火電廠燃機故障診斷及運行維護技術分析

吳玉進

（中國能源建設集團安徽電力建設第二工程有限公司，安徽 合肥 230000）

近年來，隨著社會的發展和經濟的進步，我國對能源方面的需求也越來越大，由于我國石油、煤炭資源匱乏，在這種情況下，開始大力開發利用天然氣作為能源。而在使用天然氣方面，火力發電是一種非常經濟、高效的發電方式。它以煤炭等燃燒過程中所釋放出來的熱能作為主要的動力來源。燃機以其具有較高效率和安全性等優勢而廣泛應用于火電廠中。在火電廠中，燃機機組是一個非常重要的組成部分，因為燃機機組設備由于長期暴露在外界環境下很容易產生一些故障或問題。為了能夠對燃機運行情況進行及時監控與了解，需要采取一些措施對燃機運行系統進行診斷分析，以此確定其運行狀態是否正常。

1 火電廠燃機高溫部件的故障原因

1.1 燃機部件的熱疲勞

燃機部件的熱疲勞是指在運行的過程中，燃機在不斷運行，但是其內部的高溫部件并沒有發生變化，隨著時間的推移，部件也會產生熱疲勞。如果部件中的某一部分發生了熱疲勞，該部位就會出現故障。燃機是一個非常復雜的系統，它涉及很多個零部件，所以在運行過程中可能會產生故障。如果每個零部件都存在故障現象的話，那么整體系統就會出現問題。從燃機的結構上來講，它主要由燃料、空氣、燃氣等組成，這和普通機械結構有著很大的不同，因此在運行過程中很容易出現故障。燃機部件的熱疲勞主要與內燃機工作過程相關，但其熱疲勞是無法避免的。燃氣渦輪在運轉時，要經過起動、加速、加載、停止等幾個階段。在此過程中，由于溫度的改變，會給發動機各部分造成不同程度的損傷，尤其是對高溫零件的使用，應選用適當的起動程序，以使其緩慢加熱或冷卻，以保護高溫零件。比如，燃氣輪機葉片也屬于高溫部件，因此在點火起動和加載時，特別要注意到溫度的變化，由于葉緣受到進口端的影響，使葉片的溫度迅速上升，而葉片的其他部分則會產生熱應力，使葉片其他部分收縮，過快會造成葉片的損傷，而且在停止運轉時，由于熱應力的作用，會造成葉片部件的損傷，從而使渦輪葉片開裂。

1.2 燃機部件的蠕變

蠕變是指在應力的作用下，材料或構件發生的塑性變形和斷裂，也稱為微觀應變。在熱應力作用下，材料的蠕變現象主要表現為疲勞、蠕變斷裂等，而在機械應力作用下，材料的蠕變主要表現為塑性變形。當金屬材料經過一定時間后，會出現蠕變現象，也就是所說的蠕變，這種現象屬于一個逐漸積累過程。而在內燃機高溫部件長時間運行的過程中，高溫部件會緩慢地產生基體蠕動。而且長期在高溫下工作，會使基體組織的晶界變得更加脆弱，從而使其抗蠕變能力不斷減弱，最終產生塑性變形，從而對發動機的性能造成嚴重的影響。

1.3 燃機部件的氧化和腐蝕

燃機高溫部件長期運行在高溫環境下，會對燃機高溫部件造成一定的氧化和腐蝕，導致燃氣輪機高溫部件的性能下降，產生故障，威脅火電廠的安全運行。例如，在燃氣燃燒的過程中，燃燒產生了大量的CO2,它在高壓下與空氣發生反應生成了CO2氣體和水蒸氣等物質。這些物質都會對燃氣蒸汽機組造成一定的影響。燃機內部溫度一般都比較高，在這種環境下污染物很容易被氧化和腐蝕。并且燃機內部是封閉的結構，氧化和腐蝕會加速燃燒反應進程，使燃機無法正常工作，造成嚴重損失；另外，如果環境濕度過大、溫度過高等情況下也會產生氧化膜，進一步對燃機高溫部件造成嚴重損傷。

2 火電廠燃機故障診斷方法

2.1 專家系統的診斷方法

在專家系統中，故障診斷主要是依據經驗、知識以及理論基礎來進行，然后根據已有的知識和經驗對故障進行診斷。在這種情況下，專家系統要對實際操作過程中的設備的故障類型和原因進行分析，然后根據收集的具體資料，確定具體的診斷方式。對于燃氣輪機這種復雜的系統，其中涉及多種元件和多種現象，因此這種情況下專家系統必須要有良好的知識結構，這樣才能在故障診斷時做出正確的判斷。在燃機出現故障時，所產生的數據資料都是經過專家系統處理后所得到的數據資料，然后根據這些數據資料來判斷是否存在相應的問題以及可以采取哪些有效措施來解決該問題。

通常專家系統是由知識、模型、推理機制等部分組成的，同時在結構方面還包括知識庫和數據庫。在專家系統中，有一項重要的技術就是推理機制，知識、模型和推理機制都是相互聯系的，其中知識可以分為兩種：一種是顯性知識，另一種則是隱性知識。在進行故障診斷時通常會利用隱性知識和顯性知識來實現故障診斷。

根據不同的故障類型以及故障原因所表現出的不同癥狀來進行分類，一般情況下，會把常見故障分為2大類：設備不能正常運行、設備運行出現異?，F象。利用這三大類來進行維修，同時還可以用大量的數據來判斷故障發生的原因。

2.2 神經網絡診斷方法

神經網絡診斷方法是一種黑箱方法，這種方法是用神經網絡的方法進行故障診斷，其中神經網絡技術主要是由遺傳算法、模擬退火算法、神經網絡和遺傳算法等這些方法組成的。神經網絡診斷方法的特點可以總結為以下幾點：（1）網絡具有記憶功能，即網絡可以記憶一段時間內發生過的故障征兆；（2）通過建立神經網絡的模型，網絡具有良好的容錯能力；（3）根據某一故障征兆是否發生來決定是否啟動故障診斷程序；（4）在進行故障診斷時，不需要復雜計算，只要給出該故障征兆與故障源之間的關系，然后根據其關系來確定具體的診斷方式和步驟；（5）可以對多種類型及程度和參數范圍進行有效識別。

神經網絡診斷方法具有學習能力，能夠自動地從大量數據中獲取知識。神經網絡具有很強的自學習能力，即可以從已經獲得的信息中提取有用的知識，而且還能夠自行訓練網絡。在應用神經網絡進行故障診斷時，根據燃機實際情況選取合適的參數作為輸入樣本，然后訓練網絡從而獲得良好的效果。

在實際應用中，神經網絡診斷方法還可以對數據進行有效處理，這一特點是它獨有的優點。并且神經網絡診斷方法還具有很強的自學習能力、自適應能力以及聯想能力等優點，其中聯想能力是它最大的特點。因此，它可以將提取的知識進行有效利用，為故障診斷提供有利條件。

2.3 混合智能故障診斷方法

混合智能故障診斷方法是以上兩種方法的結合，是由上述兩種方法結合而成的一種新的故障診斷技術。這種診斷方法能夠將專家經驗與神經網絡相結合，從而彌補了以上兩種方法各自存在的不足之處，同時還能充分利用專家經驗知識與神經網絡相結合而得到的智能判斷，因此在判斷精度上也要比前兩種診斷技術更高。在實際工作中，火電廠燃機出現故障時，其故障特征與專家經驗知識相結合對故障進行分析。這種方式不需要先了解故障發生前產生的情況，而是將已有的專家知識和經驗知識合理利用到判斷過程中，通過綜合判斷來得出結論。

燃機故障的特點是具有復雜性、多樣性和不確定性等，這就要求診斷人員不僅要掌握大量的專業知識，還要具備較強的邏輯思維能力和創新思維。同時，由于診斷過程中具有一定的主觀性和不規范性，這就要求診斷人員必須對各種因素進行綜合分析，然后對數據進行深入分析，并將分析結果用來指導燃機故障診斷工作。通過這種方式，可以有效減少人為因素干擾對診斷結果的影響，提高故障診斷的準確性。例如，某火電廠燃機出現故障時，工作人員首先要對設備狀況進行深入了解和掌握。隨后要根據現場具體情況制定出解決措施，并在現場試驗驗證是否有效。

3 燃機高溫部件的運行維護技術

3.1 內窺鏡檢查

內窺鏡是一種利用攝像頭進行觀察的儀器，能夠直接觀察到內部物體，并且通過對不同角度的光線進行反射來觀察物體。內窺鏡具有安全性能高、檢查速度快、經濟實惠等特點，因此在實際工作中得到了廣泛的應用。通過使用內窺鏡檢測燃機高溫部件，能夠準確地判斷出高溫部件的運行狀態，同時也能夠查看出高溫部件是否出現了磨損、裂紋等情況，從而有利于燃機工作效率的提高。內窺鏡主要用于對燃機葉片及汽輪機進行檢查以及維護中，其原理是將特殊設計的攝像鏡頭對葉片和汽輪機內部進行觀察，通過處理后輸出圖像并獲取相關數據，而后再依據檢驗結果，制定科學合理的檢修方案，并有針對性地進行維修或更換新的設備。該方法可為燃機的檢測提供良好的基礎，并可減少檢驗費用。

3.2 在線運行參數監測

燃機高溫部件的在線檢測主要是通過分析燃氣中分散度、溫度以及振動等數據，從而了解部件的運行情況。通過這種方式，能夠發現高溫部件的狀態是否存在問題。通過測量分散度能夠了解燃氣是否均勻地燃燒，并且對火焰溫度以及燃氣燃燒的氣體流量進行測量，從而得知燃氣是否存在不均勻的現象，從而幫助我們更好地判斷燃氣是否存在問題。除此之外，對燃機的振動數據進行分析可以發現燃料和燃燒室的位置關系，并且能夠了解整個燃機系統是否處于正常運行狀態。通過這些方式可以發現高溫部件存在的問題，并且針對問題進行維修或者是更換。

在檢測后，還需要對燃機的運行狀況進行分析，從而判斷高溫部件是否存在問題。在線監測設備主要是指在設備運行的過程中，通過對高溫部件進行相關參數的檢測，并且將采集的數據傳輸到主機上。在主機中對其進行相關處理，這樣就可以進行詳細的分析和研究，并且能夠保證數據都處于正常的狀態下。在檢測過程中需要對兩個方面進行重點監測，首先，是要對溫度數據進行監測。通過這種方式可以了解燃氣是否燃燒充分，如果沒有將燃氣燃燒完全就會造成能源浪費。另外則是要對燃氣輪機運行狀況作出相應的分析，這其中需要注意收集高溫部件和燃氣相關數據以及燃氣輪機的運行狀態。

3.3 金屬監督

燃機高溫部件的金屬質量監測分為破壞性監測及非破壞性監測，破壞性監測是指用肉眼或者紅外熱成像儀器進行檢查，一般發生在高溫部件的表面缺陷及裂紋。根據金屬質量監測的部位及程度來確定其監測的范圍，并且對需要進行檢驗的部位采取相應的檢測手段，是保證檢驗質量和精度的必要手段。在一般情況下，對燃機部件表面缺陷和裂紋采用無損檢測。無損檢測有超聲波探傷、磁粉探傷、滲透熱處理等。無損檢測可以提高設備工作的可靠性和減少故障停機時間，滿足機組長周期運行和安全可靠運行要求。其將能夠在產品缺陷的基礎上分析缺陷產生的原因，并且根據原因提出整改意見，使產品更加安全可靠。

目前，國內對燃氣輪機葉片的檢測方法有超聲波檢測、磁粉檢測、滲透熱處理等。超聲波檢測方法主要包括兩種：一種是穿透法，適用于缺陷不超過1mm 的零件；另一種是表面聲波技術，適用于缺陷較深的零件。磁粉探傷主要用于觀察局部腐蝕和夾雜等缺陷。滲透熱處理主要用于長裂紋、內部夾雜、表面裂紋及材料性能不均勻等情況的檢測。

燃氣輪機故障診斷系統是一套系統，對整個燃機系統進行綜合分析，得出故障發生的原因和規律。燃氣輪機故障診斷系統是一個復雜的系統，它涉及各種學科技術知識，例如，信號采集和處理、統計分析及決策理論等。燃氣輪機故障診斷系統由許多傳感器、信號檢測、處理和傳輸網絡組成。它為燃機提供了強大的數據處理能力，同時為專家診斷系統提供了強大的數據庫存儲功能。

4 結語

總而言之，火電廠燃機的安全、穩定運行直接關系到火電廠發電效率和經濟效益的提高。由此可見，將有必要在了解燃機運行過程中可能發生的故障原因和規律的基礎上進行分析，對燃機機組運行進行優化。只有這樣，才能從根本上保障火電廠安全、高效地運行。未來還需要進一步完善燃機故障診斷技術以及對燃機運行維護技術的研究，從而為燃機在火電廠中得到更好的應用提供理論指導。