工作效率對比分析，通過統(tǒng)計匯總了機(jī)組通流部分各個級段的效率，把這個數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)工況進(jìn)行比對，把最高時段的調(diào)節(jié)級效率大幅度下降，降低了多少？高壓缸效率下降多少？同時進(jìn)行分析其他各個級組的效率，根據(jù)這些數(shù)據(jù)變化，分析汽輪機(jī)的故障問題主要存在于調(diào)節(jié)級，需要對調(diào)節(jié)級進(jìn)行維修查看。

然后根據(jù)對比分析，利用得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出引起機(jī)組負(fù)載能力下降的可能是調(diào)節(jié)級和調(diào)節(jié)級的通流部分存在通道堵塞的問題?；蛟S，調(diào)節(jié)級及后續(xù)通路也存在通流面積變小的情況。再根據(jù)振動信號對比驗證，明確機(jī)組的負(fù)載能力下降，高壓缸效率降低，確認(rèn)機(jī)組的運(yùn)行能力降低。假如機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行，將對汽輪機(jī)的正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)造成嚴(yán)重的影響和威脅，應(yīng)立即關(guān)機(jī)進(jìn)行檢查維修，重點(diǎn)檢查維修汽輪機(jī)高壓缸通流部分汽輪機(jī)工作情況，及時找出故障位置，作出妥善故障排除處理。

最后的故障診斷分析結(jié)果總結(jié)為∶熱力參數(shù)、振動參數(shù)等對汽輪機(jī)通流部分故障的影響是很大的，可以根據(jù)熱力參數(shù)變化情況對故障進(jìn)行預(yù)報和警示，避免重大事故發(fā)生。汽輪機(jī)組熱力參數(shù)、振動、頻譜等參數(shù)的測量比較方便，數(shù)據(jù)獲取來源非常豐富，可以通過各種各樣的傳感器等設(shè)備進(jìn)獲取。然后再通過對各種故障的類型和其相互依存的程度建立和確定某種內(nèi)在函數(shù)關(guān)系。因此針對汽輪機(jī)通流部分故障的特性研究，旋轉(zhuǎn)適合使用熱力參數(shù)和振動參數(shù)對汽輪機(jī)通流部分進(jìn)行故障診斷，將在今后得到很好的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

通過對汽輪機(jī)通流部分的常見故障原因分析，提出運(yùn)用一種基于監(jiān)測參數(shù)變化函數(shù)的方式，對故障進(jìn)行智能化診斷的辦法。根據(jù)通流部分故障的特點(diǎn)，結(jié)合各方面比如傳感器診斷特點(diǎn)，提出建立故障數(shù)據(jù)模型，利用主元分析法，對通流故障進(jìn)行分析診斷，提高故障分析診斷速度和效率。

［1］ 楊勇平，楊昆.汽輪機(jī)通流部分故障診斷的熱力判據(jù)研究［J］.熱能動力工程，1999（83） .

［2］ 董曉峰，顧煜炯，楊昆.汽輪機(jī)通流部分故障診斷方法研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2010（35） .

［3］ 郝志莉，葉春.電站汽輪機(jī)組通流部分故障分析及診斷［J］.動力工程學(xué)報，1995（1） .

［4］ 江寧，李政.核電汽輪機(jī)通流部分性能監(jiān)測與故障診斷［J］.核動力工程， 2004（1） .

［5］ 謝軍星.電站汽輪機(jī)通流部分故障分析與應(yīng)用研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2010 .

［6］ 周昭濱，巫樟泉，張德軒.汽輪機(jī)通流部分故障診斷方法研究綜述與展望［J］.電站系統(tǒng)工程， 2014（3） .

［7］ 范衛(wèi)城.汽輪機(jī)通流部分故障診斷方法研究［J］.中國科技縱橫，2015（24） .

［8］ 楊揚(yáng).汽輪機(jī)通流部分故障診斷方法探討［J］.建材與裝飾， 2015（47） .

（2016-08-10）