哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司 劉建寶

汽輪機(jī)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(jī)組的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)不僅復(fù)雜，其機(jī)組運(yùn)行條件也特殊，經(jīng)常使汽輪機(jī)機(jī)組出現(xiàn)故障，故障的危害性和經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此，汽輪機(jī)組設(shè)備的診斷始終是一個(gè)困難的故障診斷。汽輪機(jī)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(jī)發(fā)生故障、造成巨大的損壞和經(jīng)濟(jì)損失。因此汽輪機(jī)故障的診斷一直是一個(gè)難題。

在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中安全非常重要。當(dāng)前故障檢測的要求更高。統(tǒng)計(jì)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(jī)器和設(shè)備，汽輪機(jī)的流量部分在高壓和高溫下，以及在快速和繁重的運(yùn)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(jìn)和使用在提高效率和確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)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(jī)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(shí),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(jī)組軸系振動異常,從而影響機(jī)組運(yùn)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(fù)荷變化率,保證汽輪發(fā)電機(jī)組能有效避開可能有氣流激振的負(fù)荷區(qū)域,防止氣流激振的異常現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 軸瓦振動

汽輪發(fā)電機(jī)組軸瓦振動的原因是多方面的，一般有設(shè)計(jì)制造、安裝、運(yùn)行工況等方面。汽輪發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)制造中，由于精度或裝配工藝方面的質(zhì)量不足，或機(jī)組的支撐軸承選擇的不夠合理，容易使機(jī)組出現(xiàn)異常振動。另外，在機(jī)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(jī)組運(yùn)行中如果存在葉片斷裂會使轉(zhuǎn)子運(yùn)行出現(xiàn)摩擦，機(jī)組負(fù)荷變化較大、潤滑油溫變化較大等原因都會使機(jī)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(yùn)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(jìn)一步加劇轉(zhuǎn)子不平衡,阻礙汽輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)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(jī)組轉(zhuǎn)子彎曲引起的振動故障主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面,一是轉(zhuǎn)子彎曲,二是轉(zhuǎn)子臨時(shí)彎曲。轉(zhuǎn)子彎曲是指轉(zhuǎn)子在運(yùn)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(jī)組在使用過程中的生產(chǎn)誤差。如果不及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子就會彎曲。決定轉(zhuǎn)子臨時(shí)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(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子就會彎曲。決定轉(zhuǎn)子臨時(shí)彎曲的直接因素是轉(zhuǎn)子軸的負(fù)載程度,間接因素包括多種類型,如啟動預(yù)熱時(shí)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(jī)組轉(zhuǎn)子臨時(shí)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(jī)器基礎(chǔ)的不均勻沉降等方面。與引起汽輪發(fā)電機(jī)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(shí)調(diào)整就會造成更嚴(yán)重的安全事故。汽輪發(fā)電機(jī)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(jī)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(jì)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(gè)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(jì)算模糊診斷向量b，B=RsX，這里σ是一個(gè)模糊算子，不同的算子對應(yīng)于另一種模糊綜合評價(jià)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(jìn)行比較，不同的算子應(yīng)對不同模糊的綜合評價(jià)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(jìn)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(jì)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(jī)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(jī)在運(yùn)行時(shí)，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(yùn)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(jī)碰磨示意圖

在火力發(fā)電廠的運(yùn)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(jī)組的運(yùn)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(jī)器的整個(gè)葉片，迫使公司停止計(jì)劃外的維護(hù)操作，導(dǎo)致重大財(cái)務(wù)損失。

3 故障診斷技術(shù)對汽輪機(jī)行業(yè)的重要性

蒸汽輪機(jī)是一種非常集中的旋轉(zhuǎn)動力。由于社會和經(jīng)濟(jì)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(jī)的主要特征，它使整個(gè)社會的生產(chǎn)和生活得以實(shí)現(xiàn)。汽輪機(jī)故障會影響機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)，使公司遭受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，先進(jìn)的診斷技術(shù)對提高汽輪機(jī)設(shè)備的安全性和經(jīng)濟(jì)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(yàn)，創(chuàng)建了基于規(guī)則的系統(tǒng)。這些經(jīng)驗(yàn)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(yàn)，否則無法進(jìn)行診斷；如在診斷方面沒有太多經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)出現(xiàn)新情況時(shí)有可能錯(cuò)過診斷。

故障診斷中的實(shí)例診斷。診斷的優(yōu)點(diǎn)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(fù)擔(dān)，快速解決問題?；诎咐撟C的基礎(chǔ)是創(chuàng)建有效的案例索引機(jī)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(jī)時(shí)，應(yīng)有效監(jiān)測蒸汽輪機(jī)入口溫度并定期維護(hù)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(jī)使用要求，有效保證設(shè)備切換到熱交換和傳熱；項(xiàng)目控制汽輪機(jī)復(fù)雜，維護(hù)工作量較大；在維護(hù)期間，必須制定詳細(xì)的維護(hù)計(jì)劃并進(jìn)行合理的項(xiàng)目檢查，以確保維護(hù)順利進(jìn)行。維修必須進(jìn)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(hù)進(jìn)度，確保完成每個(gè)現(xiàn)場的內(nèi)容，并確保高效地進(jìn)行維護(hù)[3]。

維護(hù)的質(zhì)量控制和質(zhì)量保證是確保維護(hù)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(hù)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(jī)工作中的實(shí)際問題。當(dāng)系統(tǒng)以多種方式到達(dá)系統(tǒng)塊時(shí)，系統(tǒng)可在下次遇到類似問題時(shí)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(jī)故障的原因，并幫助專家系統(tǒng)提供識別蒸汽輪機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)故障診斷技術(shù)不斷改進(jìn)，實(shí)施高水平渦汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)。通過對汽輪機(jī)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(qiáng)以下方面的研究，更好地發(fā)展汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)。

綜合診斷。致力于汽輪機(jī)故障診斷，進(jìn)行全面故障診斷，主要進(jìn)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(shí)現(xiàn)輪機(jī)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(diǎn)，但尚未取得重大突破，仍然將是重要的研究中心[4]；實(shí)現(xiàn)全面檢查技術(shù)，提高汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)；隨時(shí)進(jìn)行故障機(jī)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(jìn)性錯(cuò)誤的定量表征。另一個(gè)重要方向是研究指標(biāo)體系及其閾值，以評估整個(gè)系統(tǒng)的故障狀態(tài)。

汽輪機(jī)是發(fā)電廠正常生產(chǎn)電能的重要設(shè)備，其運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性對發(fā)電廠的正常運(yùn)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(yùn)行環(huán)境的特殊性，汽輪機(jī)的故障經(jīng)常出現(xiàn)，因此故障診斷技術(shù)成為汽輪機(jī)鉆研的探索的主要技術(shù)。汽輪機(jī)的高參數(shù)、高可靠性和高可用性必須不斷改進(jìn)現(xiàn)有的故障排除方法。

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