汽輪機防進水在線監測與故障智能預警系統

華電湖北襄陽發電有限公司 北京必可測科技股份有限公司 王平波 張海 吳幼文 王波 劉磊

1 前言

汽輪機作為火電廠運營關鍵設備之一，長期工作在高溫、高壓蒸汽環境中，是高轉速重型設備。一旦發生汽輪機進水或冷汽，由于高溫金屬部件遇冷急劇收縮，導致熱變形，引起轉子彎曲、動靜間隙消失等，將造成機組強烈振動、跳機甚至嚴重的設備損壞。

結合國內外《DL/T834-2003火力發電廠汽輪機防進水和冷蒸汽導則》、《火力發電廠汽輪機防進水和冷蒸汽措施》、《ASMETDP-1-2006發電用蒸汽輪機防水損壞的推薦實施規程（美國標準）》和汽輪發電機組振動故障診斷規則，深入分析汽輪機進水的原因，以及汽輪機進水后產生的振動特征，開發出一套能夠識別進水或冷汽特征故障智能預警系統，進而提供處置建議和方法，對于汽輪機組乃至電網的安全穩定運行具有重要的意義和價值。

2 火電廠汽輪機防進水DCS保護設計

汽輪機運行規程對預防進水事故有較為嚴格的規定，例如，當主、再熱蒸汽溫度10分鐘內急劇下降達50℃以上時，應立即停機；主機ETS中規定主汽閥入口汽溫低跳機（按蒸汽過熱度函數曲線圖，調節壓力壓力三取中，調節壓力壓力大于1兆帕保護才有效）

1 5 13 16 18 20.5 455 465 523 542 542 540 440 450 510 530 530 520

某超超臨界機組，主汽壓23兆帕，主汽溫下降60℃/10分鐘；再熱汽壓3.7兆帕，再熱汽溫下降20℃/10分鐘。按照規定，主汽溫下降速率已經超過規定值，應采取打閘停機措施。參照DL/T834-2003《火力發電廠汽輪機防進水和冷蒸汽導則》5.7.1規定（在額定轉速或者帶負荷運行時，汽輪機發生進水，主要控制指標振動、差脹、推力、推力瓦溫度突然超過制造廠規定的允許限值時，應立即停機，迅速找出并切斷水源）。

現場遇到這樣的工況，參照導則規定，還需要綜合整機工況，結合汽輪機振動、汽輪機上下缸溫差、推力瓦溫、水煤比、中間點溫度等參數綜合判斷，并不能直接打閘，必須根據實際情況采取合理措施。但由于事故現場運行人員的主觀因素，很難深刻掌握“10分鐘”和“50℃”這些技術指標，同時要在短時間內查閱和綜合分析大量的關聯參數，及時得出汽輪機進水結論也比較困難。

3 早期大型汽輪機組防進水保護監測診斷系統

大型汽輪機組防進水保護監測診斷系統的研制，包括：專家系統設計和硬件設計，其中專家系統的設計：根據用戶提供的數據、信息，運用診斷系統中存儲的專家經驗或知識進行推理判斷，最后得出汽輪機是否進水的結論供電廠運行人員決策之用。

該系統功能構成由以下幾部分組成：知識庫、推理機、綜合數據庫、解釋接口和知識獲取模塊。圖2為汽輪機防進水在線監測診斷專家系統的功能結構圖。

圖1 主蒸汽系統正常或啟停運行工況防進水診斷邏輯圖

知識庫是專家系統的核心之一，主要功能是存儲和管理汽輪機進水后應指導運行人員緊急處理的知識，它包括存在的事實、判斷條件、遵守的規則、經驗以及數學模型。

推理機是一組計算機程序，主要起到在知識之間進行邏輯推理及知識庫匹配，并決定控制過程策略的作用。

綜合數據庫是專家系統中用于存放反映系統當前汽輪機狀態的實時數據。

知識獲取模塊是將專家系統汽輪機運行應遵守的運行規則和專家所掌握的特有經驗性知識轉化為計算機可以利用的形式并送入知識庫功能模塊。

硬件設計：采用“工控機+測量前端”的形式。信號處理、邏輯運算、畫面顯示等功能由工控機實現，而溫度、壓力、功率、轉速等信號的采集由測量前端實現。圖3為系統硬件結構示意圖。

現有技術的缺點：

用于汽輪機進水判斷邏輯僅考慮溫度單參數變化，診斷規則缺乏合理且符合現場設備實際情況的全面性考慮，容易發生誤診斷；

溫度、壓力、功率、轉速等信號的采集需要通過新增硬件設備才能實現，實施環節繁瑣。

4 汽輪機防進水在線監測與故障智能預警系統

與汽輪機相關的蒸汽系統主要有鍋爐及主蒸汽系統、再熱蒸汽系統、軸封系統、凝汽器真空系統及回熱抽汽系統，任一系統進水或冷蒸汽皆有可能造成汽輪機進水。由于涉及制造、安裝、檢修和運行等諸多環節，設備和熱力系統出現故障，造成汽輪機進水故障風險依舊存在。

圖2 汽輪機防進水保護監測診斷系統功能結構圖

圖3 汽輪機防進水保護在線監測診斷系統硬件結構示意圖

4.1 汽輪機進水通常有以下現象

高中壓缸上、下缸溫差明顯增大，或增大趨勢加快。正常情況下，高中壓缸上、下缸溫差都應該在42℃之內，同時差值的變化速率一般會小于5℃/分鐘，因此在運行人員監盤時要時刻注意這兩個限制，如果超出就應該考慮是汽輪機進水了。

主、再熱蒸汽溫度突降，過熱度減小。主汽溫度和再熱蒸汽溫度過熱度都要大于50℃，同時主蒸汽溫度下降速率應該小于5℃/分鐘，同時還要注意，機側主蒸汽溫度不得低于爐側10℃等。

汽輪機振動增大。當汽輪機進水時，因處于運行中的汽輪機金屬溫度很高，這些金屬部件遇冷后發生劇烈收縮，從而導致熱變形，導致轉子熱彎曲甚至動靜部件碰磨故障，引起機組強烈振動。

前兩個現象主要體現在汽輪機本體相關系統溫度參數變化特征，在火電廠汽輪機防進水DCS保護設計和早期汽輪機防進水在線系統中均已設計，對于第三條中碰磨故障判斷，需要專業的振動數據（包括幅值、相位、頻率，相關波形、趨勢信息）分析才能準確診斷。

圖4 基本結構圖

汽輪機防進水在線監測與故障智能預警系統，基于必可測公司《BCT101汽輪發電機組軸系可視化智能運行實時監控系統》的專利技術基礎上進行的技術創新，該系統分析汽輪機進水/冷汽各類型故障主要因素，逐一提取各個因素、各個環節參數、初期特征，初期發生的判據，當判據充分時則發出報警，提示運行人員按照所提供的建議進行故障處理。該系統的結構框架如圖4所示。

通過SIS系統實時數據庫與B/S版BCT101系統數據庫數據通訊對接，將對象層的汽輪機各類運行參數和振動數據，引入到參數分析系統，轉換為計算機語言，通過特征分離提取系統進行不同位置和不同性質的故障特征分，將典型故障特征在故障評判系統中進行判斷，若符合故障發生條件，則輸出信號通知運行人員，同時根據各類型的故障特征給出處置建議。

4.2 故障特征分析模塊

該模塊是對汽輪機組進水或冷汽實現預警的基礎，是研究的核心目標。本模塊將根據汽輪機側不同設備、不同位置處熱電偶測點各時刻的溫度變化率和對應轉軸振動變化特征作為輸入，通過數學計算和變換形成故障特征，并對比專家系統數據進行評判，做定性和定量分析。

4.3 故障處置建議模塊

基于故障診斷結果，結合汽輪機組運行狀態和進水、冷汽的原因進行分析，提出具有針對性的故障處置建議。

4.4 用戶輸出端口

人機友好界面的開發。

圖5 汽輪機防進水在線監測與故障智能預警系統邏輯圖1

圖6 汽輪機防進水在線監測與故障智能預警系統邏輯圖2

4.5 邏輯控制

汽輪機進水故障多發生在機組啟停、負荷大幅度變化這些非穩定工況下，根據汽輪機進水/冷汽特征量進行邏輯組態，以最先能反映特征量的作為預警先導。以主蒸汽帶水診斷邏輯和一段抽汽管道積水為例，邏輯圖如圖5、圖6所示。

綠色表示汽輪發電機組工藝量參數，數據來源電廠SIS系統。

紫色表示汽輪發電機組振動量參數，數據來源于必可測公司BCT101系統。

棕色表示計算量，在計算引擎模塊配置計算公式，實時計算工藝量和振動量變化速率。

參照以上邏輯組態，其一考慮汽輪機相關系統，包括鍋爐及主蒸汽系統、再熱蒸汽系統、軸封系統、凝汽器真空系統及回熱抽汽系統。根據各個系統特點，配置所需的工藝量、振動量、計算量和進水或冷汽故障預警診斷規則；其二考慮在不同的工況下（汽輪機升降速階段或汽輪機在額定轉速或者帶負荷階段），同一系統、相同的工藝量和振動量變化特征，應采取不同的處置措施。

結合上述兩方面因素，靈活配置不同系統多種工況下的預警診斷邏輯規則，若某一部位的特征量達到限制，則以時間為基準優先給出進水或冷汽部位，并根據預警系統提供的故障處置數據庫給出具有針對性的建議。

該系統輸出在B/S版BCT101系統界面展示，提醒運行人員，并在屏幕上形象的顯示出進水部位和目前危害程度，保證工作人員能有足夠的時間予以控制。

5 小結

汽輪機進水事故，輕則發生動靜碰磨，振動惡化；重則造成汽輪機轉子永久彎曲，設備報廢，及時智能預警汽輪機進水故障，可有效降低機組非停次數，預防惡性事故發生，提高設備可靠度，延長設備壽命，為電廠和社會帶來巨大的經濟效益。

[1]國電熱工研究院，DL/T834-2003火力發電廠汽輪機防進水和冷蒸汽導則[S]北京：中國電力出版社.

[2]張建玲，劉武林，黃丕維.大型汽輪機組防進水保護監測診斷系統的研制[J].自動化博覽.

[3]歐陽宏.300MW汽輪機組防進水在線監測及診斷系統的研制[D].武漢大學.

[4]衛國濤，郭玉杰，譚士森.大型汽輪機進水事故的調查分析[J].河南電力.