基于汽輪機的故障診斷方法的研究

孫瑞

【摘 要】汽輪機發(fā)電機組是重要的設備，電力生產由于其設備結構復雜、運行環(huán)境的特殊性，汽輪機組故障率高，而且故障危害也大。因此，汽輪發(fā)電機組的故障診斷一直是故障診斷技術應用的重要方面。在本文中，對汽輪發(fā)電機組的診斷方法進行了研究，用于分析和處理類似的振動問題。

【關鍵詞】汽輪機；故障診斷；發(fā)展前景

1.引言

電力企業(yè)負責國家電力的生產經營，與國民經濟和人民生活密切相關。近年來，汽輪機的振動診斷，狀態(tài)監(jiān)測和信號分析處理取得長足進步，確保發(fā)電企業(yè)的安全生產做出了很大的貢獻，積累了大量的技術經驗。但設備容量規(guī)模大，目前的經驗和理論不能滿足實際需求和振動信號分析和處理，仍然是影響設備安全的重要因素。

2.汽輪機故障診斷技術的發(fā)展

2.1 信號采集與分析

2.1.1 故障信息采集。

由于汽輪機在復雜環(huán)境下運行，傳感器性能直接影響到所收集數(shù)據(jù)的可信度，所以如何開發(fā)高性能，高可靠性的傳感器是必要的；從傳感器獲得的原始數(shù)據(jù)，混合了大量噪聲，如何對這些信號進行準確可靠的處理是故障診斷更重要的研究課題，振動信號可以很好地反映機組運行的停滯或下降，最具代表性，處理和分析這些信號變得尤為重要。

2.1.2 信號分析與處理。

目前較為成熟的快速傅立葉變換（FFT）和小波變換分析方法，全息頻譜分析，時間延遲缺陷，信號分形維數(shù)計算等，包括FFT，更多的思想FFT一般是時域信號表示為具有不同頻率的諧波函數(shù)的線性疊加，假設信號是穩(wěn)定的，因此對頻率不變量進行統(tǒng)計分析，許多固定信號的FFT具有適用性，因此被廣泛使用。引進現(xiàn)代人工智能，為專家系統(tǒng)和勞動力等故障診斷帶來了新的活力神經網絡等診斷理論認為，加入這些智能理論可以促進診斷的快速發(fā)展展覽。設備診斷技術經歷了理論啟蒙發(fā)展，理論逐步完善，理論應用和現(xiàn)實健，連同企業(yè)信息化建設，已發(fā)展成為綜合性的應用課題。

2.2 故障機理與診斷策略

2.2.1 故障機理。

故障機制是指故障的固有本質和原因，任何故障都有相應的特點，如何從這些故障征兆獲得原始數(shù)據(jù)是故障診斷領域非常重要的研究方向。主要從現(xiàn)場找到故障規(guī)律，是通過統(tǒng)計分析方法得到的故障征兆和故障模型，基于數(shù)據(jù)等設置，對于汽輪機主軸運行狀態(tài)，主要是通過分析振動信號，獲取故障征兆，建立故障征兆。

2.2.2 診斷策略和診斷方法。

由于故障征兆集合的復雜性，如何確定故障是故障的最終問題，在汽輪機故障診斷領域，常用策略的診斷具有邏輯診斷，統(tǒng)計，模式識別，模糊診斷，專家系統(tǒng)和人工神經網絡診斷。 如何實現(xiàn)上述算法，達到一定的可靠性，保證診斷速度成為研究的主要方向。

3.故障診斷中存在的問題

汽輪機的振動故障是汽輪機事故的重要組成部分。振動故障分析對機組安全穩(wěn)定運行具有重要意義。通過對以往研究人員和企業(yè)運營經驗的研究，總結了典型故障狀態(tài)的特點和性能，在實時監(jiān)控的基礎上進行故障判斷是重要的，操作人員可以掌握知識，首先由 理論知識決定故障，然后采取正確的措施。

3.1 轉子質量不平衡

當轉子不平衡力的作用下，振動將以一個隨速度相同的強制振動頻率，按照諧振曲線變化規(guī)律，在臨界轉速下達到最大值，如1X振幅大，高次諧波的存在，逐漸減少；當速度恒定時，其幅度和相位隨時間而變化。軸軌跡呈現(xiàn)橢圓形。轉子質量不平衡的原因有很多，包括原來的不平衡，組件松動，轉子熱彎，但原來的失衡是最大的。原始質量是指由不平衡引起的轉子不平衡因素所固有的，是由制造或維修安裝過程造成的，振幅和相位在渦輪機起動過程中穩(wěn)定周期性變化，因此通過觀察渦輪機轉速振動數(shù)據(jù)，可以確定轉子原始質量是否不平衡還是移動。

故障的突然發(fā)生，振動在秒內增大，相位迅速變化。；轉子熱彎主要是隨著時間的推移、功率頻率振動發(fā)生變化，一般在一定參數(shù)下，隨著參數(shù)的提高和緩慢的增加最終的穩(wěn)定，也隨著參數(shù)的變化而變化，所以轉子的熱彎是可以的隨著環(huán)境的改造可以恢復，只要轉子永久塑性變形不發(fā)生，就允許一定的變化范圍。

3.2 轉子動靜碰摩

轉子動靜碰摩是運行過程中汽輪運動部件和固定部件的常見故障。由于設備的旋轉部件和靜態(tài)部件之間的間隙逐漸減小，這將導致設備在摩擦過程中發(fā)生的可能性增加，但一旦摩擦事件發(fā)生，則振動的單位將會產生強烈甚至永久的彎曲軸，反過來又會使系統(tǒng)摧毀，導致經濟損失難以估計，所以如果發(fā)現(xiàn)問題并對機組安全穩(wěn)定運行發(fā)出警告意義重大。

導致機組碰摩主振動的原因是轉子不在中間，運動間隙不足。以上可能是由于設計人員設計不當造成的主要原因，安裝人員安裝位置錯誤，維修人員錯誤引起的觸摸設備本身不足，材料和設備造成的收縮和不平衡，故障早期檢測解決方案不會影響機組的正常運行。

3.3 轉子不對中

所謂的轉子故障是指通過聯(lián)軸器連接的兩個轉子的中心線不成行，并且存在一定的偏轉，這也是汽輪機的常見故障之一。兩個轉子的物理特征未顯示為兩個轉子的中心軸不是直線，導致平行偏移或一定角度；在數(shù)據(jù)處理級別，表示時域波形基本旋轉頻率的高階分量，2X振動非常明顯，軸軌跡為香蕉形，甚至“8”字形。

轉子軸偏移的可能原因有：（1）加工錯誤和安裝。導致不正確的加工過程連接兩個轉子軸線不垂直于表面和中心或螺栓孔和軸頸不同，它會產生額外的彎矩，但它的尺寸和方向是固定的，相當于設備本身的固有屬性只增加了不平衡力，分析時會產生較大的振動次數(shù)； （2）維護和引起熱量的錯誤。根據(jù)不同的工作環(huán)境，冷熱狀態(tài)不同，冷態(tài)主要是指由于維護過程中或安裝過程中人員的不當操作，可以避免這種情況。在加熱狀態(tài)的情況下，器件是由材料在高溫下的膨脹引起的。

4.汽輪機故障診斷的發(fā)展前景

汽輪機故障診斷技術研究受到關注，一般電力企業(yè)和各種新型汽輪機的專業(yè)技術人員及其各種故障檢測技術系統(tǒng)是主要的研究方向之一，在許多研究型大學和專業(yè)方面都有強大機構不可避免地會出現(xiàn)許多科技成果，所以，故障機制研究勢必然促進故障診斷技術的發(fā)展。故障機制研究逐步深入，將重點研究開發(fā)故障的定量表征，對整個系統(tǒng)故障狀態(tài)的判斷指標體系及其判斷閾值將是另一個重要方向。對于汽輪機的故障診斷，優(yōu)先考慮振動診斷，考慮熱影響診斷，性能診斷，邏輯順序等診斷。診斷結合模擬技術將主要體現(xiàn)在汽輪機故障模擬識別中，通過系統(tǒng)仿真故障診斷專家系統(tǒng)提供知識規(guī)則和學習樣本，通過使用邏輯仿真組件進行系統(tǒng)故障診斷。

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