哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司 劉建寶

汽輪機組是工業(yè)領(lǐng)域的基本設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電力、石化等行業(yè)。大型汽輪機組的設(shè)計和系統(tǒng)不僅復(fù)雜，其機組運行條件也特殊，經(jīng)常使汽輪機機組出現(xiàn)故障，故障的危害性和經(jīng)濟損失巨大。因此，汽輪機組設(shè)備的診斷始終是一個困難的故障診斷。汽輪機廠是基礎(chǔ)工業(yè)廠房，廣泛應(yīng)用于電氣、石化等行業(yè)，這往往會導(dǎo)致汽輪機發(fā)生故障、造成巨大的損壞和經(jīng)濟損失。因此汽輪機故障的診斷一直是一個難題。

在機器運轉(zhuǎn)中安全非常重要。當(dāng)前故障檢測的要求更高。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，使用故障診斷系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)動力設(shè)備后事故率大大降低，可節(jié)約成本30%。伴隨著越來越精密和科學(xué)的機器和設(shè)備，汽輪機的流量部分在高壓和高溫下，以及在快速和繁重的運行條件下工作，導(dǎo)致自身輕微的偏差和事故。新技術(shù)的引進和使用在提高效率和確保設(shè)備安全穩(wěn)定運行方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，傳統(tǒng)的檢測方式已不能滿足當(dāng)前系統(tǒng)的故障診斷要求。

1 汽輪發(fā)電機組出現(xiàn)的振動故障

1.1 氣流激振

當(dāng)發(fā)生氣流激振時,監(jiān)測信號的頻率中會有許多小于低頻的分量。氣流激振主要是由于載荷等工藝參數(shù)的變化引起的,屬于突發(fā)性異常振動問題。產(chǎn)生這種異常振動的主因是葉片受到不均勻氣流的沖擊,使機組軸系振動異常,從而影響機組運行的穩(wěn)定性。為判斷這一異常振動故障,需結(jié)合振動工況的監(jiān)測數(shù)據(jù),綜合分析不同載荷工況下監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢。應(yīng)有效降低負荷變化率,保證汽輪發(fā)電機組能有效避開可能有氣流激振的負荷區(qū)域,防止氣流激振的異?，F(xiàn)象發(fā)生。

1.2 軸瓦振動

汽輪發(fā)電機組軸瓦振動的原因是多方面的，一般有設(shè)計制造、安裝、運行工況等方面。汽輪發(fā)電機組在設(shè)計制造中，由于精度或裝配工藝方面的質(zhì)量不足，或機組的支撐軸承選擇的不夠合理，容易使機組出現(xiàn)異常振動。另外，在機組的安裝過程中，工藝質(zhì)量會對振動產(chǎn)生影響，如軸承的標(biāo)高、動靜間隙等方面安裝不合理易引起異常振動。再者，機組運行中如果存在葉片斷裂會使轉(zhuǎn)子運行出現(xiàn)摩擦，機組負荷變化較大、潤滑油溫變化較大等原因都會使機組出現(xiàn)異常振動。

1.3 轉(zhuǎn)子不平衡

通常是由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量偏心和轉(zhuǎn)子部件缺陷引起的。轉(zhuǎn)子制造過程中的制造誤差、裝配誤差和材料誤差都會影響轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，稍有不慎就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的偏心質(zhì)量。轉(zhuǎn)子在運行過程中經(jīng)常受到各種外部因素的影響,造成腐蝕、磨損、介質(zhì)、疲勞力等情況。這些因素都會造成轉(zhuǎn)子部件缺陷的問題,甚至轉(zhuǎn)子部件脫落,從而進一步加劇轉(zhuǎn)子不平衡,阻礙汽輪發(fā)電機組的安全運行,振動故障也越來越嚴(yán)重。

1.4 轉(zhuǎn)子彎曲

汽輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子彎曲引起的振動故障主要表現(xiàn)在兩個方面,一是轉(zhuǎn)子彎曲,二是轉(zhuǎn)子臨時彎曲。轉(zhuǎn)子彎曲是指轉(zhuǎn)子在運動過程中呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)。造成這種現(xiàn)象的原因有很多。其中,轉(zhuǎn)子軸結(jié)構(gòu)不合理是常見的問題,增大了汽輪發(fā)電機組在使用過程中的生產(chǎn)誤差。如果不及時調(diào)整轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子就會彎曲。決定轉(zhuǎn)子臨時彎曲的直接因素是轉(zhuǎn)子軸的載荷程度,間接因素包括矩量，如果不及時調(diào)整轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子就會彎曲。決定轉(zhuǎn)子臨時彎曲的直接因素是轉(zhuǎn)子軸的負載程度,間接因素包括多種類型,如啟動預(yù)熱時間短、轉(zhuǎn)子軸變形不均勻等問題,都會導(dǎo)致汽輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子臨時彎曲。

1.5 轉(zhuǎn)子不對中

主要是指轉(zhuǎn)子軸之間的位移現(xiàn)象。常見類型有平行位移、綜合位移和角位移。造成這種情況的原因主要是安裝過程中的誤差、軸承過程中的變形、機器基礎(chǔ)的不均勻沉降等方面。與引起汽輪發(fā)電機組振動失效的其他因素相比,轉(zhuǎn)子不對中問題的嚴(yán)重程度相對較小。但如不及時調(diào)整就會造成更嚴(yán)重的安全事故。汽輪發(fā)電機組在使用過程中容易造成聯(lián)軸器的偏轉(zhuǎn),不僅會造成汽輪發(fā)電機組設(shè)備軸承的損壞,且會降低軸承使用壽命,還會阻礙電廠經(jīng)濟建設(shè)的穩(wěn)定發(fā)展。

2 故障診斷的技術(shù)和理論

系統(tǒng)故障為系統(tǒng)分析的首要事件，然后分析故障事件與每個子系統(tǒng)或組件之間的邏輯關(guān)系，構(gòu)建故障樹。據(jù)此，分析系統(tǒng)故障的各種方法和可靠性特征是一種分析方法，模糊模式識別是根據(jù)故障癥狀與故障原因之間的模糊關(guān)系矩陣r，根據(jù)模糊規(guī)則計算模糊診斷向量b，B=RsX，這里σ是一個模糊算子，不同的算子對應(yīng)于另一種模糊綜合評價和診斷方法[1]。

模糊聚類是將故障x的當(dāng)前癥狀與該設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)進行比較，不同的算子應(yīng)對不同模糊的綜合評價和診斷方法。模糊聚類將故障x的當(dāng)前癥狀與設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)進行比較，即，即故障y的典型癥狀在歷史中各種故障的診斷和故障排除記錄中的情況并計算哪些當(dāng)前故障最接近于過去診斷的故障，將其歸入一類。

圖1 故障診斷的一般流程

汽輪機碰磨故障檢測方法如下：

在氣缸體軸向的兩端安裝壓電式速度傳感器，以記錄摩擦信號等，汽缸體的固有頻率用于連續(xù)捕獲：去除缸體結(jié)構(gòu)的振動加速度信號分量和所選振動信號的趨勢，然后基于傅里葉變換執(zhí)行頻帶濾波器。根據(jù)信號的頻譜特性，在接近固有頻率的情況下確定帶通濾波器的上限和下限，數(shù)據(jù)保持在頻率限制內(nèi)，然后執(zhí)行反向傅里葉變換以獲得磁帶過濾信號，其相關(guān)性和適用性是提高診斷準(zhǔn)確性的重要保證。

汽輪機在運行時，轉(zhuǎn)子、汽缸等動靜部件在高溫蒸汽的影響下發(fā)生熱變形。如果旋轉(zhuǎn)的高速轉(zhuǎn)子受熱不均勻且熱彎曲，則會產(chǎn)生較大的不平衡力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子各部分的中心從靜止中心發(fā)生較大的周期性移動，如果偏心運動大于截面的動態(tài)和靜態(tài)部件之間的間隙，則動態(tài)和靜態(tài)部件之間會發(fā)生碰撞和磨損[2]。

圖2 汽輪機碰磨示意圖

在火力發(fā)電廠的運行中，動、靜密封板、轉(zhuǎn)子軸和滑動軸承經(jīng)常發(fā)生碰撞和磨損，這是一種常見的故障。部件之間的碰撞和摩擦對旋轉(zhuǎn)和缸體的影響很小。動態(tài)和靜態(tài)部件的直接影響和利用通常不會對機組的運行狀態(tài)產(chǎn)生直接影響。微效應(yīng)磨損經(jīng)常發(fā)生，結(jié)構(gòu)的影響逐漸累積。它將逐漸導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件的磨損和變形（如梳齒密封），嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致暴露在長期沖擊下的葉片突然斷裂，并導(dǎo)致嚴(yán)重的二次事故，中斷機器的整個葉片，迫使公司停止計劃外的維護操作，導(dǎo)致重大財務(wù)損失。

3 故障診斷技術(shù)對汽輪機行業(yè)的重要性

蒸汽輪機是一種非常集中的旋轉(zhuǎn)動力。由于社會和經(jīng)濟發(fā)展的需要，高參數(shù)、高性能和多樣性逐漸成為了汽輪機的主要特征，它使整個社會的生產(chǎn)和生活得以實現(xiàn)。汽輪機故障會影響機組性能，導(dǎo)致嚴(yán)重停電，影響供電、化學(xué)處理和其他設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，使公司遭受巨大的經(jīng)濟損失。因此，先進的診斷技術(shù)對提高汽輪機設(shè)備的安全性和經(jīng)濟性具有重要作用。

故障診斷中的規(guī)則。通過收集專業(yè)診斷經(jīng)驗，創(chuàng)建了基于規(guī)則的系統(tǒng)。這些經(jīng)驗被描述為關(guān)于癥狀和可能缺陷的規(guī)則。這些規(guī)則用于模擬缺陷診斷過程中與專家關(guān)聯(lián)的推理過程，在診斷缺陷之前須具有足夠的規(guī)則經(jīng)驗，否則無法進行診斷；如在診斷方面沒有太多經(jīng)驗，當(dāng)出現(xiàn)新情況時有可能錯過診斷。

故障診斷中的實例診斷。診斷的優(yōu)點是根據(jù)以前的示例問題解決新問題，而不參考示例規(guī)則，減少信息獲取的負擔(dān)，快速解決問題。基于案例論證的基礎(chǔ)是創(chuàng)建有效的案例索引機制和案例組織；基于模糊理論的診斷模型。有兩種主要方法，一是建立故障癥狀與類型之間的因果矩陣r，然后缺陷和癥狀之間的不明確關(guān)系形成了方程式。這是一種基于模糊比和綜合算法的診斷方法

故障控制還應(yīng)從以下方面著手：

控制參數(shù)。操作蒸汽輪機時，應(yīng)有效監(jiān)測蒸汽輪機入口溫度并定期維護加熱系統(tǒng)，以確保加熱系統(tǒng)的所有元件符合壓縮要求，并符合汽輪機使用要求，有效保證設(shè)備切換到熱交換和傳熱；項目控制汽輪機復(fù)雜，維護工作量較大；在維護期間，必須制定詳細的維護計劃并進行合理的項目檢查，以確保維護順利進行。維修必須進行科學(xué)檢查，并做好相應(yīng)的核算和交接工作，避免維修和重復(fù)維修。還必須注意監(jiān)控維護進度，確保完成每個現(xiàn)場的內(nèi)容，并確保高效地進行維護[3]。

維護的質(zhì)量控制和質(zhì)量保證是確保維護有效性的基礎(chǔ)，應(yīng)嚴(yán)格遵守操作要求并遵守圖紙、說明、使用說明和其他文件；安全檢查。安全是一切工作的基礎(chǔ)，火力發(fā)電廠應(yīng)在技術(shù)上確保維護人員的安全，所有工作首先必須符合安全的基本原則。

另外，提高適應(yīng)建模和充分利用其優(yōu)勢和功能的能力，人工智能可以解決汽輪機工作中的實際問題。當(dāng)系統(tǒng)以多種方式到達系統(tǒng)塊時，系統(tǒng)可在下次遇到類似問題時快速找到局部問題。人工智能模擬人腦中的思維訓(xùn)練，檢查主動搜索，解釋蒸汽輪機故障的原因，并幫助專家系統(tǒng)提供識別蒸汽輪機故障和使用人工方法的有效指導(dǎo)。在專家的支持下，主動學(xué)習(xí)、研究和自我改進的智能方法在震源環(huán)境內(nèi)的交互中非常有用，以提高蒸汽輪機診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和完整性。

4 發(fā)展趨勢與展望

汽輪機故障診斷技術(shù)不斷改進，實施高水平渦汽輪機故障診斷技術(shù)。通過對汽輪機故障診斷技術(shù)的分析，了解故障檢修技術(shù)存在的問題，加強以下方面的研究，更好地發(fā)展汽輪機故障診斷技術(shù)。

綜合診斷。致力于汽輪機故障診斷，進行全面故障診斷，主要進行全面熱影響診斷、性能診斷、油液診斷、溫度診斷和邏輯順序診斷，實現(xiàn)輪機故障診斷的有效解決；知識表現(xiàn)、取得和系統(tǒng)地表現(xiàn)自學(xué)知識，獲取知識一直是診斷系統(tǒng)研究的重點，但尚未取得重大突破，仍然將是重要的研究中心[4]；實現(xiàn)全面檢查技術(shù)，提高汽輪機故障診斷技術(shù)；隨時進行故障機理的深入調(diào)查，推動診斷技術(shù)的發(fā)展。本研究側(cè)重于漸進性錯誤的定量表征。另一個重要方向是研究指標(biāo)體系及其閾值，以評估整個系統(tǒng)的故障狀態(tài)。

汽輪機是發(fā)電廠正常生產(chǎn)電能的重要設(shè)備，其運行的安全性和穩(wěn)定性對發(fā)電廠的正常運行起著十分重要的作用。但由于其自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和運行環(huán)境的特殊性，汽輪機的故障經(jīng)常出現(xiàn)，因此故障診斷技術(shù)成為汽輪機鉆研的探索的主要技術(shù)。汽輪機的高參數(shù)、高可靠性和高可用性必須不斷改進現(xiàn)有的故障排除方法。

汽輪機是發(fā)電廠正常發(fā)電的重要設(shè)備，其運行的安全性和穩(wěn)定性對與發(fā)電廠的正常運行起著非常重要的作用。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和運行環(huán)境的特殊性，汽輪機經(jīng)常發(fā)生故障。故障排除技術(shù)已成為汽輪機研究和探索的主要技術(shù)。為了最大限度地提高汽輪機故障診斷技術(shù)的準(zhǔn)確性，需要經(jīng)常對汽輪機故障診斷技術(shù)進行調(diào)查和研究，這旨在顯著提高汽輪機的安全性和可靠性，為我國的電力事業(yè)作出更大貢獻。