可視化汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

上海華電奉賢熱電有限公司 臧旭東 楊元琴 奚邱炎 金瀚濛 潘曉磊 北京必可測(cè)科技股份有限公司 夏明煒

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)作為一種先進(jìn)的發(fā)電技術(shù)，具有熱效率高、能源消耗少、機(jī)組運(yùn)行靈活、啟停方便快速、投資省且建設(shè)周期短等特點(diǎn)，由于使用天然氣作為燃料，污染物少，還能滿足環(huán)保要求、環(huán)境效益好，是當(dāng)今世界上最受青睞的發(fā)電技術(shù)之一，將在電力行業(yè)中日益得到重視和發(fā)展。汽輪機(jī)是燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的重要組成部分，是非常核心的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障，如不能及時(shí)獲取有效信息，快速制定處理方案予以解決，會(huì)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行效率造成影響，使企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能會(huì)對(duì)操作人員的人身造成傷害，嚴(yán)重者有可能威脅人員的生命安全。

1 汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)技術(shù)研究從20世紀(jì)50年代初起步，經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，不論是大機(jī)組振動(dòng)監(jiān)控、振動(dòng)分析儀表制造，還是振動(dòng)故障診斷、轉(zhuǎn)子和軸系平衡、振動(dòng)事故分析技術(shù)水平等方面，都不同程度地步入國(guó)際先進(jìn)行列，某些方面甚至超過(guò)國(guó)外先進(jìn)水平。反映實(shí)用振動(dòng)技術(shù)水平的振動(dòng)故障診斷準(zhǔn)確率和軸系平衡機(jī)組啟停次數(shù)，若采用正向推理診斷，其準(zhǔn)確率可達(dá)80‰以上[1]。

美國(guó)在航空航天領(lǐng)域積累了豐富的故障診斷經(jīng)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上率先針對(duì)汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)展開(kāi)了較為深入的研究，成為最早從事汽輪機(jī)故障診斷研究的國(guó)家之一，一些相關(guān)的研究院所及企業(yè)如Bently、EPRI、BEI 等相繼開(kāi)發(fā)了各自的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，許多方面都處于世界領(lǐng)先水平。其他發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家如德、日、英、法等國(guó)的一些公司也投入了大量的人力和物力，對(duì)汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)進(jìn)行了多方面的探索，如德國(guó)Siemens、瑞士ABB 也相繼推出了許多具有實(shí)際工程價(jià)值的汽輪機(jī)故障診斷系統(tǒng)[2]。

汽輪機(jī)故障根據(jù)其過(guò)程主要可分為漸發(fā)型和突發(fā)型兩大類(lèi)。漸發(fā)型故障是伴隨著壓力/溫度參數(shù)、振動(dòng)信號(hào)的變化而形成的，是一種過(guò)程累積產(chǎn)生的故障，會(huì)出現(xiàn)例如結(jié)垢、擦碰磨損、部件變形等現(xiàn)象，造成機(jī)組內(nèi)效率下降、部件損傷及運(yùn)行惡化等狀況；突發(fā)型故障是伴隨著汽輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中突然發(fā)生不可控的變化產(chǎn)生的，主要有閥桿斷裂、葉片斷裂、軸瓦燒毀等故障，此類(lèi)故障對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行影響極大，如沒(méi)有及時(shí)預(yù)測(cè)并得到妥善處理，將會(huì)引發(fā)重大事故[3]。

目前汽輪機(jī)軸系監(jiān)測(cè)主要集中于振動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)(TSI)和振動(dòng)分析故障診斷系統(tǒng)(TDM)兩方面。振動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)可對(duì)機(jī)組的運(yùn)行起到基本的監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)作用，根據(jù)振幅大小簡(jiǎn)單地確定機(jī)組的振動(dòng)狀態(tài)，在出現(xiàn)危險(xiǎn)振動(dòng)時(shí)可觸發(fā)停機(jī)信號(hào)，但缺少對(duì)機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)的深入挖掘。振動(dòng)分析故障診斷系統(tǒng)的主要作用在于提供振動(dòng)的波形與頻譜，相關(guān)的倍頻、幅值、相位及轉(zhuǎn)速等各類(lèi)故障特征數(shù)據(jù)，并有越來(lái)越復(fù)雜化的趨勢(shì)。由于振動(dòng)信號(hào)分析涉及的領(lǐng)域眾多，具有非常強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性，現(xiàn)場(chǎng)人員難以掌握，外部專(zhuān)家依賴(lài)性強(qiáng)，對(duì)突發(fā)性故障的處理時(shí)效性差。特別是對(duì)于振動(dòng)幅值變化不明顯的振動(dòng)故障系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別，運(yùn)行人員不能識(shí)別初期故障，導(dǎo)致故障擴(kuò)大化。

2 可視化汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)建設(shè)由智能采集單元（下位機(jī)）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與應(yīng)用單元（上位機(jī)）、數(shù)據(jù)分析軟件及專(zhuān)家自動(dòng)診斷知識(shí)庫(kù)組成，并從TSI 的緩沖輸出采集振動(dòng)和鍵相信號(hào)。下位機(jī)不進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊上傳并保存到上位機(jī)中，在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看及自動(dòng)分析診斷（圖1）。下位機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，能根據(jù)機(jī)組實(shí)際監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行靈活配置。融入至數(shù)字化虛擬檢修系統(tǒng)，將設(shè)備數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與虛擬檢修進(jìn)行一體化平臺(tái)部署及集成應(yīng)用。結(jié)合數(shù)字化虛擬檢修平臺(tái)中構(gòu)建的汽輪機(jī)三維模型，以全面精細(xì)的透視化效果在系統(tǒng)監(jiān)控界面展示機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況及運(yùn)行指導(dǎo)建議，將難以理解的時(shí)頻分析結(jié)果直接與機(jī)組的狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)，與設(shè)備三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以可視化形式自動(dòng)推送，讓管理人員快速、直觀的掌握設(shè)備健康狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)示意圖

2.2 可視化動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)軸系之間各動(dòng)靜間隙的計(jì)算，結(jié)合三維可視化模型直觀展示軸承各間隙的變化。結(jié)合機(jī)組的振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，以測(cè)得最小間隙與對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)間隙的比對(duì)自動(dòng)識(shí)態(tài)，真實(shí)反映轉(zhuǎn)子在軸承中的坐標(biāo)位置，實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)子的頂起高度與軸承油膜厚度，應(yīng)用不同顏色進(jìn)行劃分，代表設(shè)備的運(yùn)行健康狀態(tài)?？捎行蕹穹?jì)算時(shí)直流部分的影響，防止誤報(bào)和漏報(bào)。系統(tǒng)以監(jiān)視圖、棒表、數(shù)據(jù)表格、曲線等方式實(shí)時(shí)顯示所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，自動(dòng)識(shí)別盤(pán)車(chē)、升降速、定速、帶負(fù)荷和正常運(yùn)行等狀態(tài)。

2.3 故障自動(dòng)診斷

建立汽輪機(jī)故障專(zhuān)家診斷知識(shí)庫(kù)，構(gòu)建智能故障診斷及評(píng)估體系。根據(jù)故障機(jī)理和現(xiàn)場(chǎng)診斷經(jīng)驗(yàn)，分析汽輪發(fā)電機(jī)組常見(jiàn)振動(dòng)故障存在的充要條件，建立汽輪機(jī)振動(dòng)故障模型，通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)的全面分析，根據(jù)通頻振幅和各頻段振幅、相位的大小和變化趨勢(shì)，自動(dòng)識(shí)別信號(hào)特征，依靠信號(hào)分析結(jié)果嚴(yán)格區(qū)分不同類(lèi)型不同性質(zhì)的故障，自動(dòng)計(jì)算常見(jiàn)振動(dòng)故障的可信度，準(zhǔn)確分析汽輪發(fā)電機(jī)組常見(jiàn)的質(zhì)量不平衡、動(dòng)靜摩擦、不對(duì)中、大軸彎曲、汽流激振、油膜渦動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)部件飛脫和松動(dòng)等故障。實(shí)現(xiàn)故障的定位，結(jié)合影響故障的因素，將故障嚴(yán)重程度和變化趨勢(shì)結(jié)合三維可視化監(jiān)測(cè)直觀顯示出來(lái)。

能夠通過(guò)在線監(jiān)測(cè)畫(huà)面調(diào)閱任意位置測(cè)點(diǎn)的各種波形、頻譜的實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)圖形，查看分析各類(lèi)采集數(shù)據(jù)及趨勢(shì)分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行人工分析診斷。包括時(shí)域分析（波形、軸心軌跡、軸心位置）、頻域分析（頻譜、相位、瀑布圖）、變速分析（波特圖、極坐標(biāo)圖、級(jí)聯(lián)圖）、趨勢(shì)分析和相關(guān)趨勢(shì)分析等。

2.4 可視化運(yùn)行指導(dǎo)

根據(jù)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷、轉(zhuǎn)速及對(duì)應(yīng)的振動(dòng)、溫度等正負(fù)、左右相關(guān)性數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系，經(jīng)由專(zhuān)家診斷系統(tǒng)診斷規(guī)則進(jìn)行篩選、甄別并賦給，自動(dòng)給予機(jī)組啟停及運(yùn)維建議，爭(zhēng)取極熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)間，縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間。在機(jī)組振動(dòng)故障狀態(tài)下，根據(jù)發(fā)生的原因不同，針對(duì)性的提出處理意見(jiàn)，減少不必要的檢修和停機(jī)時(shí)間。當(dāng)機(jī)組遇到動(dòng)靜碰摩、振動(dòng)超標(biāo)、脹差超標(biāo)、軸瓦金屬溫度超標(biāo)等情況，處于極端事故邊緣但不具備停機(jī)檢修條件時(shí)，自動(dòng)提出科學(xué)合理的解決方案，減少停機(jī)時(shí)間。

2.5 設(shè)備故障與虛擬檢修觸發(fā)

關(guān)聯(lián)采集SIS 系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將報(bào)警數(shù)據(jù)推送至系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)于異常數(shù)據(jù)可觸發(fā)進(jìn)一步的巡檢和檢修任務(wù)建議。與巡、點(diǎn)檢系統(tǒng)和精密診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)，讀取點(diǎn)檢系統(tǒng)和精密診斷系統(tǒng)的各類(lèi)圖譜數(shù)據(jù)，對(duì)于異常數(shù)據(jù)系統(tǒng)可自動(dòng)生成虛擬檢修的3D 維修方案建議。以三維可視化方式展現(xiàn)啟停機(jī)的典型故障，將故障點(diǎn)、產(chǎn)生原因和處理方法結(jié)合三維模型的位置進(jìn)行表現(xiàn)。根據(jù)設(shè)備關(guān)鍵字、故障類(lèi)型、專(zhuān)業(yè)等方式，進(jìn)行典型故障的智能檢索。在三維場(chǎng)景中標(biāo)識(shí)故障點(diǎn)，準(zhǔn)確了解故障發(fā)生的部位，并進(jìn)一步查看故障具體現(xiàn)象和產(chǎn)生原因。