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(duì)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(cè)參數(shù)變化函數(shù)方式，對(duì)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(duì)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(dòng)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(guó)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(duì)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(gè)針對(duì)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(guó)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(duì)汽輪機(jī)通流部分進(jìn)行故障診斷，主要靠經(jīng)驗(yàn)積累，但經(jīng)驗(yàn)積累需要的時(shí)間長(zhǎng)，見效慢，同時(shí)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(duì)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(shí)時(shí)動(dòng)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(guó)外發(fā)展過程

最早從事汽輪機(jī)故障診斷研究的國(guó)家是美國(guó)，美國(guó)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(duì)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(dòng)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(píng)。

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?cè)谄啓C(jī)壽命檢測(cè)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(dòng)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(dòng)診斷系統(tǒng)等都廣受好評(píng)。

歐洲也不例外，法國(guó)電力部門（EDF）的離線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及后續(xù)的監(jiān)測(cè)和診斷支援工作站平臺(tái)、瑞士的ABB公司、德國(guó)的西門子公司、丹麥的B&K公司等都擁有各自在市場(chǎng)得到檢驗(yàn)的故障診斷系統(tǒng)，都得到很好的評(píng)價(jià)。

1.2 我國(guó)開展汽輪機(jī)故障研究的發(fā)展歷程

我國(guó)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(guó)家還有很大的差距，存在很多不足，但我國(guó)研究雖然時(shí)間短，即使起步較晚，但是發(fā)展很快。中國(guó)人從全盤吸收先進(jìn)的國(guó)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(píng)價(jià)。

目前我國(guó)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(guó)內(nèi)各高校和科研機(jī)構(gòu)紛紛開展課程和實(shí)驗(yàn)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(shí)踐中都獲得很好的成果。在政府層面，國(guó)家安排大量資金，提升企業(yè)技術(shù)改造和升級(jí)。尤其是從“七五”、“八五”計(jì)劃期間起，專項(xiàng)安排的汽輪機(jī)故障診斷攻關(guān)項(xiàng)目，鼓勵(lì)國(guó)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(jí)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(zhǎng)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(duì)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(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)。

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(duì)汽輪機(jī)的震動(dòng)強(qiáng)度、熱力值、振動(dòng)頻率等信號(hào)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(shí)別精準(zhǔn)度，以減少誤診率和漏診率。另外是如何對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行信息整合分析，評(píng)判。例如，利用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)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(shí)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(dòng)，變形等；

2）噴嘴故障，涉及噴嘴的設(shè)計(jì)，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(gè)國(guó)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(dòng)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(hào)指示數(shù)據(jù)）經(jīng)過數(shù)理模型的推理，創(chuàng)立了一個(gè)針對(duì)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(shì)，運(yùn)用歷史數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)推導(dǎo)出來的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，構(gòu)建了一個(gè)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(jí)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(jì)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?gòu)男碌挠成淇臻g抽取主要變化信息，提取統(tǒng)計(jì)特征，從而構(gòu)成對(duì)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(dòng)診斷和熱值診斷，建立故障診斷決策表，提取對(duì)故障識(shí)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(shí)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(duì)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(cè)參數(shù)之間的數(shù)據(jù)建立一個(gè)動(dòng)態(tài)對(duì)比曲線，然后根據(jù)曲線變動(dòng)情況，建立故障征兆函數(shù)關(guān)系。

2）對(duì)故障發(fā)生時(shí)的通流部分故障監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過故障征兆函數(shù)模糊化。

3）對(duì)模糊化后的故障監(jiān)測(cè)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(jì)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(jì)好的數(shù)理參數(shù)比對(duì)原則，驗(yàn)證故障可能的貼近度。

（以上流程可以通過計(jì)算機(jī)模擬操作。）

首先對(duì)氣輪機(jī)的通流部分進(jìn)行工作效率對(duì)比分析，通過統(tǒng)計(jì)匯總了機(jī)組通流部分各個(gè)級(jí)段的效率，把這個(gè)數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)工況進(jìn)行比對(duì)，把最高時(shí)段的調(diào)節(jié)級(jí)效率大幅度下降，降低了多少？高壓缸效率下降多少？同時(shí)進(jìn)行分析其他各個(gè)級(jí)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(jí)，需要對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)行維修查看。

然后根據(jù)對(duì)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(jí)和調(diào)節(jié)級(jí)的通流部分存在通道堵塞的問題?；蛟S，調(diào)節(jié)級(jí)及后續(xù)通路也存在通流面積變小的情況。再根據(jù)振動(dòng)信號(hào)對(duì)比驗(yàn)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(duì)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(shí)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(dòng)參數(shù)等對(duì)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(duì)故障進(jìn)行預(yù)報(bào)和警示，避免重大事故發(fā)生。汽輪機(jī)組熱力參數(shù)、振動(dòng)、頻譜等參數(shù)的測(cè)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(duì)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(duì)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(dòng)參數(shù)對(duì)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(duì)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(cè)參數(shù)變化函數(shù)的方式，對(duì)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(duì)通流故障進(jìn)行分析診斷，提高故障分析診斷速度和效率。

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（2016-08-10）