試論汽輪機組故障診斷技術現狀與發展

哈爾濱汽輪機廠有限責任公司 劉建寶

汽輪機組是工業領域的基本設備，廣泛應用于電力、石化等行業。大型汽輪機組的設計和系統不僅復雜，其機組運行條件也特殊，經常使汽輪機機組出現故障，故障的危害性和經濟損失巨大。因此，汽輪機組設備的診斷始終是一個困難的故障診斷。汽輪機廠是基礎工業廠房，廣泛應用于電氣、石化等行業，這往往會導致汽輪機發生故障、造成巨大的損壞和經濟損失。因此汽輪機故障的診斷一直是一個難題。

在機器運轉中安全非常重要。當前故障檢測的要求更高。統計數據表明，使用故障診斷系統的旋轉動力設備后事故率大大降低，可節約成本30%。伴隨著越來越精密和科學的機器和設備，汽輪機的流量部分在高壓和高溫下，以及在快速和繁重的運行條件下工作，導致自身輕微的偏差和事故。新技術的引進和使用在提高效率和確保設備安全穩定運行方面發揮著關鍵作用，傳統的檢測方式已不能滿足當前系統的故障診斷要求。

1 汽輪發電機組出現的振動故障

1.1 氣流激振

當發生氣流激振時,監測信號的頻率中會有許多小于低頻的分量。氣流激振主要是由于載荷等工藝參數的變化引起的,屬于突發性異常振動問題。產生這種異常振動的主因是葉片受到不均勻氣流的沖擊,使機組軸系振動異常,從而影響機組運行的穩定性。為判斷這一異常振動故障,需結合振動工況的監測數據,綜合分析不同載荷工況下監測數據的變化趨勢。應有效降低負荷變化率,保證汽輪發電機組能有效避開可能有氣流激振的負荷區域,防止氣流激振的異常現象發生。

1.2 軸瓦振動

汽輪發電機組軸瓦振動的原因是多方面的，一般有設計制造、安裝、運行工況等方面。汽輪發電機組在設計制造中，由于精度或裝配工藝方面的質量不足，或機組的支撐軸承選擇的不夠合理，容易使機組出現異常振動。另外，在機組的安裝過程中，工藝質量會對振動產生影響，如軸承的標高、動靜間隙等方面安裝不合理易引起異常振動。再者，機組運行中如果存在葉片斷裂會使轉子運行出現摩擦，機組負荷變化較大、潤滑油溫變化較大等原因都會使機組出現異常振動。

1.3 轉子不平衡

通常是由轉子系統質量偏心和轉子部件缺陷引起的。轉子制造過程中的制造誤差、裝配誤差和材料誤差都會影響轉子的質量，稍有不慎就會導致轉子系統的偏心質量。轉子在運行過程中經常受到各種外部因素的影響,造成腐蝕、磨損、介質、疲勞力等情況。這些因素都會造成轉子部件缺陷的問題,甚至轉子部件脫落,從而進一步加劇轉子不平衡,阻礙汽輪發電機組的安全運行,振動故障也越來越嚴重。

1.4 轉子彎曲

汽輪發電機組轉子彎曲引起的振動故障主要表現在兩個方面,一是轉子彎曲,二是轉子臨時彎曲。轉子彎曲是指轉子在運動過程中呈現彎曲狀態。造成這種現象的原因有很多。其中,轉子軸結構不合理是常見的問題,增大了汽輪發電機組在使用過程中的生產誤差。如果不及時調整轉子軸轉子就會彎曲。決定轉子臨時彎曲的直接因素是轉子軸的載荷程度,間接因素包括矩量，如果不及時調整轉子軸轉子就會彎曲。決定轉子臨時彎曲的直接因素是轉子軸的負載程度,間接因素包括多種類型,如啟動預熱時間短、轉子軸變形不均勻等問題,都會導致汽輪發電機組轉子臨時彎曲。

1.5 轉子不對中

主要是指轉子軸之間的位移現象。常見類型有平行位移、綜合位移和角位移。造成這種情況的原因主要是安裝過程中的誤差、軸承過程中的變形、機器基礎的不均勻沉降等方面。與引起汽輪發電機組振動失效的其他因素相比,轉子不對中問題的嚴重程度相對較小。但如不及時調整就會造成更嚴重的安全事故。汽輪發電機組在使用過程中容易造成聯軸器的偏轉,不僅會造成汽輪發電機組設備軸承的損壞,且會降低軸承使用壽命,還會阻礙電廠經濟建設的穩定發展。

2 故障診斷的技術和理論

系統故障為系統分析的首要事件，然后分析故障事件與每個子系統或組件之間的邏輯關系，構建故障樹。據此，分析系統故障的各種方法和可靠性特征是一種分析方法，模糊模式識別是根據故障癥狀與故障原因之間的模糊關系矩陣r，根據模糊規則計算模糊診斷向量b，B=RsX，這里σ是一個模糊算子，不同的算子對應于另一種模糊綜合評價和診斷方法[1]。

模糊聚類是將故障x的當前癥狀與該設備的歷史數據進行比較，不同的算子應對不同模糊的綜合評價和診斷方法。模糊聚類將故障x的當前癥狀與設備的歷史數據進行比較，即，即故障y的典型癥狀在歷史中各種故障的診斷和故障排除記錄中的情況并計算哪些當前故障最接近于過去診斷的故障，將其歸入一類。

圖1 故障診斷的一般流程

汽輪機碰磨故障檢測方法如下：

在氣缸體軸向的兩端安裝壓電式速度傳感器，以記錄摩擦信號等，汽缸體的固有頻率用于連續捕獲：去除缸體結構的振動加速度信號分量和所選振動信號的趨勢，然后基于傅里葉變換執行頻帶濾波器。根據信號的頻譜特性，在接近固有頻率的情況下確定帶通濾波器的上限和下限，數據保持在頻率限制內，然后執行反向傅里葉變換以獲得磁帶過濾信號，其相關性和適用性是提高診斷準確性的重要保證。

汽輪機在運行時，轉子、汽缸等動靜部件在高溫蒸汽的影響下發生熱變形。如果旋轉的高速轉子受熱不均勻且熱彎曲，則會產生較大的不平衡力，導致轉子各部分的中心從靜止中心發生較大的周期性移動，如果偏心運動大于截面的動態和靜態部件之間的間隙，則動態和靜態部件之間會發生碰撞和磨損[2]。

圖2 汽輪機碰磨示意圖

在火力發電廠的運行中，動、靜密封板、轉子軸和滑動軸承經常發生碰撞和磨損，這是一種常見的故障。部件之間的碰撞和摩擦對旋轉和缸體的影響很小。動態和靜態部件的直接影響和利用通常不會對機組的運行狀態產生直接影響。微效應磨損經常發生，結構的影響逐漸累積。它將逐漸導致結構部件的磨損和變形（如梳齒密封），嚴重情況下會導致暴露在長期沖擊下的葉片突然斷裂，并導致嚴重的二次事故，中斷機器的整個葉片，迫使公司停止計劃外的維護操作，導致重大財務損失。

3 故障診斷技術對汽輪機行業的重要性

蒸汽輪機是一種非常集中的旋轉動力。由于社會和經濟發展的需要，高參數、高性能和多樣性逐漸成為了汽輪機的主要特征，它使整個社會的生產和生活得以實現。汽輪機故障會影響機組性能，導致嚴重停電，影響供電、化學處理和其他設備正常運轉，使公司遭受巨大的經濟損失。因此，先進的診斷技術對提高汽輪機設備的安全性和經濟性具有重要作用。

故障診斷中的規則。通過收集專業診斷經驗，創建了基于規則的系統。這些經驗被描述為關于癥狀和可能缺陷的規則。這些規則用于模擬缺陷診斷過程中與專家關聯的推理過程，在診斷缺陷之前須具有足夠的規則經驗，否則無法進行診斷；如在診斷方面沒有太多經驗，當出現新情況時有可能錯過診斷。

故障診斷中的實例診斷。診斷的優點是根據以前的示例問題解決新問題，而不參考示例規則，減少信息獲取的負擔，快速解決問題。基于案例論證的基礎是創建有效的案例索引機制和案例組織；基于模糊理論的診斷模型。有兩種主要方法，一是建立故障癥狀與類型之間的因果矩陣r，然后缺陷和癥狀之間的不明確關系形成了方程式。這是一種基于模糊比和綜合算法的診斷方法

故障控制還應從以下方面著手：

控制參數。操作蒸汽輪機時，應有效監測蒸汽輪機入口溫度并定期維護加熱系統，以確保加熱系統的所有元件符合壓縮要求，并符合汽輪機使用要求，有效保證設備切換到熱交換和傳熱；項目控制汽輪機復雜，維護工作量較大；在維護期間，必須制定詳細的維護計劃并進行合理的項目檢查，以確保維護順利進行。維修必須進行科學檢查，并做好相應的核算和交接工作，避免維修和重復維修。還必須注意監控維護進度，確保完成每個現場的內容，并確保高效地進行維護[3]。

維護的質量控制和質量保證是確保維護有效性的基礎，應嚴格遵守操作要求并遵守圖紙、說明、使用說明和其他文件；安全檢查。安全是一切工作的基礎，火力發電廠應在技術上確保維護人員的安全，所有工作首先必須符合安全的基本原則。

另外，提高適應建模和充分利用其優勢和功能的能力，人工智能可以解決汽輪機工作中的實際問題。當系統以多種方式到達系統塊時，系統可在下次遇到類似問題時快速找到局部問題。人工智能模擬人腦中的思維訓練，檢查主動搜索，解釋蒸汽輪機故障的原因，并幫助專家系統提供識別蒸汽輪機故障和使用人工方法的有效指導。在專家的支持下，主動學習、研究和自我改進的智能方法在震源環境內的交互中非常有用，以提高蒸汽輪機診斷系統的準確性和完整性。

4 發展趨勢與展望

汽輪機故障診斷技術不斷改進，實施高水平渦汽輪機故障診斷技術。通過對汽輪機故障診斷技術的分析，了解故障檢修技術存在的問題，加強以下方面的研究，更好地發展汽輪機故障診斷技術。

綜合診斷。致力于汽輪機故障診斷，進行全面故障診斷，主要進行全面熱影響診斷、性能診斷、油液診斷、溫度診斷和邏輯順序診斷，實現輪機故障診斷的有效解決；知識表現、取得和系統地表現自學知識，獲取知識一直是診斷系統研究的重點，但尚未取得重大突破，仍然將是重要的研究中心[4]；實現全面檢查技術，提高汽輪機故障診斷技術；隨時進行故障機理的深入調查，推動診斷技術的發展。本研究側重于漸進性錯誤的定量表征。另一個重要方向是研究指標體系及其閾值，以評估整個系統的故障狀態。

汽輪機是發電廠正常生產電能的重要設備，其運行的安全性和穩定性對發電廠的正常運行起著十分重要的作用。但由于其自身結構的復雜性和運行環境的特殊性，汽輪機的故障經常出現，因此故障診斷技術成為汽輪機鉆研的探索的主要技術。汽輪機的高參數、高可靠性和高可用性必須不斷改進現有的故障排除方法。

汽輪機是發電廠正常發電的重要設備，其運行的安全性和穩定性對與發電廠的正常運行起著非常重要的作用。由于結構的復雜性和運行環境的特殊性，汽輪機經常發生故障。故障排除技術已成為汽輪機研究和探索的主要技術。為了最大限度地提高汽輪機故障診斷技術的準確性，需要經常對汽輪機故障診斷技術進行調查和研究，這旨在顯著提高汽輪機的安全性和可靠性，為我國的電力事業作出更大貢獻。