上海華電奉賢熱電有限公司 臧旭東 楊元琴 奚邱炎 金瀚濛 潘曉磊 北京必可測科技股份有限公司 夏明煒

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)作為一種先進(jìn)的發(fā)電技術(shù)，具有熱效率高、能源消耗少、機(jī)組運(yùn)行靈活、啟停方便快速、投資省且建設(shè)周期短等特點，由于使用天然氣作為燃料，污染物少，還能滿足環(huán)保要求、環(huán)境效益好，是當(dāng)今世界上最受青睞的發(fā)電技術(shù)之一，將在電力行業(yè)中日益得到重視和發(fā)展。汽輪機(jī)是燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的重要組成部分，是非常核心的旋轉(zhuǎn)動力設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障，如不能及時獲取有效信息，快速制定處理方案予以解決，會對機(jī)組的運(yùn)行效率造成影響，使企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能會對操作人員的人身造成傷害，嚴(yán)重者有可能威脅人員的生命安全。

1 汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷現(xiàn)狀

國內(nèi)汽輪發(fā)電機(jī)組振動技術(shù)研究從20世紀(jì)50年代初起步，經(jīng)半個多世紀(jì)的發(fā)展，不論是大機(jī)組振動監(jiān)控、振動分析儀表制造，還是振動故障診斷、轉(zhuǎn)子和軸系平衡、振動事故分析技術(shù)水平等方面，都不同程度地步入國際先進(jìn)行列，某些方面甚至超過國外先進(jìn)水平。反映實用振動技術(shù)水平的振動故障診斷準(zhǔn)確率和軸系平衡機(jī)組啟停次數(shù)，若采用正向推理診斷，其準(zhǔn)確率可達(dá)80‰以上[1]。

美國在航空航天領(lǐng)域積累了豐富的故障診斷經(jīng)驗，并在此基礎(chǔ)上率先針對汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)展開了較為深入的研究，成為最早從事汽輪機(jī)故障診斷研究的國家之一，一些相關(guān)的研究院所及企業(yè)如Bently、EPRI、BEI 等相繼開發(fā)了各自的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，許多方面都處于世界領(lǐng)先水平。其他發(fā)達(dá)工業(yè)國家如德、日、英、法等國的一些公司也投入了大量的人力和物力，對汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)進(jìn)行了多方面的探索，如德國Siemens、瑞士ABB 也相繼推出了許多具有實際工程價值的汽輪機(jī)故障診斷系統(tǒng)[2]。

汽輪機(jī)故障根據(jù)其過程主要可分為漸發(fā)型和突發(fā)型兩大類。漸發(fā)型故障是伴隨著壓力/溫度參數(shù)、振動信號的變化而形成的，是一種過程累積產(chǎn)生的故障，會出現(xiàn)例如結(jié)垢、擦碰磨損、部件變形等現(xiàn)象，造成機(jī)組內(nèi)效率下降、部件損傷及運(yùn)行惡化等狀況；突發(fā)型故障是伴隨著汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中突然發(fā)生不可控的變化產(chǎn)生的，主要有閥桿斷裂、葉片斷裂、軸瓦燒毀等故障，此類故障對機(jī)組安全運(yùn)行影響極大，如沒有及時預(yù)測并得到妥善處理，將會引發(fā)重大事故[3]。

目前汽輪機(jī)軸系監(jiān)測主要集中于振動監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)(TSI)和振動分析故障診斷系統(tǒng)(TDM)兩方面。振動監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)可對機(jī)組的運(yùn)行起到基本的監(jiān)測和安全保護(hù)作用，根據(jù)振幅大小簡單地確定機(jī)組的振動狀態(tài)，在出現(xiàn)危險振動時可觸發(fā)停機(jī)信號，但缺少對機(jī)組振動數(shù)據(jù)的深入挖掘。振動分析故障診斷系統(tǒng)的主要作用在于提供振動的波形與頻譜，相關(guān)的倍頻、幅值、相位及轉(zhuǎn)速等各類故障特征數(shù)據(jù)，并有越來越復(fù)雜化的趨勢。由于振動信號分析涉及的領(lǐng)域眾多，具有非常強(qiáng)的專業(yè)性，現(xiàn)場人員難以掌握，外部專家依賴性強(qiáng)，對突發(fā)性故障的處理時效性差。特別是對于振動幅值變化不明顯的振動故障系統(tǒng)無法準(zhǔn)確識別，運(yùn)行人員不能識別初期故障，導(dǎo)致故障擴(kuò)大化。

2 可視化汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)建設(shè)由智能采集單元（下位機(jī)）、數(shù)據(jù)存儲與應(yīng)用單元（上位機(jī)）、數(shù)據(jù)分析軟件及專家自動診斷知識庫組成，并從TSI 的緩沖輸出采集振動和鍵相信號。下位機(jī)不進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通訊上傳并保存到上位機(jī)中，在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看及自動分析診斷（圖1）。下位機(jī)采用模塊化設(shè)計，能根據(jù)機(jī)組實際監(jiān)測需求進(jìn)行靈活配置。融入至數(shù)字化虛擬檢修系統(tǒng)，將設(shè)備數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、狀態(tài)監(jiān)測與虛擬檢修進(jìn)行一體化平臺部署及集成應(yīng)用。結(jié)合數(shù)字化虛擬檢修平臺中構(gòu)建的汽輪機(jī)三維模型，以全面精細(xì)的透視化效果在系統(tǒng)監(jiān)控界面展示機(jī)組實時運(yùn)行狀況及運(yùn)行指導(dǎo)建議，將難以理解的時頻分析結(jié)果直接與機(jī)組的狀態(tài)聯(lián)系起來，與設(shè)備三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以可視化形式自動推送，讓管理人員快速、直觀的掌握設(shè)備健康狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)示意圖

2.2 可視化動態(tài)實時監(jiān)測

通過對汽輪機(jī)軸系之間各動靜間隙的計算，結(jié)合三維可視化模型直觀展示軸承各間隙的變化。結(jié)合機(jī)組的振動數(shù)據(jù)分析，以測得最小間隙與對應(yīng)位置設(shè)計間隙的比對自動識態(tài)，真實反映轉(zhuǎn)子在軸承中的坐標(biāo)位置，實時顯示轉(zhuǎn)子的頂起高度與軸承油膜厚度，應(yīng)用不同顏色進(jìn)行劃分，代表設(shè)備的運(yùn)行健康狀態(tài)。可有效剔除振幅計算時直流部分的影響，防止誤報和漏報。系統(tǒng)以監(jiān)視圖、棒表、數(shù)據(jù)表格、曲線等方式實時顯示所監(jiān)測的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，自動識別盤車、升降速、定速、帶負(fù)荷和正常運(yùn)行等狀態(tài)。

2.3 故障自動診斷

建立汽輪機(jī)故障專家診斷知識庫，構(gòu)建智能故障診斷及評估體系。根據(jù)故障機(jī)理和現(xiàn)場診斷經(jīng)驗，分析汽輪發(fā)電機(jī)組常見振動故障存在的充要條件，建立汽輪機(jī)振動故障模型，通過對實時和歷史數(shù)據(jù)的全面分析，根據(jù)通頻振幅和各頻段振幅、相位的大小和變化趨勢，自動識別信號特征，依靠信號分析結(jié)果嚴(yán)格區(qū)分不同類型不同性質(zhì)的故障，自動計算常見振動故障的可信度，準(zhǔn)確分析汽輪發(fā)電機(jī)組常見的質(zhì)量不平衡、動靜摩擦、不對中、大軸彎曲、汽流激振、油膜渦動、轉(zhuǎn)動部件飛脫和松動等故障。實現(xiàn)故障的定位，結(jié)合影響故障的因素，將故障嚴(yán)重程度和變化趨勢結(jié)合三維可視化監(jiān)測直觀顯示出來。

能夠通過在線監(jiān)測畫面調(diào)閱任意位置測點的各種波形、頻譜的實時/歷史數(shù)據(jù)圖形，查看分析各類采集數(shù)據(jù)及趨勢分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行人工分析診斷。包括時域分析（波形、軸心軌跡、軸心位置）、頻域分析（頻譜、相位、瀑布圖）、變速分析（波特圖、極坐標(biāo)圖、級聯(lián)圖）、趨勢分析和相關(guān)趨勢分析等。

2.4 可視化運(yùn)行指導(dǎo)

根據(jù)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷、轉(zhuǎn)速及對應(yīng)的振動、溫度等正負(fù)、左右相關(guān)性數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系，經(jīng)由專家診斷系統(tǒng)診斷規(guī)則進(jìn)行篩選、甄別并賦給，自動給予機(jī)組啟停及運(yùn)維建議，爭取極熱態(tài)啟動時間，縮短機(jī)組啟動時間。在機(jī)組振動故障狀態(tài)下，根據(jù)發(fā)生的原因不同，針對性的提出處理意見，減少不必要的檢修和停機(jī)時間。當(dāng)機(jī)組遇到動靜碰摩、振動超標(biāo)、脹差超標(biāo)、軸瓦金屬溫度超標(biāo)等情況，處于極端事故邊緣但不具備停機(jī)檢修條件時，自動提出科學(xué)合理的解決方案，減少停機(jī)時間。

2.5 設(shè)備故障與虛擬檢修觸發(fā)

關(guān)聯(lián)采集SIS 系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，將報警數(shù)據(jù)推送至系統(tǒng)內(nèi)，對于異常數(shù)據(jù)可觸發(fā)進(jìn)一步的巡檢和檢修任務(wù)建議。與巡、點檢系統(tǒng)和精密診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)，讀取點檢系統(tǒng)和精密診斷系統(tǒng)的各類圖譜數(shù)據(jù)，對于異常數(shù)據(jù)系統(tǒng)可自動生成虛擬檢修的3D 維修方案建議。以三維可視化方式展現(xiàn)啟停機(jī)的典型故障，將故障點、產(chǎn)生原因和處理方法結(jié)合三維模型的位置進(jìn)行表現(xiàn)。根據(jù)設(shè)備關(guān)鍵字、故障類型、專業(yè)等方式，進(jìn)行典型故障的智能檢索。在三維場景中標(biāo)識故障點，準(zhǔn)確了解故障發(fā)生的部位，并進(jìn)一步查看故障具體現(xiàn)象和產(chǎn)生原因。