汽輪機(jī)通流部分的故障診斷方法研究

劉 倩

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

我國(guó)水力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展速度較快，為我國(guó)電力能源提供源源不斷的動(dòng)力，但是目前火力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，逐漸成為國(guó)內(nèi)發(fā)電的主要手段，它未來(lái)必將占據(jù)發(fā)電領(lǐng)域的頭號(hào)地位。火力發(fā)電廠的正常運(yùn)行主要取決于汽輪機(jī)，汽輪機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生故障便會(huì)極大影響發(fā)電廠的工作效率，導(dǎo)致群眾生活受到干擾。汽輪機(jī)的故障主要產(chǎn)生于通流部分，因此人們必須針對(duì)該處故障類型進(jìn)行分析，探索其主導(dǎo)因素，從而制定出完善的策略，降低故障發(fā)生率，保證機(jī)組能夠安全有效地運(yùn)行。

1 汽輪機(jī)具體工作原理

據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，火力發(fā)電階段，汽輪機(jī)具備其他機(jī)械無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。例如，汽輪機(jī)功率大，運(yùn)行效率高，同時(shí)還具有極長(zhǎng)的工作壽命。汽輪機(jī)的工作原理為蒸汽透平，它會(huì)通過(guò)旋轉(zhuǎn)將內(nèi)部所包裹的蒸汽能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。其中的蒸汽來(lái)源于鍋爐燃燒，它帶氣體通過(guò)機(jī)械內(nèi)缸后會(huì)根據(jù)物理學(xué)的基本規(guī)律，來(lái)將其配置成環(huán)狀，而且機(jī)械設(shè)備內(nèi)部的動(dòng)葉和噴嘴會(huì)利用蒸汽所包含的熱能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機(jī)械能。不同汽輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)化途徑有所差異，因此能量轉(zhuǎn)化的效率也會(huì)有所區(qū)別。機(jī)械設(shè)備的架構(gòu)幾乎一致，即使汽輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)化等方面存在差異，人們也無(wú)需過(guò)于注重。內(nèi)部通道部分主要包括進(jìn)氣口部分、通流部分以及出氣口部分。

2 通流部分具體工作原理

2.1 高壓部分

高壓部分包括一個(gè)單列形式的調(diào)節(jié)劑壓力和多個(gè)等級(jí)壓力，調(diào)節(jié)級(jí)結(jié)構(gòu)呈三叉狀，此結(jié)構(gòu)形式可以承載較高的壓力。高壓部分的主要材料為方鋼，其與靜葉相連，它的直槽內(nèi)層隔板位于根部，依靠填隙條固定。填隙條位于附加槽內(nèi)部，渦片成T狀用來(lái)固定葉片。由于此部分存在極大的壓力，因此T狀渦片可以有效降低氣體泄漏的發(fā)生率。

2.2 中壓部分

中壓部分涵蓋十八個(gè)級(jí)別，它的組成部分包括十八個(gè)靜葉片和動(dòng)葉片。其中，靜葉片位于氣缸內(nèi)部，動(dòng)葉片位于轉(zhuǎn)子輪。中壓部分能夠通過(guò)彈簧完成蒸汽封閉，進(jìn)而調(diào)整葉片圍帶以及轉(zhuǎn)子間距。

2.3 低壓部分

低壓部分涵蓋七個(gè)級(jí)別，其組成部分與中壓部分相似，也包括相同級(jí)數(shù)的靜葉片以及動(dòng)葉片。靜葉片位于氣缸內(nèi)部，動(dòng)葉片位于轉(zhuǎn)子輪。因?yàn)槠啓C(jī)的通流部分通常設(shè)置為雙流式，因此它的全部壓力級(jí)別為28個(gè)級(jí)別。低壓部分也是通過(guò)彈簧實(shí)現(xiàn)蒸汽封閉來(lái)降低葉片圍帶和轉(zhuǎn)子的間距，此部分可以利用彈簧的變形以及撓曲有效降低葉片與轉(zhuǎn)子間的摩擦，同時(shí)可以降低雙方碰撞導(dǎo)致的零件損耗。針對(duì)低壓部分的靜葉片，人們通常會(huì)采用方鋼材料制造的1～5級(jí)葉片，用銑床進(jìn)行加工。

3 故障種類和產(chǎn)生的原因

3.1 故障分析

根據(jù)調(diào)查得知，汽輪機(jī)通流部分經(jīng)常產(chǎn)生故障，而故障主要分為漸變性以及突發(fā)性兩類。所謂突發(fā)性故障是指臨時(shí)產(chǎn)生的故障，例如，閥門桿在運(yùn)行階段突然掉落或者斷裂，葉片產(chǎn)生斷裂或者掉落等。上述故障產(chǎn)生的原因是汽輪機(jī)通流部分面積臨時(shí)產(chǎn)生變化。所謂漸變性故障，是指汽輪機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作而逐漸累積的故障，如通流部分的污垢積累、動(dòng)靜葉片的碰撞以及摩擦損耗等，導(dǎo)致上述故障產(chǎn)生的原因是汽輪機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，通流部分長(zhǎng)時(shí)間接觸水蒸氣，逐漸產(chǎn)生水垢堆積，堆積的水垢不斷撞擊汽輪機(jī)內(nèi)缸，導(dǎo)致內(nèi)缸部分逐漸損耗。

3.2 壓力級(jí)故障和軸封磨損故障

所謂壓力級(jí)故障，是指汽輪機(jī)通流部分在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后殘留污垢或者內(nèi)部葉片突發(fā)性破裂、脫離機(jī)械設(shè)備等。上述故障產(chǎn)生的原因是汽輪機(jī)通流部分面積發(fā)生改變，導(dǎo)致調(diào)節(jié)級(jí)壓力逐漸上升，進(jìn)而產(chǎn)生零部件損壞。而軸封磨損故障，其主導(dǎo)因素是操作人員在汽輪機(jī)運(yùn)行階段的特殊時(shí)刻（機(jī)械啟動(dòng)、停止以及負(fù)載變化）的行為錯(cuò)誤，導(dǎo)致軸封產(chǎn)生劇烈碰撞，最終徑向間隙擴(kuò)大無(wú)法阻擋蒸汽，致使汽輪機(jī)產(chǎn)生漏氣故障。

3.3 調(diào)節(jié)級(jí)故障

針對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)故障，其故障主要發(fā)生在氣門部位，此類故障發(fā)生的概率最高。其主要原因是調(diào)節(jié)級(jí)和氣門在汽輪機(jī)試用階段承擔(dān)極高的溫度和壓力，機(jī)械設(shè)備的焙降全部掉落于此處，導(dǎo)致調(diào)節(jié)級(jí)和氣門長(zhǎng)時(shí)間遭受交變應(yīng)力致使零件損壞，最后閥門桿斷裂或者門芯脫離，此故障帶來(lái)的危害非常嚴(yán)重。汽輪機(jī)內(nèi)缸的氣體循環(huán)速率較高，掉落的金屬殘?jiān)鼤?huì)伴隨著氣體的流動(dòng)而長(zhǎng)期撞擊氣門和調(diào)節(jié)級(jí)，導(dǎo)致二者的磨損度極大，通流部分的堵塞問(wèn)題無(wú)法得到解決。

4 檢查以及診斷故障

故障診斷方法的手段較多，人們必須先確定故障的性質(zhì)，通過(guò)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)與MATLAB軟件結(jié)合，將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，隨后進(jìn)入故障診斷程序，判斷出故障類型，進(jìn)行結(jié)果輸出。

4.1 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查

汽輪機(jī)通流部分一旦產(chǎn)生故障會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的負(fù)載能力大幅減弱，診斷故障的首要環(huán)節(jié)是深入實(shí)際操作場(chǎng)地，檢查機(jī)械設(shè)備內(nèi)在隱患。如果檢查人員未能發(fā)現(xiàn)原因，則應(yīng)立即檢查6級(jí)高調(diào)門的開啟狀態(tài)以及運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，聽到異常響聲后需立即檢驗(yàn)高調(diào)門周邊的壓力值，通過(guò)壓力值的對(duì)比判斷門芯是否脫落。

4.2 對(duì)比熱參數(shù)

當(dāng)蒸汽壓力值以及調(diào)節(jié)壓力值明顯升高時(shí)，汽輪機(jī)通流部分產(chǎn)生故障。通常將全部高調(diào)門開啟狀態(tài)下的最高工況作為對(duì)比值，負(fù)載相同的條件下，對(duì)比高調(diào)門開啟的所有參數(shù)信息。一旦氣流量和調(diào)節(jié)級(jí)壓力呈現(xiàn)顯著降低趨勢(shì)，則可以斷定是不明物體阻礙通流部分而導(dǎo)致其面積減小。

4.3 比較通流部分的具體效率

將全部高調(diào)門開啟狀態(tài)下的最高工況作為對(duì)比值，負(fù)載相同的條件下，對(duì)比高調(diào)門開啟的所有參數(shù)信息。如果調(diào)節(jié)級(jí)運(yùn)行效率明顯減弱，高壓缸效率也會(huì)呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，則可以斷定故障發(fā)生于調(diào)節(jié)級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)正常工作階段，其通流部分會(huì)直接影響汽輪機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量，而且此部分一旦產(chǎn)生故障，可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故，因此研究汽輪機(jī)通流部分的故障診斷方法十分重要。本文講述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的故障診斷流程，并詳細(xì)分析了汽輪機(jī)通流部分可能存在的故障類型，如壓力級(jí)故障、軸封磨損故障以及調(diào)節(jié)級(jí)故障等，進(jìn)而提出現(xiàn)場(chǎng)勘查、對(duì)比熱力學(xué)參數(shù)以及對(duì)比通流部分工作效率的方式來(lái)判斷其故障類型。通過(guò)模型或者函數(shù)計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，人們可以預(yù)測(cè)故障產(chǎn)生的部分以及類型，故障診斷算法還包括模糊推理以及遺傳算法等，因此本文的研究依舊存在缺陷，此類算法有待日后進(jìn)一步研究，以便更加精確地判斷汽輪機(jī)出現(xiàn)的故障。