彭 剛

（中國石油大慶煉化公司檢維修中心，黑龍江大慶 163400）

0 引言

以往煉油廠汽輪發(fā)電機組的狀態(tài)檢測與故障診斷是以人工為主，雖然機組管理人員也會借助于一些檢測設(shè)備或輔助儀器，但是很大程度上仍然依賴于個人經(jīng)驗，這種情況下經(jīng)常會出現(xiàn)診斷結(jié)果不準確、檢修不夠深入的問題。在工業(yè)生產(chǎn)向“數(shù)智化”轉(zhuǎn)型的背景下，煉油廠必須要創(chuàng)新發(fā)電機組的狀態(tài)檢修和故障診斷方式。使用在線監(jiān)測裝置實時掌握發(fā)電機組的運行工況，并利用人工智能技術(shù)對采集到的數(shù)據(jù)展開分析，得到診斷結(jié)論，幫助機組管理人員明確故障位置、故障類型，有利于故障的順利排除，保證發(fā)電機組的正常運行。

1 汽輪發(fā)電機組故障診斷技術(shù)

1.1 發(fā)電機組的信號采集

收集發(fā)電機組的狀態(tài)信號是進行故障診斷的前提條件，由于汽輪發(fā)電機組的運行工況時刻變化，因此要借助于各類傳感設(shè)備實時采集狀態(tài)信號，為下一步的信號分析、故障判斷提供依據(jù)。根據(jù)汽輪發(fā)電機組的運行狀態(tài)，常用的監(jiān)測信號有振動信號（包括振幅、頻率、振型等）、位置信號（包括脹差、熱對中）、溫度信號、轉(zhuǎn)速信號等。根據(jù)監(jiān)測對象的不同，選擇相應(yīng)的傳感器，例如監(jiān)測發(fā)電機組的軸振、脹差等信號，可使用電渦流傳感器；監(jiān)測發(fā)電機組的軸承座振動，可選用慣性速度傳感器等[1]。在確定傳感器類型后，還要科學(xué)設(shè)計測點位置，將傳感器安裝到發(fā)電機組對應(yīng)的測點處，這樣就能在發(fā)動機運行過程中實時采集相應(yīng)的狀態(tài)信號。

1.2 信號的處理與分析

前端傳感器采集到的機組狀態(tài)信號中摻雜了各種干擾，需要使用銳化濾波器對信號進行降噪和過濾，為下一步的特征信息提取和故障診斷創(chuàng)造良好條件。完成預(yù)處理的信號，經(jīng)無線通信模塊傳輸?shù)叫盘柗治鱿到y(tǒng)，并開展頻譜分析。以發(fā)電機組的振動信號為例，使用頻譜分析將采集到的時域信號變換為頻域信號，這樣就能將原來無規(guī)則復(fù)雜變化的時間波形分解成規(guī)則、單一的諧波分量，從而更加直觀地展示發(fā)電機組的運行狀況[2]。如果發(fā)生振動異常，可根據(jù)幅值頻譜圖確定異常振動的位置、程度和發(fā)展趨勢。由于不同的故障原因?qū)?yīng)著不同的振動頻率，因此在頻譜分析的基礎(chǔ)上，可根據(jù)頻譜特征推導(dǎo)出引發(fā)異常振動的原因。

例如，汽輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子在正常工況下，其頻譜上的工頻均為整數(shù)，如1f（1 倍頻）、2f（2 倍頻）、nf（高倍頻）。假設(shè)某臺汽輪發(fā)電機組無故障，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在2000 r/min 的情況下，頻譜頻率為1f；該發(fā)電機組運行一段時間后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同樣維持在2000 r/min，但是頻譜頻率為0.9f，則可能是發(fā)生了轉(zhuǎn)子臨時變形、初始不平衡等故障；如果頻譜頻率為0.3f，則考慮是存在轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子軸摩擦等故障。

1.3 故障的智能診斷

汽輪發(fā)電機組的故障類型多樣，引起故障的原因復(fù)雜，因此要想準確、智能診斷故障，必須要借助于模糊數(shù)學(xué)概念，構(gòu)建發(fā)電機組故障模糊診斷系統(tǒng)。其診斷原理是利用隸屬函數(shù)，求出發(fā)電機組某些異常工況的隸屬度，然后表征各種故障發(fā)生的可能性，按照由高到低的順序逐一檢查故障是否存在，從而為故障診斷和維修提供支持[3]。隸屬度的計算方式如下：

假設(shè)有一個故障集合P：

則該集合中各子項pi（i=1，2，3）的隸屬度Ypi構(gòu)成模糊向量M：

假設(shè)另有一個故障特征集合Q：

則該集合中各子項qi（i=1，2，3）的隸屬度Yqi組成的模糊向量N：

集合P 與集合Q 之間存在模糊關(guān)系，且該模糊關(guān)系能夠用隸屬度表示為：

2 汽輪發(fā)電機組的狀態(tài)檢修方式

2.1 狀態(tài)檢修內(nèi)容

基于智能診斷系統(tǒng)的汽輪發(fā)電機組狀態(tài)檢修，本質(zhì)上是將傳感器實時采集數(shù)據(jù)與發(fā)電機組標準工況進行對比并得出結(jié)論的過程。不同型號的發(fā)電機組有默認的或用戶自定義的標準參數(shù)，例如，某QF-32 型汽輪發(fā)電機，容量為2800 kW，頻率為50 Hz，額定電壓5500 V，轉(zhuǎn)速為3600 r/min。如果傳感器測得的轉(zhuǎn)速長時間高于3600 r/min，則說明轉(zhuǎn)速過快，有發(fā)生漏電、放電擊穿的隱患，需要立即開展檢修，降低轉(zhuǎn)速。為了提高狀態(tài)檢修結(jié)果的準確性和可信度，要盡量獲取更加詳細的發(fā)電機組運行信息，除了實時運行數(shù)據(jù)外，像歷史數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)、消缺數(shù)據(jù)等，在狀態(tài)檢修中均有應(yīng)用。

狀態(tài)檢修實際上包含了狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障維修三部分，三者之間的關(guān)系見圖1。

圖1 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、故障維修的關(guān)系

如圖1 所示，在汽輪發(fā)電機組啟動運行后，前端傳感裝置動態(tài)采集工況參數(shù)，實現(xiàn)對發(fā)電機組的連續(xù)監(jiān)測。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)展開分析，得出診斷結(jié)論，并作為維修指導(dǎo)。當(dāng)發(fā)電機組的實際值超出了允許值，立即開展維修。除了進行故障診斷和維修外，還能基于監(jiān)測數(shù)據(jù)對未來一段時間內(nèi)的發(fā)電機組工況變化趨勢作出預(yù)測。

2.2 常用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

適用于汽輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的有閥門監(jiān)測、馬達監(jiān)測、油液分析與聲發(fā)射監(jiān)測等。閥門監(jiān)測是借助于安裝在閥門上的應(yīng)變計，獲取閥門處所受壓力，用于判斷是否出現(xiàn)泄漏、磨損等故障；馬達監(jiān)測則是采集磁通、振動等信號展開頻譜分析，用于判斷是否出現(xiàn)電氣故障；油液分析可基于發(fā)電機內(nèi)部潤滑油的液位高低，以及油液品質(zhì)來判斷是否出現(xiàn)異常情況；聲發(fā)射監(jiān)測是利用加熱器等主要承壓部件發(fā)生泄漏時發(fā)出的聲音來判斷有無泄漏問題和確定泄漏位置[4]。

在開展狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，還要創(chuàng)建狀態(tài)檢修數(shù)據(jù)庫，同時采用分區(qū)處理的方式，按照數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)獲取時間、數(shù)據(jù)來源等，將數(shù)據(jù)庫劃分成若干個單元，分別存儲不同的數(shù)據(jù)。例如歷史數(shù)據(jù)、機組原始數(shù)據(jù)、故障處理記錄等，便于智能診斷系統(tǒng)隨時調(diào)用數(shù)據(jù)開展故障診斷。

2.3 實施機組檢修作業(yè)

為解決以往人工檢修和故障診斷存在的效率不高、不夠準確等問題，設(shè)計了集數(shù)據(jù)采集、智能分析和故障自診斷于一體的汽輪發(fā)電機組在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)（圖2）。

圖2 汽輪發(fā)電機組在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

如圖2 所示，該系統(tǒng)主要由中央數(shù)據(jù)服務(wù)器、MIS（Management Information System，管理信息系統(tǒng)）分析站點、在線監(jiān)測系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備等部分組成。該系統(tǒng)的運行流程為：

（1）使用安裝在汽輪發(fā)電機組上的各類傳感器獲取發(fā)電機組的實時運行數(shù)據(jù)，包括轉(zhuǎn)速、溫度、振動等。

（2）這些數(shù)據(jù)經(jīng)過噪聲消除等預(yù)處理后，通過RS-232 通信線路傳輸?shù)皆O(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中，并分區(qū)存儲。

（3）故障診斷專家系統(tǒng)通過MIS 網(wǎng)絡(luò)，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)類型展開相應(yīng)分析，如振動分析、設(shè)備狀態(tài)分析、動平衡計算等，分析結(jié)果以圖表或報表的形式呈現(xiàn)，實現(xiàn)故障診斷結(jié)果的可視化[5]。

（4）診斷結(jié)果經(jīng)過TCP/IP 通信網(wǎng)絡(luò)，在遠程監(jiān)測中心的人機交互界面上呈現(xiàn)，從而實現(xiàn)對汽輪發(fā)電機組運行工況的遠程監(jiān)控和運行故障的遠程診斷。

3 結(jié)束語

汽輪發(fā)電機組由于運行環(huán)境的特殊性，在工作一段時間后經(jīng)常會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不對中、溫度異常、汽缸膨脹等故障，如果未能及時發(fā)現(xiàn)和科學(xué)處理，除了會降低發(fā)電機組的工作效率外，還有可能引起嚴重故障，增加維修成本。

運用模糊診斷和專家系統(tǒng)等技術(shù)，構(gòu)建汽輪發(fā)電機組的在線檢測和故障診斷系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對汽輪發(fā)電機組運行工況的動態(tài)監(jiān)測，然后基于監(jiān)測所得數(shù)據(jù)展開故障診斷。機組工作人員根據(jù)系統(tǒng)給出的診斷結(jié)果選擇合理的狀態(tài)檢修方式進行故障處理，從而保障汽輪發(fā)電機組潛在故障得以及時解決，保障其穩(wěn)定和安全運行。