錢冠州

(上海和蘭透平動力技術(shù)有限公司，上海嘉定，201815)

渦輪發(fā)電站在國外時常為城市民用、工業(yè)供電，要求設備故障停機率為零，這就從設計到工藝技術(shù)上對設備可靠性、安全性要求苛刻。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，由于是不同供應商制造的高品質(zhì)設備，在組合安裝時常會出現(xiàn)一些隱患：比如螺栓扭力不合格、渦輪轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子偏心、個別傳感器安裝精度不夠等等。這些安裝過程中產(chǎn)生的隱患往往會導致運轉(zhuǎn)過程中故障甚至事故停機檢修。渦輪發(fā)電機70%故障都是上述安裝中的隱患導致的。

渦輪發(fā)電機的檢修分計劃內(nèi)檢修和計劃外檢修，而計劃外檢修是根據(jù)監(jiān)測診斷系統(tǒng)參數(shù)情況臨時決定的。實時在線智能監(jiān)測系統(tǒng)、診斷預測系統(tǒng)需要獲取設備大量狀態(tài)參數(shù)，才可以評估、發(fā)出維修預警。因此對渦輪的參數(shù)智能監(jiān)控、分析，可以預測必須停機維修的節(jié)點，提升供電安全?，F(xiàn)代診斷技術(shù)具有如下功能：

精確、可靠、實時的設備狀態(tài)信息；

根據(jù)設備狀態(tài)信息進行分析后的決策、操控選擇；

緊急狀況觸發(fā)機制、停機保護措施；

設備參數(shù)測量分析及安全運行時間預測；

緊急狀況進展評估與自動停機保護；

可靠的大數(shù)據(jù)存取系統(tǒng)。

開發(fā)智能診斷系統(tǒng)的重要工作之一是確定全部技術(shù)狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型。設備的制造與安裝質(zhì)量、操作經(jīng)驗、診斷對象工況特征等測量參數(shù)在產(chǎn)品設計、技術(shù)方案制定階段就制定出來，并對這些診斷特征參數(shù)采集分類，明確關(guān)鍵參數(shù)臨界點，以便后期運行中識別和處理缺陷問題。

電廠的渦輪發(fā)電機是一種多轉(zhuǎn)子設備，包括低壓、中壓和高壓渦輪軸和發(fā)電機軸， 對于燃氣輪機而言則是壓縮機和發(fā)電機的軸。 旋轉(zhuǎn)機械部分的振動中含有運轉(zhuǎn)狀態(tài)信息，通過傳感器、光譜分析、相關(guān)理論與經(jīng)驗即可識別故障缺陷，從而實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)設備的監(jiān)控和診斷[1]。

以渦輪發(fā)電機的流體動力軸承轉(zhuǎn)子損壞為例，初期轉(zhuǎn)子不平衡會隨著轉(zhuǎn)數(shù)增加慣性負載成平方關(guān)系增加，導致不平衡狀況急劇增加，并最終導致嚴重事故和經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計，大約22%的故障是由于軸承和密封件引起的，因此對渦輪發(fā)電機監(jiān)視和診斷是一個復雜的多參數(shù)系統(tǒng)(見圖1)，其故障模型復雜，參數(shù)眾多[2]。

圖1 蒸汽輪機發(fā)電機多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

工業(yè)4.0的趨勢之一是數(shù)字化以提高操作的可靠性、減少維修的成本、杜絕事故停機。計算機可視模型技術(shù)應用，將渦輪發(fā)電機的組件固體力學、水力學、氣體力學、傳熱和傳質(zhì)科學過程，通過數(shù)學模型技術(shù)可視化展現(xiàn)出來[3]。

現(xiàn)代發(fā)電機診斷系統(tǒng)基于各種故障模型、數(shù)學模型，人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)，利用計算機識別故障、預測故障進展情況，即持續(xù)監(jiān)測、預防設備事故發(fā)生。人工神經(jīng)網(wǎng)絡采集的參數(shù)包括：軸承尺寸參數(shù)、轉(zhuǎn)子在各種工況下震動情況、摩擦阻力、表面磨損情況、潤滑油及冷卻液損耗、設備溫度參數(shù)、基礎及廠房工況等參數(shù)。診斷系統(tǒng)需要獲取全部與故障相關(guān)參數(shù)，以便保證設備正常運轉(zhuǎn)，阻止事故發(fā)生。俄羅斯開發(fā)的PDM數(shù)字綜合系統(tǒng)，已經(jīng)可以有效組織后勤、設備安裝、庫存物資調(diào)用等功能[4]。其核心是智能監(jiān)測、診斷"雙數(shù)字"系統(tǒng)構(gòu)建：對機械設備運轉(zhuǎn)現(xiàn)狀分析與預測，及時給出建議。根據(jù)文獻信息,"雙數(shù)字"技術(shù)系統(tǒng)側(cè)重于預測，解決方案有待進一步完善[5]。

目前,市場上有多種監(jiān)測、診斷系統(tǒng)軟硬件產(chǎn)品。其中，比較先進的產(chǎn)品基本上可以實現(xiàn)人工智能監(jiān)測、診斷[6]。

美國DLI公ALLERT專家系統(tǒng)[7]可以進行頻率分析、對監(jiān)測到的問題部件提供操作建議等。

美國BENTLEY NEVADA公司[1]專家監(jiān)測診斷系統(tǒng)可以對設備運轉(zhuǎn)頻率、軸承間隙震動進行分析，還可以進一步判斷設備技術(shù)現(xiàn)狀、存在缺陷等。

本領(lǐng)域內(nèi)有效解決方案都是基于Rockwell Automation Entek平臺，該平臺可以監(jiān)測震動、各種運轉(zhuǎn)設備診斷與保護等。Rockwell Automation是一家全球頂級自動化生產(chǎn)領(lǐng)域公司，提供自動化生產(chǎn)及技術(shù)服務，旗下品牌有Entek Scientific、Allen-Bradley、IRD Mechanics等，已經(jīng)有數(shù)百家制造企業(yè)采用其產(chǎn)品優(yōu)化生產(chǎn)效率、改進產(chǎn)品[8]。

俄羅斯開發(fā)的監(jiān)測、診斷產(chǎn)品中，代表性的軟件有A.V. Barkov[9]和V.A. Rusov[10]。A.V. Barkov是通過表面光譜分析方法診斷轉(zhuǎn)子軸承，V.A. Rusov主要是診斷機械電子(電動機、變壓器等)、螺桿壓縮機等。

文獻[11]給出了俄羅斯在監(jiān)測、診斷系統(tǒng)細節(jié)分析方面處于領(lǐng)先地位的公司：NPP Viscount、Vibrobit、Diameh 2000、NGO Mera、NPC Dynamics、NGO TSKTI等等。

上述具有代表性診斷系統(tǒng)，包含了測量、可視化、傳感器信號解讀、光譜分析等功能。PRANA遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)具有學習功能，通過機器操作運行狀態(tài)、事故案例、例行保養(yǎng)等數(shù)據(jù)庫的建立，以改進其預測準確性。RAKURS公司開發(fā)的軟件也具有類似特征。本質(zhì)上講，這些軟件系統(tǒng)是對現(xiàn)有電力設備的監(jiān)控、診斷系統(tǒng)解決方案的進一步改進。

最新現(xiàn)場應用的綜合監(jiān)測診斷系統(tǒng)采用預測技術(shù)，即通過對關(guān)鍵參數(shù)包和部件運行參數(shù)處理，預測剩余安全運行時長。其主旨思路是對關(guān)鍵參數(shù)持續(xù)監(jiān)測分析，關(guān)聯(lián)計算處理參數(shù)包余量，持續(xù)發(fā)布安全運行余量。人工神經(jīng)網(wǎng)絡解決了設備狀態(tài)、參數(shù)、故障相關(guān)的聚類問題分析處理，甚至有些人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有通過學習、比對典型故障相關(guān)參數(shù)(有些屬于出廠參數(shù))功能，而不僅僅停留在運轉(zhuǎn)狀態(tài)或故障狀態(tài)的參數(shù)上。圖2表示診斷、預測、自適應等功能模塊，與以往系統(tǒng)差別在于自適應模塊可以對異常變化做出實時反應、增加了剩余參數(shù)余量預測、排除預測的故障等。

圖2 診斷協(xié)調(diào)預測操作系統(tǒng)功能模塊

旋轉(zhuǎn)機械的自適應預測操作系統(tǒng)概念上一般包括以下模塊：

●實時測量模塊：利用軟件、傳感器獲得渦輪發(fā)電機組當前狀態(tài)參數(shù)值；

●初診斷模塊：將測量的參數(shù)值與機組極限值進行比對；

●預測模塊：主要是解決轉(zhuǎn)子動力學、熱傳質(zhì)傳到、流體力學問題，獲取非直接測量參數(shù)；

●故障識別模塊：根據(jù)測量和計算的參數(shù)確定渦輪組件剩余參數(shù)余量；

●專家模塊：分析獲得的數(shù)據(jù)，并根據(jù)設備狀態(tài)決定是否需要維修；

●技術(shù)與經(jīng)濟模塊：評估維修時長和維修工作量，列出需要采購產(chǎn)品清單及可能的供應商；

●自適應模塊：實時在線調(diào)整渦輪發(fā)電機組后獲取關(guān)鍵參數(shù)剩余資源量、評估恢復情況，相關(guān)操作建議需要專家、操作員批準后才可以實施；

●數(shù)據(jù)處理與存儲模塊：故障統(tǒng)計與存儲，緊急情況過程與解釋，機器學習，典型故障案例數(shù)學模型等內(nèi)容。

自適應分析的應用可以提前對設備狀況作出反應以減少緊急情況的發(fā)生，降低人工干預量。在老發(fā)電機組現(xiàn)代化改造過程中也可以得到很好應用：根據(jù)設備實際技術(shù)狀況預測維修工作，大幅度提高舊可靠性和新設備調(diào)試時間。這種系統(tǒng)的創(chuàng)建及其在能源設施中的應用，不僅極大地提高重要設施的運行安全性，在其他高風險企業(yè)如爆炸品、有毒、放射性產(chǎn)品的生產(chǎn)，高溫高壓行業(yè)，醫(yī)藥研究所等也可以得到廣泛應用。