尚 文，王維民，齊鵬逸，崔 津，曾詠奎

(北京化工大學(xué)診斷與自愈工程研究中心，北京100029)

0 引 言

海上采油/氣平臺和大型浮動生產(chǎn)、儲存、卸貨油輪，由于其遠離陸地，所采用的電力系統(tǒng)具有它的獨立性和特殊性。具有效率高、啟動快、運行平穩(wěn)、能源自主性強等特點的燃氣輪機發(fā)電機組完全符合海上作業(yè)要求。然而由于海上惡劣的工作環(huán)境，燃氣輪機發(fā)電機組頻繁發(fā)生故障，對燃氣輪機的故障診斷與可靠性維護顯得尤為重要。對燃氣輪機的故障診斷與預(yù)測是利用已掌握的故障診斷知識，對機器運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測、定位與診斷;結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和相關(guān)故障模式，利用診斷方法分析一定時間內(nèi)的性能參數(shù)和振動性能變化趨勢，對已經(jīng)發(fā)生或者可能發(fā)生的故障進行診斷、分析和預(yù)報，以確定故障的類別、部位、程度和原因，提出維修對策［1-4］。隨著研究的深入，研究人員總結(jié)并應(yīng)用多種燃氣輪機的故障診斷方法，包括有:故障樹分析法、小波分析法［5］、條件規(guī)則法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法［6］、模糊診斷法、氣路分析法［7］等診斷方法。

然而，有的方法是獨立使用于不同的故障現(xiàn)象和故障部位，有的需要進行復(fù)雜的公式推導(dǎo)和程序編輯。這就要求燃氣輪機的操作技術(shù)員要掌握多種的故障診斷方法和多種的數(shù)據(jù)分析能力，甚至需要進行復(fù)雜程序編輯，難度較大［8-10］。因此，尋求開發(fā)一種燃氣輪機故障診斷方法，既可以讓燃氣輪機的操作技術(shù)人員和維修技術(shù)人員快速熟練地掌握并應(yīng)用于工程實踐，又可以快速準確地進行故障分析及推理，確定故障部位及故障原因。

本研究采用故障樹分析法與條件規(guī)則法相結(jié)合的綜合診斷方法，將其應(yīng)用于燃氣輪機發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子振動故障診斷研究中，并通過現(xiàn)場測試得以驗證，對于使用燃氣輪機生產(chǎn)作業(yè)的企業(yè)具有很大的經(jīng)濟效益。

1 故障樹法和條件準則法在燃氣輪機故障診斷中的應(yīng)用

1.1 建立燃氣輪機失效故障樹

由于燃氣輪機的故障特點與其他動力設(shè)備的故障特點存在一定不同，燃氣輪機各組件之間存在復(fù)雜的邏輯關(guān)系，從而產(chǎn)生復(fù)雜故障模式關(guān)系;同時，燃氣輪機的故障具有很大的隨機性和突發(fā)性。故障樹分析法能夠根據(jù)故障產(chǎn)生和發(fā)展的邏輯關(guān)系以及故障模式關(guān)系進行故障樹分析，并得到系統(tǒng)所有的故障原因和故障發(fā)生部位。因此，故障樹分析法比較適合于燃氣輪機的故障診斷研究［11］。

本研究從燃氣輪機的主要故障機理及失效模式入手，通過研究分析工程實踐中記錄的燃氣輪機故障失效模式及現(xiàn)場維修案例，尋求燃氣輪機故障案例的直接原因、間接原因，乃至根本原因，從分析失效因果關(guān)系中的頂事件開始直至尋找導(dǎo)致故障發(fā)生的底事件，由果及因、自下而上進行，以5類常見的故障失效模式(轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障、葉片故障、冷卻系統(tǒng)故障、控制系統(tǒng)故障和燃燒室系統(tǒng)故障)為中間事件，以循序漸進地找出每類事件發(fā)生的所有可能出現(xiàn)的原因，并分解到基本事件為止。本研究繪制出的燃氣輪機失效故障樹圖如圖1所示。

圖1 燃氣輪機失效故障樹圖

燃氣輪機故障樹(如圖1所示)共考慮了34個不同的底事件。圖1中各符號所代表的事件如表1所示。

表1 燃氣輪機失效故障樹基本事件表

1.2 基于條件規(guī)則的燃氣輪機故障樹法研究

由于傳統(tǒng)的燃氣輪機故障樹法存在一定的模糊性和不確定性，對故障診斷結(jié)果的精度產(chǎn)生不良影響，本研究提出一種基于條件規(guī)則的燃氣輪機故障樹法對傳統(tǒng)的燃氣輪機故障樹法進行技術(shù)改進，以提高故障診斷結(jié)果的精度。

基于條件規(guī)則的故障樹分析法就是在故障樹的中間事件和底端事件上，增加一定的條件規(guī)則，進行物理和邏輯判斷，所添加的條件規(guī)則可以為單步判斷，也可以分多步進行精確判斷，確定故障樹每個分支的診斷選擇，以便準確地得出故障發(fā)生的原因和故障部位。從頂事件出發(fā)，在每個節(jié)點的地方，分別添加相應(yīng)的條件規(guī)則，不但可以明確故障診斷的思路及方案，也可以迅速地縮小診斷范圍，極大地提升故障診斷的精確度。

燃氣輪機故障診斷中的條件規(guī)則一般為:性能參數(shù)或振動參數(shù)(功率、溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速和振幅等數(shù)值)是否變化，是否偏高、偏低、偏大、偏小，以及各種的信號特征是否出現(xiàn)等。條件規(guī)則需要技術(shù)人員進行相應(yīng)的監(jiān)測和實驗過程，并且通過監(jiān)測得到相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和故障特征征兆，以便進行相應(yīng)的故障分析和判斷，從而進一步推理得出燃氣輪機故障的根本原因。在建立燃氣輪機失效故障樹的基礎(chǔ)上，本研究通過歸納總結(jié)大量的故障案例和維修資料，構(gòu)建了基于條件規(guī)則的邏輯推理模型。本節(jié)主要以燃氣輪機轉(zhuǎn)子振動故障為例，主要設(shè)計出帶有條件規(guī)則的燃氣輪機轉(zhuǎn)子振動故障樹(如圖2所示)，通過基于條件規(guī)則的燃氣輪機振動故障樹對不同現(xiàn)場的目標機組進行故障診斷，燃氣輪機診斷技術(shù)員就可以針對相應(yīng)的監(jiān)測對象，獲得診斷所需的振動數(shù)據(jù)和信息，運用基于條件規(guī)則的燃氣輪機故障樹法的分析，準確地確定故障發(fā)生部位及故障根本原因。

圖2 基于條件規(guī)則的燃氣輪機轉(zhuǎn)子振動故障樹

2 基于條件規(guī)則與故障樹法的診斷實例分析

本研究對某海上石油作業(yè)區(qū)的4臺MARS100燃氣輪機發(fā)電機組A、B、C、D進行振動測試。使用針對該型號機組的測試系統(tǒng)對機組的5個軸承處轉(zhuǎn)子運行狀況進行振動信號的采集、分析和處理，并在線監(jiān)測5個軸承處轉(zhuǎn)子的振動情況，通過時域譜圖、頻域譜圖、階次譜圖、Bode圖、瀑布圖、軸心軌跡等分析處理，實現(xiàn)對機組的狀態(tài)檢測及故障診斷。觀察在線監(jiān)測顯示的振動信息，其中A、B、D號機組振動幅值均明顯小于報警值，轉(zhuǎn)子處于安全振動范圍內(nèi)。然而，C號機4、5號軸承處振動較大。監(jiān)測4、5號軸承間轉(zhuǎn)子運行轉(zhuǎn)速為8 640 r/min左右;故該目標轉(zhuǎn)子的一倍頻在144 Hz左右。4號軸承X方向的頻域譜圖如圖3所示，4號軸承Y方向的時域分析圖如圖4所示，5號軸承處的軸心軌跡圖如圖5所示。

圖3 燃氣輪機目標轉(zhuǎn)子頻譜圖

圖4 燃氣輪機目標轉(zhuǎn)子時域譜圖

圖5 燃氣輪機目標轉(zhuǎn)子軸心軌跡圖

本研究運用基于條件規(guī)則的故障樹法進行C號機的故障分析與診斷:

(1)通過對燃氣輪機失效故障樹的5個中間事件的條件規(guī)則逐一進行分析，得出條件規(guī)則1:振動幅值接近閾值符合故障規(guī)則條件，繼而進行中間事件A1燃氣輪機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障的分析;

(2)目標轉(zhuǎn)子頻譜圖如圖3所示，147 Hz頻率成分幅值突出，低階頻率成分及高階頻率成分都較低;通過分析轉(zhuǎn)子振動子故障樹中條件規(guī)則6.1～12.1得出條件規(guī)則8.1:監(jiān)測目標轉(zhuǎn)子的頻譜圖中出現(xiàn)極高的一倍頻成分符合故障規(guī)則條件，繼而進行條件規(guī)則8.2的分析;

(3)目標轉(zhuǎn)子時域譜圖如圖4所示，目標轉(zhuǎn)子的時域波形近似于正弦波，通過分析條件規(guī)則8.2:監(jiān)測目標轉(zhuǎn)子的時域波形為正弦波符合故障規(guī)則條件，繼而進行條件規(guī)則8.3的分析;

(4)目標轉(zhuǎn)子軸心軌跡如圖5所示，目標轉(zhuǎn)子的軸心軌跡近似于橢圓，通過分析條件規(guī)則8.3:監(jiān)測目標轉(zhuǎn)子的軸心軌跡為橢圓形符合故障規(guī)則條件，由于對目標機組的監(jiān)測過程中并未進行啟停機，轉(zhuǎn)速基本恒定，不進行Bode圖及瀑布圖分析。

在此，對于C號機組4、5號軸承振動過大的故障分析完畢，通過基于條件規(guī)則的故障樹法分析，可得出目標轉(zhuǎn)子振動過大的根本原因為轉(zhuǎn)子不平衡故障。可考慮對目標轉(zhuǎn)子做現(xiàn)場動平衡，以解決此類振動故障。

3 結(jié)束語

本研究通過對燃氣輪機失效故障的分析調(diào)研，根據(jù)國內(nèi)外關(guān)于研究解決燃氣輪機失效故障的有效資料，采用基于條件規(guī)則的故障樹分析法，結(jié)合維修案例實踐，設(shè)計并建立了符合燃氣輪機故障機理的條件規(guī)則故障樹。結(jié)合某海上石油作業(yè)區(qū)的燃氣輪機發(fā)電機組的振動故障案例，事實證明，基于條件規(guī)則的故障樹法具有很嚴密的邏輯分析能力，可在一定程度上提高燃氣輪機故障診斷效率，提高燃氣輪機可靠性維護的經(jīng)濟效益與社會效益。同時，采用此法可以防止誤判和漏判，具有很高的適用性和針對性，并大大地減輕了故障診斷和機組維護的難度，從而使燃氣輪機的操作人員和維修人員快速、熟練地掌握并應(yīng)用于工程實踐。

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