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        基于現(xiàn)場熱力參數(shù)的汽輪機通流部分故障診斷方法及應(yīng)用

        2021-05-14 15:10:34薛朝囡高登攀張永海支德勝曾立飛張學(xué)延
        熱力發(fā)電 2021年4期
        關(guān)鍵詞:通流抽汽調(diào)節(jié)閥

        薛朝囡,高登攀,張永海,支德勝,曾立飛,石 慧,張學(xué)延

        (1.西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710054;2.深圳媽灣電力有限公司,廣東 深圳 518054)

        火力發(fā)電持續(xù)在電力行業(yè)占主導(dǎo)地位[1-3],火力發(fā)電設(shè)備的故障診斷是學(xué)者們研究的重點之一。作為火力發(fā)電的主要設(shè)備,汽輪機長期處于高溫、高壓、高速的工作環(huán)境中,極易發(fā)生故障[4],一旦發(fā)生故障對汽輪機的安全和經(jīng)濟運行將產(chǎn)生巨大的影響,因而對汽輪機故障診斷具有重要意義[5]。

        目前美國通用電氣(GE),日本東芝電氣、日立電氣、富士和三菱等企業(yè)均已擁有完善的汽輪機故障診斷技術(shù)和體系。我國在汽輪機故障診斷研究方面起步較晚,跟西方發(fā)達國家有很大差距[6]。

        近年來國內(nèi)也開展了汽輪機診斷的相關(guān)研究。浙江大學(xué)的張力寰[7]提出一種基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的汽輪機故障深度分析方法,并對多個案例進行了分析與驗證;方名菊[5]提出了基于振動故障案例的汽輪機智能故障診斷方法;戈建新等[8]對高中壓轉(zhuǎn)子低頻振動故障進行了診斷與分析;夏飛等[9]將改進粒子濾波和小波包應(yīng)用在汽輪機振動診斷中,該方法對比FFT分析有明顯的優(yōu)越性;石志標基于云PSOSVM[10]和CS-BBO[11]進行了汽輪機轉(zhuǎn)子故障診斷,以提高診斷的準確率和識別效率;張學(xué)延等[12]將伯德曲線應(yīng)用于汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子裂紋故障中;鄧彤天[13]提出了基于模糊專家系統(tǒng)的汽輪機遠程振動故障診斷系統(tǒng);忻建華等[14]根據(jù)通流故障與熱力參數(shù)的關(guān)系,提出了高壓缸通流部分故障的熱參數(shù)模糊診斷法。

        目前國內(nèi)學(xué)者們對汽輪機的故障診斷采用振動分析法的較多,基于熱力參數(shù)的汽輪機故障診斷相對缺乏。基于熱力參數(shù)的汽輪機診斷不僅可以在汽輪機故障后診斷出故障產(chǎn)生原因和位置,還能進行汽輪機故障前診斷,在機組還未發(fā)生振動等征兆前就可以預(yù)測出可能發(fā)生故障的位置和原因,并對其發(fā)展趨勢做出預(yù)測。隨著汽輪機向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展,對汽輪機通流部分的故障監(jiān)測與診斷要求也越來越高[4]。實時監(jiān)測汽輪機運行中的熱力參數(shù),計算并診斷汽輪機通流能力能夠有效地在故障前期預(yù)防故障,并能快速定位故障位置,給出相應(yīng)故障可能的原因?;跓崃?shù)的汽輪機故障診斷技術(shù)能夠較好滿足該需求。

        在基于熱力參數(shù)的診斷研究中,根據(jù)汽輪機綜合指標變化深入分析的也相對較少,且存在一些缺陷。例如當汽輪機存在其他干擾導(dǎo)致熱力參數(shù)變化時,不能有效排除干擾,從而難以實現(xiàn)故障精準定位和原因排查。

        因此,本文提出了基于特征通流面積和級組效率的耦合診斷方法;同時結(jié)合高壓調(diào)節(jié)閥流量特性曲線,有效解決了上述干擾因素的影響,實現(xiàn)了基于熱力參數(shù)的汽輪機故障位置和故障原因的精確診斷;應(yīng)用該方法對某電廠機組通流故障進行了診斷,驗證了該方法具有較高的精確性。

        1 故障分析方法

        目前運行人員對熱力參數(shù)變化的敏感度差,不能及時發(fā)現(xiàn)機組性能變化,只有當故障發(fā)展到一定程度,引起振動參數(shù)變化才能被運行人員察覺,存在反應(yīng)滯后的問題,因而需要將熱力參數(shù)進行分析和處理,提出一種可快速、直觀地反映機組性能變化的性能指標參數(shù)。特征通流面積和級組效率就是有效的指標參數(shù)[4,6,15]。

        特征通流面積由弗留格爾公式推導(dǎo)得到,其特點在于只要相應(yīng)級段的幾何參數(shù)不變,特征通流面積在不同工況下保持常數(shù),因此可以作為機組通流能力故障診斷的特征參數(shù),為機組通流部分的狀態(tài)監(jiān)測與故障的精確診斷提供依據(jù)。級組效率表示級的能量轉(zhuǎn)換完善程度,是衡量級經(jīng)濟性的綜合指標,也可作為機組通流部分故障診斷的特征參數(shù)。

        基于溫度T的特征通流面積FT計算公式為

        特征通流面積還可表示為基于比熱容v的特征通流面積Fv:

        式中:G1、G2為變工況前后流過級組的流量,t/h;p01、p02為變工況前后級組前壓力,MPa;p11、p12為變工況前后級組后壓力,MPa;T1、T2為變工況前后級組前溫度,K;π為壓力級組前后的壓力比,即π1=p11/p01,π2=p12/p02。

        根據(jù)文獻[15]研究結(jié)果可知,以公式(2)計算的特征通流面積較公式(1)的的精度更高,因此本文采用公式(2)計算特征通流面積。

        將特征通流面積和級組效率作為熱力判據(jù),考慮特征通流面積存在變工況前后一致的特性,以其為主要特征參數(shù),以級組效率為輔助特征參數(shù)的診斷流程如圖1所示。

        圖1 診斷流程Fig.1 The diagnostic flow chart

        2 故障概況

        2.1 機組簡介

        某電廠汽輪機是引進型300 MW機組,型號為N300-16.7/537/537的反動式雙缸雙排汽凝汽式汽輪機,于2002年9月投產(chǎn)。在2017年3月采用阿爾斯通技術(shù)對汽輪機高、中、低壓通流部分進行了改造,改造后相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

        表1 汽輪機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of the steam turbine

        2.2 故障經(jīng)過

        汽輪機運行中,運行人員于15:06發(fā)現(xiàn)機組1瓦振動及軸向位移負值增大。其中機組負荷294 MW,1瓦振動從42 μm突然上升至130 μm,軸向位移從+0.21 mm突變至-0.17 mm,之后機組各參數(shù)基本維持穩(wěn)定。雖然機組的振動參數(shù)未超過報警值,但振動參數(shù)以及汽輪機回熱抽汽等熱力參數(shù)的不正常波動,表明機組已發(fā)生故障。

        3 汽輪機通流狀態(tài)診斷與評估

        選取汽輪機故障前后一段相對穩(wěn)定數(shù)據(jù),通過對比機組故障發(fā)生前后機組相關(guān)參數(shù),以分析故障對機組的影響。

        3.1 通流效率

        1)高中壓缸效率變化 根據(jù)運行數(shù)據(jù),計算的高壓缸效率相比于故障前略有升高,大約升高2.5%;中壓缸效率下降約3.2%。

        為精確定位故障發(fā)生位置,以抽汽口劃分通流級段,將通流部分分為主蒸汽到調(diào)節(jié)級(0)、調(diào)節(jié)級到一段抽汽(1)、一段抽汽到高壓缸排汽(2)、中壓缸進汽到三段抽汽(3)、三段抽汽到中壓缸排汽(4)、低壓缸進汽到五段抽汽(5)、五段抽汽到六段抽汽(6)7個級組段。

        2)級效率變化 根據(jù)運行數(shù)據(jù),對故障前后的各級組效率進行計算,作為機組效率變化情況判斷的依據(jù)。對效率的變化量進行分析,圖2給出故障前后效率變化量。

        圖2 故障前后各級相對效率變化Fig.2 Changes in relative efficiency of each stage group before and after the failure

        分析各級組效率變化發(fā)現(xiàn):主蒸汽到調(diào)節(jié)級組效率降低,調(diào)節(jié)級到一段抽汽機組效率升高,中壓缸進汽到三段抽汽級組效率下降,而其他級組效率在故障前后變化較小,因而可初步判斷機組在主蒸汽到調(diào)節(jié)級、調(diào)節(jié)級到一段抽汽、中壓缸進汽到三段抽汽可能出現(xiàn)了故障。

        實際上,通流效率也受閥門開度的影響,因此需要對高壓調(diào)節(jié)閥(GV)開度進行分析,以排除閥門的影響。故障前后各調(diào)節(jié)閥閥位變化情況如圖3所示。分析發(fā)現(xiàn),在故障發(fā)生前后,1—4號調(diào)節(jié)閥閥位沒有明顯變化,而5號和6號調(diào)節(jié)閥在故障發(fā)生后開度明顯增大,5號調(diào)節(jié)閥故障前開度為33%,故障后為58%;6號調(diào)節(jié)閥故障前為3%,故障后為12%。

        圖3 故障前后各調(diào)節(jié)閥閥位變化情況Fig.3 Changes of valve position of each regulating valve before and after the failure

        通過級效率和閥門開度分析發(fā)現(xiàn),中壓缸進汽到三段抽汽出現(xiàn)了故障使得該級段效率下降;而對于主蒸汽到調(diào)節(jié)級和調(diào)節(jié)級到一段抽汽,其效率變化可能與閥門開度變化有關(guān),因而暫時無法確定是否發(fā)生故障,還需通過特征通流面積進一步分析。

        3.2 特征通流面積

        理想模式下,采用直接測量數(shù)據(jù),如溫度、壓力等一次熱力參數(shù)變化來判斷機組故障。但實際上,由于機組系統(tǒng)復(fù)雜,各熱力參數(shù)相互耦合,無法直觀反映級組通流故障,本文采用特征通流面積對機組通流故障進行分析。

        各級特征通流面積故障前后變化如圖4所示。由圖4可見,在故障發(fā)生前后,部分級段特征通流面積發(fā)生明顯改變(圖4a)和4c)),部分特征通流面積前后保持一致(圖4b))。

        圖4 各級特征通流面積故障前后變化Fig.4 Change of characteristic flow area of each stage before and after the failure

        圖5 為故障前后各級特征通流面積的變化和相對變化率。其他級組特征通流面積故障前后基本不變,而主蒸汽到調(diào)節(jié)級的面積增大,增大約3.8%;中壓缸進汽到三段抽汽的明顯減小,減小約7.2%。

        圖5 各級特征通流面積相對變化率Fig.5 The relative change rates of characteristic flow area of each stage

        對于主蒸汽到調(diào)節(jié)級組,前文中提到該級段存在高壓調(diào)節(jié)閥開度的影響。根據(jù)以往同類型機組的高壓調(diào)節(jié)閥流量特性試驗結(jié)果(圖6),5號調(diào)節(jié)閥開度從故障前33%到故障后58%,流量相對變化約15.7%;6號調(diào)節(jié)閥開度從故障前3%到故障后12%,其流量相對變化約3.7%。根據(jù)閥門流量與面積變化的關(guān)系,調(diào)門開度變化(圖2)導(dǎo)致該級段通流面積增大約3.3%左右,與基于熱力參數(shù)計算的特征通流面積相對變化量相近,結(jié)合機組效率變化可判定該級組未發(fā)生通流故障。

        圖6 高壓調(diào)節(jié)閥流量特性曲線Fig.5 The flow characteristic curve of high pressure regulating valve

        基于以上分析結(jié)果表明,機組中壓缸進汽到三段抽汽級段發(fā)生了通流故障,故障原因可能是通流堵塞、隔板損傷或變形等。機組停機后揭缸檢查,發(fā)現(xiàn)汽輪機中壓第1級動葉片的1片根部斷裂,中壓第一級進汽側(cè)葉輪有一處由于斷裂葉片脫落時擠壓損傷,中壓第1、2級靜葉片全部嚴重變形損壞,中壓第1、2級葉頂圍帶汽封磨損嚴重,中壓第2級動葉片有磨損,中壓第1級、第2級葉片損傷導(dǎo)致中壓缸進汽到三段抽汽級組段通流面積減小,與分析結(jié)果一致。這表明基于熱力參數(shù)的在線診斷方法可行,且具有較高的準確度。

        同樣,使用本文所述方法,對該廠另一臺故障機組進行診斷。該機組故障后4號高壓調(diào)節(jié)閥開度由故障前的26%變?yōu)?8%,其余閥門開度基本沒變。經(jīng)特征通流面積分析,主蒸汽到調(diào)節(jié)級的面積增大,增大約1.6%,中壓缸進汽到三段抽汽的明顯減小,減小約8%。4號調(diào)節(jié)閥開度變化導(dǎo)致流量相對變化約8.2%,即導(dǎo)致通流面積增大約1.4%左右,與特征面積的分析結(jié)果基本一致,可以排除該級段故障,最終診斷為機組中壓缸進汽到三段抽汽級段發(fā)生了通流故障,這與機組停機后揭缸檢查結(jié)果一致,進一步驗證了本文所述方法的準確性。

        4 結(jié) 論

        1)基于級組效率變化可初步確定故障可能發(fā)生的位置,其中主蒸汽到調(diào)節(jié)級效率降低,調(diào)節(jié)級到一段抽汽效率升高,中壓缸進汽到三段抽汽級組效率下降。

        2)主蒸汽到調(diào)節(jié)級的特征通流面積增大,增大約3.8%;中壓缸進汽到三段抽汽的明顯減小,減小約7.2%;而其他級組特征通流面積故障前后基本不變。

        3)使用高壓調(diào)節(jié)閥位輔助診斷,經(jīng)計算,主蒸汽到調(diào)節(jié)級組高壓調(diào)門開度變化導(dǎo)致的通流面積增大與基于熱力參數(shù)計算的特征通流面積相對增大量相近,排除該級段發(fā)生通流故障的可能。

        4)級組效率和特征通流面積計算結(jié)果表明,在中壓缸進汽到三段抽汽級組處發(fā)生通流故障,與揭缸后實際結(jié)果完全吻合。在另一臺機組上對該診斷方法進行了驗證,證明該診斷方法的準確性。

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