朱 寶，周仁米，顧偉飛，董益華

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310003）

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉柵結(jié)構(gòu)性故障分析與診斷

朱 寶，周仁米，顧偉飛，董益華

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310003）

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)汽輪機(jī)通流故障能大幅提高汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性。對(duì)某600 MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉柵結(jié)構(gòu)性故障過程中的熱力參數(shù)、軸系參數(shù)、調(diào)節(jié)級(jí)軸向推力進(jìn)行了詳細(xì)的分析和計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，提出了診斷調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉結(jié)構(gòu)性故障的方法以及應(yīng)對(duì)措施，可減輕此類故障下汽輪機(jī)設(shè)備的損壞程度。

汽輪機(jī)；調(diào)節(jié)級(jí) ；動(dòng)葉柵；通流故障

0 引言

汽輪機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，通流部分由于長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)生連續(xù)性變化，或者由于外力的作用發(fā)生急劇的變化。前者會(huì)導(dǎo)致機(jī)組熱耗率上升，經(jīng)濟(jì)性下降；后者會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)性的損壞，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。機(jī)組控制系統(tǒng)如果不能及時(shí)識(shí)別并做出反應(yīng)，會(huì)使汽輪機(jī)及附屬設(shè)備出現(xiàn)更加嚴(yán)重的二次損壞。目前汽輪機(jī)通流故障的主要診斷方法主要是熱力參數(shù)診斷法和振動(dòng)診斷法[1-2]。近年來相關(guān)學(xué)者也提出了一些新的診斷方法[3-5]，董曉峰[6]等人從概率分布的角度出發(fā)，優(yōu)化了通流故障診斷函數(shù)和規(guī)則，提高了診斷的準(zhǔn)確性；Karlsson[7]等人應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)汽輪機(jī)通流故障進(jìn)行識(shí)別和故障原因查找。

針對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉部分結(jié)構(gòu)性損壞這類故障，在對(duì)故障過程中熱力和軸系參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，提出了該類故障的診斷方法和應(yīng)對(duì)措施。

1 調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉柵故障現(xiàn)象

某國產(chǎn)600 MW機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)后溫度測(cè)量元件由于長(zhǎng)期受到高速汽流的吹蝕作用發(fā)生脫落，脫落的元件和高速旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉發(fā)生撞擊，導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉部分出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，如圖1所示。損壞前后動(dòng)葉流道發(fā)生了劇烈的變化，如圖2所示。

圖1 調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉柵結(jié)構(gòu)性損壞

機(jī)組DCS（分散控制系統(tǒng)）詳細(xì)記錄這次通流事故發(fā)生過程中熱力和軸系參數(shù)的變化趨勢(shì)。由于本次事故中機(jī)組控制系統(tǒng)未能有效識(shí)別，導(dǎo)致事故損失進(jìn)一步擴(kuò)大，汽輪機(jī)的相關(guān)附屬設(shè)備也受到不同程度的損壞。

圖2 動(dòng)葉流道變化示意

2 調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉柵結(jié)構(gòu)性故障過程分析

2.1 熱力參數(shù)變化趨勢(shì)

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉柵結(jié)構(gòu)性故障過程中的機(jī)組實(shí)際負(fù)荷、機(jī)組負(fù)荷需求值、調(diào)節(jié)級(jí)壓力、主汽壓力、主汽調(diào)節(jié)閥開度如圖3，4所示。

圖3 負(fù)荷、閥位變化趨勢(shì)

圖4 主蒸汽、調(diào)節(jié)級(jí)壓力變化趨勢(shì)

從圖3，4中可得出，在故障過程中，由于動(dòng)葉流道突然變小，調(diào)節(jié)級(jí)流量相應(yīng)減小，導(dǎo)致調(diào)節(jié)級(jí)壓力在10 s內(nèi)減小了0.151 MPa。機(jī)組負(fù)荷也以14.9 MW/min的速率下降。主蒸汽壓力也呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

從圖4中還可得出：在故障過程中，調(diào)節(jié)閥開度在50 s內(nèi)增大了14.5%左右，這主要是由于負(fù)荷減小和主汽壓力增大，機(jī)組在滑壓控制模式下，控制系統(tǒng)相應(yīng)增大閥位以將主汽壓力和負(fù)荷維持在設(shè)定值水平，與為減輕事故影響應(yīng)盡快關(guān)閉主汽調(diào)節(jié)閥剛好相反。

機(jī)組再熱壓力、各抽氣口壓力在這次通流結(jié)構(gòu)性故障中略有下降，各溫度測(cè)點(diǎn)的參數(shù)基本保持不變。

2.2 軸系參數(shù)變化趨勢(shì)

汽輪機(jī)1，2號(hào)軸承X，Y方向的振動(dòng)位移變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 1，2號(hào)軸承振動(dòng)位移變化趨勢(shì)

從圖5中可得出：機(jī)組2號(hào)軸承X方向的振動(dòng)位移增大到90 μm左右，1號(hào)軸承振動(dòng)位移沒有出現(xiàn)較大變化；1，2號(hào)軸承X，Y的振動(dòng)位移都在正常運(yùn)行范圍內(nèi)。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移和高壓缸差脹的變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)子軸向位移和高壓缸脹差變化趨勢(shì)

從圖6中的轉(zhuǎn)子軸向位移和高壓缸脹差的變化趨勢(shì)均可得出：在調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉結(jié)構(gòu)性故障過程中，轉(zhuǎn)子的軸向位移急劇減小。這主要是調(diào)節(jié)級(jí)流道突然變小，調(diào)節(jié)級(jí)流量減小，動(dòng)葉入口處壓力急劇變大，導(dǎo)致沿汽流方向的轉(zhuǎn)子軸向力急劇增大。此外，由于流道急劇變化，導(dǎo)致汽流沖擊動(dòng)葉，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊力。

2.3 調(diào)節(jié)級(jí)軸向推力的變化趨勢(shì)

調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽流量G可通過式（1）與（2）計(jì)算：

式中：An為噴嘴出口截面積；po為調(diào)節(jié)級(jí)入口滯止壓力；p1為調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉前壓力；vo為調(diào)節(jié)級(jí)入口滯止比熱容；k為定熵指數(shù)，過熱蒸汽取1.3。

在調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉結(jié)構(gòu)性損壞過程中，噴嘴未發(fā)生改變，即An沒有改變。由式（1）（2）可得出任一時(shí)刻的流量Gt與通流部分完好時(shí)的流量G0的比值Φ0。

式中：下標(biāo)t為任一時(shí)刻；下標(biāo)0為通流部分完好時(shí)。

由于調(diào)節(jié)級(jí)后的通流部分未發(fā)生改變，調(diào)節(jié)級(jí)后的壓力和流量成正比，Φ可由式（4）確定：

式中：p2為調(diào)節(jié)級(jí)后壓力。

由式（2），（3），（4）可求出調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉結(jié)構(gòu)性故障過程調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉前壓力p1。

調(diào)節(jié)級(jí)一般為反動(dòng)度很小的沖動(dòng)級(jí)，在通流完好時(shí)，作用在調(diào)節(jié)級(jí)上的軸向力一般非常小。當(dāng)動(dòng)葉柵發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞后，調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉前壓力p1會(huì)上升，調(diào)節(jié)級(jí)反動(dòng)度會(huì)增加，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常大的軸向力。

作用在調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉上的軸向推力Fz可由式（5）計(jì)算：

式中：e為調(diào)節(jié)級(jí)的部分進(jìn)汽度；dm為調(diào)節(jié)級(jí)的平均直徑；lb為動(dòng)葉高度。

根據(jù)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉結(jié)構(gòu)性損壞過程中的DCS數(shù)據(jù)，由上述公式計(jì)算出的Fz如表1所示。

作用在調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉葉輪上的力也可近似地認(rèn)為與p1－p2成正比。

通過計(jì)算可得出：在調(diào)節(jié)級(jí)通流結(jié)構(gòu)性損壞過程中，轉(zhuǎn)子沿汽流方向的軸向推力會(huì)增加很多；調(diào)節(jié)閥開度的增大會(huì)導(dǎo)致作用在調(diào)節(jié)級(jí)上的軸向推力快速上升。

表1 調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉故障前后Fz的比較

3 診斷方法與應(yīng)對(duì)措施

根據(jù)以上分析，在調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉結(jié)構(gòu)性損壞這類故障中熱力參數(shù)和軸系參數(shù)主要有2個(gè)特征：

（1）在機(jī)組負(fù)荷需求值沒有發(fā)生改變時(shí)，機(jī)組負(fù)荷、調(diào)節(jié)級(jí)壓力減小，主蒸汽壓力和閥位反而增大。

（2）汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移沿汽流方向?qū)⑼蝗辉龃蟆?/p>

機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)如果同時(shí)出現(xiàn)上述2個(gè)特征，基本可確定調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉部分發(fā)生結(jié)構(gòu)性通流故障。

當(dāng)檢測(cè)到這類通流故障，機(jī)組控制系統(tǒng)應(yīng)迅速減小調(diào)節(jié)閥閥位或直接觸發(fā)機(jī)組MFT（主燃料跳閘）指令，而不是任由汽輪機(jī)在原控制方式下開大調(diào)節(jié)閥，觸發(fā)軸向位移超過極限值指令而導(dǎo)致機(jī)組MFT，這可能會(huì)造成更加嚴(yán)重的設(shè)備損壞。以本次調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉結(jié)構(gòu)性損壞故障為例，機(jī)組出現(xiàn)上述2個(gè)故障特征到最后MFT至少有90 s的預(yù)警時(shí)間。最后，由于轉(zhuǎn)子長(zhǎng)時(shí)間受到巨大的軸向力，致使油溫過高而燒毀推力瓦。

4 結(jié)語

在對(duì)某600 MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉結(jié)構(gòu)性故障中的熱力參數(shù)、軸系參數(shù)、軸向推力的變化趨勢(shì)的分析和計(jì)算基礎(chǔ)上，提出了診斷這類通流故障的方法。

當(dāng)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉結(jié)構(gòu)性故障發(fā)生時(shí)，機(jī)組會(huì)出現(xiàn)2個(gè)明顯的征兆：轉(zhuǎn)子的軸向位移會(huì)沿汽流方向快速增大；機(jī)組負(fù)荷、調(diào)節(jié)級(jí)壓力減小，主蒸汽壓力和閥位反而會(huì)增大。

通過上述征兆可有效識(shí)別調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉結(jié)構(gòu)性通流故障。當(dāng)發(fā)生這類通流故障時(shí)，機(jī)組控制系統(tǒng)可根據(jù)診斷結(jié)果迅速減小調(diào)節(jié)閥閥位或直接觸發(fā)機(jī)組MFT指令，這能有效預(yù)防更加嚴(yán)重的設(shè)備損壞情況發(fā)生。

[1]史進(jìn)淵．汽輪機(jī)通流部分故障診斷模型的研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1997，17（1）∶29-32．

[2]RAY BEEBE.Condition monitoring of steam turbines by performance analysis[J].Journal of Quality in Maintenance Engineering，2003，9（2）∶102-112.

[3]王偉峰，白天.新型RBF網(wǎng)絡(luò)在汽輪機(jī)通流部分故障診斷中的應(yīng)用[J].熱力發(fā)電，2011，40（10）∶29-34.

[4]李亮，黃竹青，馮磊華，等.基于加權(quán)最小二乘支持向量機(jī)改進(jìn)算法的汽輪機(jī)通流部分故障診斷研究[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2012，64（2）∶129-132.

[5]葉軍．基于Vague集相似度量的汽輪機(jī)故障診斷的研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（1）∶16-20．

[6]董曉峰，顧煜炯，楊昆，等.汽輪機(jī)通流部分故障診斷方法研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（35）∶71-77.

[7]KARLSSON C，ARRIAGADA J，GENRUP M.Detection and interactive isolation of faults in steam turbines to support maintenance decisions[J].Simulation Modeling Practice and Theory，2008，16（10）∶1689-1703.

（本文編輯：陸 瑩）

Analysis and Diagnosis on Structural Fault of Steam Turbine Governing Stage Blade Cascade

ZHU Bao，ZHOU Renmi，GU Weifei，DONG Yihua
（Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310003，China）

Operation safety of steam turbine can be improved significantly by accurate forecast of flow path fault.Thermal parameters，shafting parameters and governing stage axial thrust during structural fault of governing stage blade cascade is analyzed and calculated in the paper.On this base，a fault diagnosis method and countermeasures for the structural fault of governing stage blade are proposed to minimize damage of steam turbine in this fault.

steam turbine；governing stage；blade cascade；flow path fault

TK267

B

1007-1881（2015）11-0005-03

2015-09-17

朱 寶（1990），男，從事發(fā)電廠熱力系統(tǒng)優(yōu)化工作。