華電湖北襄陽發(fā)電有限公司 北京必可測科技股份有限公司 王平波 張海 吳幼文 王波 劉磊

1 前言

汽輪機(jī)作為火電廠運(yùn)營關(guān)鍵設(shè)備之一，長期工作在高溫、高壓蒸汽環(huán)境中，是高轉(zhuǎn)速重型設(shè)備。一旦發(fā)生汽輪機(jī)進(jìn)水或冷汽，由于高溫金屬部件遇冷急劇收縮，導(dǎo)致熱變形，引起轉(zhuǎn)子彎曲、動(dòng)靜間隙消失等，將造成機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)、跳機(jī)甚至嚴(yán)重的設(shè)備損壞。

結(jié)合國內(nèi)外《DL/T834-2003火力發(fā)電廠汽輪機(jī)防進(jìn)水和冷蒸汽導(dǎo)則》、《火力發(fā)電廠汽輪機(jī)防進(jìn)水和冷蒸汽措施》、《ASMETDP-1-2006發(fā)電用蒸汽輪機(jī)防水損壞的推薦實(shí)施規(guī)程（美國標(biāo)準(zhǔn)）》和汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障診斷規(guī)則，深入分析汽輪機(jī)進(jìn)水的原因，以及汽輪機(jī)進(jìn)水后產(chǎn)生的振動(dòng)特征，開發(fā)出一套能夠識別進(jìn)水或冷汽特征故障智能預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)而提供處置建議和方法，對于汽輪機(jī)組乃至電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義和價(jià)值。

2 火電廠汽輪機(jī)防進(jìn)水DCS保護(hù)設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)運(yùn)行規(guī)程對預(yù)防進(jìn)水事故有較為嚴(yán)格的規(guī)定，例如，當(dāng)主、再熱蒸汽溫度10分鐘內(nèi)急劇下降達(dá)50℃以上時(shí)，應(yīng)立即停機(jī)；主機(jī)ETS中規(guī)定主汽閥入口汽溫低跳機(jī)（按蒸汽過熱度函數(shù)曲線圖，調(diào)節(jié)壓力壓力三取中，調(diào)節(jié)壓力壓力大于1兆帕保護(hù)才有效）

1 5 13 16 18 20.5 455 465 523 542 542 540 440 450 510 530 530 520

某超超臨界機(jī)組，主汽壓23兆帕，主汽溫下降60℃/10分鐘；再熱汽壓3.7兆帕，再熱汽溫下降20℃/10分鐘。按照規(guī)定，主汽溫下降速率已經(jīng)超過規(guī)定值，應(yīng)采取打閘停機(jī)措施。參照DL/T834-2003《火力發(fā)電廠汽輪機(jī)防進(jìn)水和冷蒸汽導(dǎo)則》5.7.1規(guī)定（在額定轉(zhuǎn)速或者帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)發(fā)生進(jìn)水，主要控制指標(biāo)振動(dòng)、差脹、推力、推力瓦溫度突然超過制造廠規(guī)定的允許限值時(shí)，應(yīng)立即停機(jī)，迅速找出并切斷水源）。

現(xiàn)場遇到這樣的工況，參照導(dǎo)則規(guī)定，還需要綜合整機(jī)工況，結(jié)合汽輪機(jī)振動(dòng)、汽輪機(jī)上下缸溫差、推力瓦溫、水煤比、中間點(diǎn)溫度等參數(shù)綜合判斷，并不能直接打閘，必須根據(jù)實(shí)際情況采取合理措施。但由于事故現(xiàn)場運(yùn)行人員的主觀因素，很難深刻掌握“10分鐘”和“50℃”這些技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)要在短時(shí)間內(nèi)查閱和綜合分析大量的關(guān)聯(lián)參數(shù)，及時(shí)得出汽輪機(jī)進(jìn)水結(jié)論也比較困難。

3 早期大型汽輪機(jī)組防進(jìn)水保護(hù)監(jiān)測診斷系統(tǒng)

大型汽輪機(jī)組防進(jìn)水保護(hù)監(jiān)測診斷系統(tǒng)的研制，包括：專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，其中專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：根據(jù)用戶提供的數(shù)據(jù)、信息，運(yùn)用診斷系統(tǒng)中存儲(chǔ)的專家經(jīng)驗(yàn)或知識進(jìn)行推理判斷，最后得出汽輪機(jī)是否進(jìn)水的結(jié)論供電廠運(yùn)行人員決策之用。

該系統(tǒng)功能構(gòu)成由以下幾部分組成：知識庫、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫、解釋接口和知識獲取模塊。圖2為汽輪機(jī)防進(jìn)水在線監(jiān)測診斷專家系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖。

圖1 主蒸汽系統(tǒng)正?；騿⑼＿\(yùn)行工況防進(jìn)水診斷邏輯圖

知識庫是專家系統(tǒng)的核心之一，主要功能是存儲(chǔ)和管理汽輪機(jī)進(jìn)水后應(yīng)指導(dǎo)運(yùn)行人員緊急處理的知識，它包括存在的事實(shí)、判斷條件、遵守的規(guī)則、經(jīng)驗(yàn)以及數(shù)學(xué)模型。

推理機(jī)是一組計(jì)算機(jī)程序，主要起到在知識之間進(jìn)行邏輯推理及知識庫匹配，并決定控制過程策略的作用。

綜合數(shù)據(jù)庫是專家系統(tǒng)中用于存放反映系統(tǒng)當(dāng)前汽輪機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

知識獲取模塊是將專家系統(tǒng)汽輪機(jī)運(yùn)行應(yīng)遵守的運(yùn)行規(guī)則和專家所掌握的特有經(jīng)驗(yàn)性知識轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以利用的形式并送入知識庫功能模塊。

硬件設(shè)計(jì)：采用“工控機(jī)+測量前端”的形式。信號處理、邏輯運(yùn)算、畫面顯示等功能由工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，而溫度、壓力、功率、轉(zhuǎn)速等信號的采集由測量前端實(shí)現(xiàn)。圖3為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)：

用于汽輪機(jī)進(jìn)水判斷邏輯僅考慮溫度單參數(shù)變化，診斷規(guī)則缺乏合理且符合現(xiàn)場設(shè)備實(shí)際情況的全面性考慮，容易發(fā)生誤診斷；

溫度、壓力、功率、轉(zhuǎn)速等信號的采集需要通過新增硬件設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)，實(shí)施環(huán)節(jié)繁瑣。

4 汽輪機(jī)防進(jìn)水在線監(jiān)測與故障智能預(yù)警系統(tǒng)

與汽輪機(jī)相關(guān)的蒸汽系統(tǒng)主要有鍋爐及主蒸汽系統(tǒng)、再熱蒸汽系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、凝汽器真空系統(tǒng)及回?zé)岢槠到y(tǒng)，任一系統(tǒng)進(jìn)水或冷蒸汽皆有可能造成汽輪機(jī)進(jìn)水。由于涉及制造、安裝、檢修和運(yùn)行等諸多環(huán)節(jié)，設(shè)備和熱力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，造成汽輪機(jī)進(jìn)水故障風(fēng)險(xiǎn)依舊存在。

圖2 汽輪機(jī)防進(jìn)水保護(hù)監(jiān)測診斷系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖3 汽輪機(jī)防進(jìn)水保護(hù)在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

4.1 汽輪機(jī)進(jìn)水通常有以下現(xiàn)象

高中壓缸上、下缸溫差明顯增大，或增大趨勢加快。正常情況下，高中壓缸上、下缸溫差都應(yīng)該在42℃之內(nèi)，同時(shí)差值的變化速率一般會(huì)小于5℃/分鐘，因此在運(yùn)行人員監(jiān)盤時(shí)要時(shí)刻注意這兩個(gè)限制，如果超出就應(yīng)該考慮是汽輪機(jī)進(jìn)水了。

主、再熱蒸汽溫度突降，過熱度減小。主汽溫度和再熱蒸汽溫度過熱度都要大于50℃，同時(shí)主蒸汽溫度下降速率應(yīng)該小于5℃/分鐘，同時(shí)還要注意，機(jī)側(cè)主蒸汽溫度不得低于爐側(cè)10℃等。

汽輪機(jī)振動(dòng)增大。當(dāng)汽輪機(jī)進(jìn)水時(shí)，因處于運(yùn)行中的汽輪機(jī)金屬溫度很高，這些金屬部件遇冷后發(fā)生劇烈收縮，從而導(dǎo)致熱變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱彎曲甚至動(dòng)靜部件碰磨故障，引起機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)。

前兩個(gè)現(xiàn)象主要體現(xiàn)在汽輪機(jī)本體相關(guān)系統(tǒng)溫度參數(shù)變化特征，在火電廠汽輪機(jī)防進(jìn)水DCS保護(hù)設(shè)計(jì)和早期汽輪機(jī)防進(jìn)水在線系統(tǒng)中均已設(shè)計(jì)，對于第三條中碰磨故障判斷，需要專業(yè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)（包括幅值、相位、頻率，相關(guān)波形、趨勢信息）分析才能準(zhǔn)確診斷。

圖4 基本結(jié)構(gòu)圖

汽輪機(jī)防進(jìn)水在線監(jiān)測與故障智能預(yù)警系統(tǒng)，基于必可測公司《BCT101汽輪發(fā)電機(jī)組軸系可視化智能運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)》的專利技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的技術(shù)創(chuàng)新，該系統(tǒng)分析汽輪機(jī)進(jìn)水/冷汽各類型故障主要因素，逐一提取各個(gè)因素、各個(gè)環(huán)節(jié)參數(shù)、初期特征，初期發(fā)生的判據(jù)，當(dāng)判據(jù)充分時(shí)則發(fā)出報(bào)警，提示運(yùn)行人員按照所提供的建議進(jìn)行故障處理。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。

通過SIS系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與B/S版BCT101系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)通訊對接，將對象層的汽輪機(jī)各類運(yùn)行參數(shù)和振動(dòng)數(shù)據(jù)，引入到參數(shù)分析系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語言，通過特征分離提取系統(tǒng)進(jìn)行不同位置和不同性質(zhì)的故障特征分，將典型故障特征在故障評判系統(tǒng)中進(jìn)行判斷，若符合故障發(fā)生條件，則輸出信號通知運(yùn)行人員，同時(shí)根據(jù)各類型的故障特征給出處置建議。

4.2 故障特征分析模塊

該模塊是對汽輪機(jī)組進(jìn)水或冷汽實(shí)現(xiàn)預(yù)警的基礎(chǔ)，是研究的核心目標(biāo)。本模塊將根據(jù)汽輪機(jī)側(cè)不同設(shè)備、不同位置處熱電偶測點(diǎn)各時(shí)刻的溫度變化率和對應(yīng)轉(zhuǎn)軸振動(dòng)變化特征作為輸入，通過數(shù)學(xué)計(jì)算和變換形成故障特征，并對比專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行評判，做定性和定量分析。

4.3 故障處置建議模塊

基于故障診斷結(jié)果，結(jié)合汽輪機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)水、冷汽的原因進(jìn)行分析，提出具有針對性的故障處置建議。

4.4 用戶輸出端口

人機(jī)友好界面的開發(fā)。

圖5 汽輪機(jī)防進(jìn)水在線監(jiān)測與故障智能預(yù)警系統(tǒng)邏輯圖1

圖6 汽輪機(jī)防進(jìn)水在線監(jiān)測與故障智能預(yù)警系統(tǒng)邏輯圖2

4.5 邏輯控制

汽輪機(jī)進(jìn)水故障多發(fā)生在機(jī)組啟停、負(fù)荷大幅度變化這些非穩(wěn)定工況下，根據(jù)汽輪機(jī)進(jìn)水/冷汽特征量進(jìn)行邏輯組態(tài)，以最先能反映特征量的作為預(yù)警先導(dǎo)。以主蒸汽帶水診斷邏輯和一段抽汽管道積水為例，邏輯圖如圖5、圖6所示。

綠色表示汽輪發(fā)電機(jī)組工藝量參數(shù)，數(shù)據(jù)來源電廠SIS系統(tǒng)。

紫色表示汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)量參數(shù)，數(shù)據(jù)來源于必可測公司BCT101系統(tǒng)。

棕色表示計(jì)算量，在計(jì)算引擎模塊配置計(jì)算公式，實(shí)時(shí)計(jì)算工藝量和振動(dòng)量變化速率。

參照以上邏輯組態(tài)，其一考慮汽輪機(jī)相關(guān)系統(tǒng)，包括鍋爐及主蒸汽系統(tǒng)、再熱蒸汽系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、凝汽器真空系統(tǒng)及回?zé)岢槠到y(tǒng)。根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)特點(diǎn)，配置所需的工藝量、振動(dòng)量、計(jì)算量和進(jìn)水或冷汽故障預(yù)警診斷規(guī)則；其二考慮在不同的工況下（汽輪機(jī)升降速階段或汽輪機(jī)在額定轉(zhuǎn)速或者帶負(fù)荷階段），同一系統(tǒng)、相同的工藝量和振動(dòng)量變化特征，應(yīng)采取不同的處置措施。

結(jié)合上述兩方面因素，靈活配置不同系統(tǒng)多種工況下的預(yù)警診斷邏輯規(guī)則，若某一部位的特征量達(dá)到限制，則以時(shí)間為基準(zhǔn)優(yōu)先給出進(jìn)水或冷汽部位，并根據(jù)預(yù)警系統(tǒng)提供的故障處置數(shù)據(jù)庫給出具有針對性的建議。

該系統(tǒng)輸出在B/S版BCT101系統(tǒng)界面展示，提醒運(yùn)行人員，并在屏幕上形象的顯示出進(jìn)水部位和目前危害程度，保證工作人員能有足夠的時(shí)間予以控制。

5 小結(jié)

汽輪機(jī)進(jìn)水事故，輕則發(fā)生動(dòng)靜碰磨，振動(dòng)惡化；重則造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子永久彎曲，設(shè)備報(bào)廢，及時(shí)智能預(yù)警汽輪機(jī)進(jìn)水故障，可有效降低機(jī)組非停次數(shù)，預(yù)防惡性事故發(fā)生，提高設(shè)備可靠度，延長設(shè)備壽命，為電廠和社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]國電熱工研究院，DL/T834-2003火力發(fā)電廠汽輪機(jī)防進(jìn)水和冷蒸汽導(dǎo)則[S]北京：中國電力出版社.

[2]張建玲，劉武林，黃丕維.大型汽輪機(jī)組防進(jìn)水保護(hù)監(jiān)測診斷系統(tǒng)的研制[J].自動(dòng)化博覽.

[3]歐陽宏.300MW汽輪機(jī)組防進(jìn)水在線監(jiān)測及診斷系統(tǒng)的研制[D].武漢大學(xué).

[4]衛(wèi)國濤，郭玉杰，譚士森.大型汽輪機(jī)進(jìn)水事故的調(diào)查分析[J].河南電力.