超超臨界汽輪機組軸系穩定性評估與風險預警系統研究

宗緒東 周寬 王新

摘 要：軸系穩定性對汽輪機安全性至關重要，一旦失常輕則造成機組跳閘，嚴重的可導致動靜摩擦、大軸彎曲等惡性事故。該文分析了現有運行監控系統的不足，對穩定性評估、風險預警方法進行了研究，制定了評估、預警模型，開發了軸系穩定性評估與風險預警系統。實踐表明，該系統投入運行后能夠準確評估并超前預警，從而保證汽輪機組運行安全。

關鍵詞：軸系穩定性；風險預警；診斷模型

中圖分類號：TK12 文獻標志碼：A

汽輪機是火力發電廠最重要的設備之一，而軸系穩定性直接影響汽輪機運行安全。軸系穩定性是汽輪機設備中最關鍵、最難于分析的運行狀態，其中與軸系動力系統運行狀態相關的數據更是很難獲取。近年來國內600 MW以上超超臨界機組由于主油箱油位監視不當、軸承負載不均衡等原因發生過多起斷油化瓦、大軸彎曲等事故，造成了較大的經濟損失。

為了提高汽輪機組運行安全性，我們根據多年來汽輪機運行經驗及事故教訓，結合華電集團某公司申報的2018年科技項目，研制和開發了“汽輪機軸系穩定性評估與風險預警系統”，并在某660 MW超超臨界機組進行了應用。該系統能夠實現集中、全面的監控；通過對汽輪機有關設備的設計值、特征值、經驗值等進行數據統計，對造成軸系不穩定的原因進行分析，形成軸系穩定性評估操作指導；制定生成規則庫，對停機、超速險、大軸斷裂及損壞、大軸彎曲、軸瓦損壞等風險進行分析，形成預警體系。

1 現有系統軸系穩定性評估及風險預警不足

目前火力發電廠在機組DCS微機中監視軸承振動、軸承溫度、汽缸軸向位移、脹差、上下缸溫差等參數，參數超限發出報警。系統主要存在以下問題。

1.1 監控畫面分散，不利運行監控

現有DCS微機中軸系穩定性參數分布在不同的監控畫面中，需要進行切換，無法實現集中監控，運行人員監控操作不方便。

1.2 監測測點不全，存在監控盲區

現有測點中缺少高、中壓缸左右及垂直方向位移，不能全方位判斷汽缸的總體膨脹情況；缺少高、中、低壓缸軸封供汽回汽溫度測點，不能監控軸封回汽量及軸封加熱情況；缺少軸系重要參數的變化速率，不能及時預測參數的變化趨勢。

1.3 不能對軸系穩定性進行評估，無法實現風險預警

現有DCS微機中只能實現對軸系各參數的變化幅值進行報警，不能進行相關量分析及判斷，不能對軸系穩定性進行評估，無法實行軸系重大風險預警。

2 軸系穩定性評估及風險預警方法

2.1 軸系穩定性評估方法

軸系的穩定性可以通過對數衰減率或阻尼比進行表征，通過計算可以得到不同轉速、不同模態下的對數衰減率和阻尼比系數，以此來評判軸系的穩定性。該文采用部件特性+報警指標評估對軸系穩定性進行評估，能夠直觀評估軸系運行穩定性。

影響汽輪機軸系穩定性的設備分為：支撐設備（支持軸承、推力軸承）、轉子設備（主油泵轉子、高壓轉子、中壓轉子、低壓轉子、發電機轉子）、汽缸設備（高、中、低壓缸）。如果上述設備運行穩定，可以認定軸系是穩定的。

上述各設備穩定性由軸承振動、軸瓦溫度、軸向位移、脹差、汽缸膨脹和上下缸溫差等一系列指標確定。當各項指標正常，可以認定設備運行穩定。圖1為某660 MW超超臨界機組軸系穩定性故障樹評估框圖，通過對軸系穩定性設備逐層分解，找到影響穩定性的影響因素進行分析，得出穩定性評估結論，分析問題產生的原因，提出優化指導意見。

2.2 軸系風險評估方法

汽輪機軸系失穩，如分析處置不當，發展到一定程度將會給汽輪機的安全運行帶來風險，主要有2種風險：一種是機組非計劃停運風險，另一種是25項反措中所列超速、大軸斷裂及損壞、大軸彎曲、軸瓦損壞風險。前者造成機組運行可靠性變差，導致電網的非停考核，但短時間能夠恢復運行；后者會造成機組設備嚴重損壞，短時間無法投入運行，產生重大經濟損失。圖2為某660 MW超超臨界機組診斷框圖，通過對軸系各種重大風險進行分類，采用故障樹的方法逐層分析風險產生原因，自動評價風險嚴重程度，發出風險預警，提出操作指導意見供運行人員參考。

3 軸系穩定性評估及預警技術方案

隨著智能體理論和技術在維修工程各領域內的深化發展，以智能體理論為指南的綜合信息技術系統平臺成為軟件開發的重要的突破，這包括為維修工程中智能監測、智能診斷以及智能決策等環節等提供技術支持的新途徑。為了解決汽輪機軸系穩定性評估及預警等方面的技術缺陷，結合智能控制診斷及決策理論，研究了汽輪機軸系穩定性評估及風險預警方法，對汽輪機軸系影響因素進行全面監控，做出準確地分析、評估、預警。

軸系穩定性評估及風險預警系統，包括DCS服務器、測點、數據采集器和平臺服務器等，如圖3所示，技術方案如下：

（1）增加高、中壓缸左右、垂直膨脹值測點，高、中、低壓軸封回汽溫度測點，與常規測點（括軸承振動、軸承溫度、汽缸軸向位移、軸向脹差、上下缸溫差等）、事故案例等一起輸入平臺服務器。

（2）將影響軸系穩定性原因及影響因素進行關聯性分析。

（3）結合有關事故案例對軸系穩定性影響因素關聯度分析，篩選高關聯度影響因素，得到關聯度更加準確的影響因素。

（4）將高關聯度影響因素進行相似分析及模化。

（5）將相似分析及模化結果轉換軸系失穩的診斷判據。

（6）通過平臺服務器進行診斷，發布穩定性評估及風險預警，提出調整指導建議。

4 應用效果分析

某公司9號機為東方汽輪機廠生產的660 MW高效超超臨界抽凝供熱機組，于2016年投產。為了提高汽輪機軸系運行安全性，結合申報的汽輪機軸系穩定性評估與風險預警體系研究與應用科技項目，于2018年進行了系統開發。

2018年12月6日，9號機低壓軸封供汽溫度高報警，系統平臺穩定性評估模塊發出了“軸承將失穩”結果。12月7日4：06，7號、8號軸承振動逐漸增大，系統平臺風險預警模塊發出“機組將停機”預警。運行人員未能及時發現低壓軸封供汽溫度高是導致軸承振動大的原因，未采取措施對低壓軸封供汽溫度進行及時調整，只是降低了機組負荷。4：24，9號機7號、8號軸承振動上升至250 μm，汽輪機ETS保護動作，機組跳閘。經分析認為低壓軸封供汽減溫水濾網孔徑過大，運行中減溫水調節閥被異物堵塞，減溫水流量不足，低壓軸封溫度升高。由于未及時調整，導致軸封供汽溫度長期在高限運行，軸封膨脹變形、周向間隙縮小，低壓軸封齒與汽輪機轉子發生碰磨，造成軸承振動增大，保護動作跳閘。

從上述案例中發現，系統能夠正確評估軸系穩定性，對軸系重大風險實現超前預警。但由于系統投入運行時間短，聲光報警不夠醒目，且最底層原因未分析到位，未引起運行人員足夠重視，導致了事件的發生。經過改進系統診斷模型并進行針對性地培訓后，問題得到解決。

5 結論

該文分析了現有汽輪機軸系穩定性監控模式的不足；采用故障樹診斷模式，進行了軸系穩定性評估方法、風險預警方法的研究；結合事故案例等，建立了評估及預警模型，開發了汽輪機軸系穩定性評估與風險預警系統。運行案例表明，該系統評估結果準確，能夠實現超前預警和精確指導，對保證汽輪機的安全運行起到了良好的作用。

參考文獻

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