汽轮机调节系统故障检测及诊断技术应用分析

朱伟等

摘 要：汽轮机调节系统的运行状态直接关系到机组的安全稳定性，因此其故障检测及诊断技术具有非常重要的科学研究意义和实际工程价值。该文首先对目前的国内外调节系统故障检测及诊断技术的研究现状进行了概述，指出了未来调节系统故障检测及诊断技术研究的研究重点及发展趋势。然后对调节系统的常见故障进行分类，将故障分为软件故障和硬件故障两大类，并从调节系统组成部件的工作机理方面对可能发生的故障机理进行逐一的分析。最后，在此基础上提出了一个分层的诊断策略，这对实时快速检测和诊断调节系统故障、提高汽轮机运行的安全性具有一定的借鉴意义。

关键词：汽轮机 调节系统 故障分类 检测诊断 应用分析

中图分类号：TK243.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（b）-0064-02

汽轮机是高速旋转机械，其调节系统的运行状态直接关系到机组的安全。然而，由于调节系统设备多且复杂，许多部件长期工作于高温和高湿度等恶劣条件下，异常或故障率较高，直接影响到发电机组的安全稳定运行。国内外已发生了多起因调节系统故障导致超速毁机的恶性事故[1-2]。在正常运行中，由于调节系统故障造成负荷突变、转速波动无法并网等各种异常事例在我国多有报道。据不完全统计，汽轮机非正常停机中很大一部分是由调节系统故障引起的。并且，随着设备的大型复杂化，故障检测和诊断方法及其在此基础上发展的容错设计方法已在可靠性工程中起着日益重要的作用。

1 故障检测及诊断技术发展概述

“越限报警”是一种现在仍被广泛使用的故障检测手段。然而，随着系统的日益复杂化及对设备性能、可靠性要求的日益提高，对故障检测也提出了更精细、严格的要求（如性能监测等），许多更有效的故障检测方法不断地涌现[1]。以解析冗余为基本思路的故障检测技术是20世纪70年代初首先在美国发展起来的；MIT的Beard首先提出了用解析冗余代替硬件冗余，通过比较观测器组的输出判断传感器故障，并通过系统反馈结构重组保证故障系统稳定[2]，这是故障监测技术发展史上的一个重要里程碑。在此后的20年里，故障检测及诊断技术得到了世界范围的广泛重视，在理论研究和实际应用上都取得了丰硕的成果并不断成长。故障监测及诊断系统对于防止故障扩大、避免灾难性事故的发生及事故后的快速维修都具有重要意义，在航空航天和电力系统、冶金和石化等多个领域得到实际应用，创造了巨大的经济效益[3-6]。

国外发电机组监测与故障诊断开始研究较早，无论在理论上还是在监测仪器设备的研制生产上都达到了较高的水平[7]。如西屋公司开发的PDS过程诊断系统、法国电气研究与发展部研制的在线振动监测系统（后期发展成PSAD系统）、丹麦的B&K公司在20世纪90年代推出的COMPASS系统、日本三菱重工首先研制成的MIIMS系统（后期发展成带诊断规则描述以及采用模糊逻辑分析确定置信因素功能的振动诊断专家系统）。然而，国内早期研发的这些故障诊断系统大多主要针对的是液压机械调节系统，而且需要额外地添加许多测点。基于现有DEH测点进行的故障诊断研究目前还属于起步阶段：哈工大研制的基于Internet的汽轮机调节系统故障诊断系统、上海发电设备成套设计研制的旋转机械状态监测与诊断技术的研究、哈尔滨电工仪表研究所和清华大学等单位联合研制的200MW汽轮发电机组状态监测分析及故障诊断系统、山东电力科学研究院和清华大学等单位共同开发的大型汽轮发电机组远程在线振动监测分析与诊断网络系统都得到了实际应用验证。国内外的另一个差距还表现在应用上，这是我国今后要努力的方向[8-9]。

3 调节系统常见故障分类及机理分析

3.1 数字电液调节系统及其故障

数字电调（DEH）系统是在20世纪80年代出现的，近年来逐步转向由分散控制系统组成。从可能引起故障的角度来看，实际数字电液调节系统主要由以下几部分组成：PID控制器部分、阀门组管理部分、测速测功部分、电液伺服阀、油动机、调节汽阀[10]。因此，汽机调节系统常见故障有很多，依据发生形式可划分为：硬件故障和软件故障。

硬件故障中，依据引起故障的原因分为：

（1）液压元件卡涩：电液伺服阀，分配滑阀，油动机滑阀，阀杆卡涩。

（2）油的内泄漏：电液伺服阀内泄漏，错油门内泄漏，油动机内泄漏。

（3）油路堵塞：伺服阀滤芯、节流孔、喷嘴堵塞。

（4）数据采集、传输异常：LVDT故障，VCC卡故障，伺服卡故障，接口故障，通讯故障、其他I/O卡件及接线。

（5）电源系统异常：AC/DC电源系统故障。

软件故障中，依据引起故障的原因分为：

（1）参数设置不当：PID参数，VCC卡增益、频率。

（2）逻辑不合理：DEH控制逻辑，配气逻辑。

3.2 PID控制器及其故障

PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统，是一个工业控制应用中常见的反馈回路部件。其把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。并且，PID控制器还可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。整个控制过程是在计算机中实现，因此，通常情况下不会出现硬件方面的故障，出现的故障只能是由于參数设置不合理引起的。

3.3 阀门组管理及其故障

阀门管理是汽轮机发电机组DEH系统的重要组成部分，通过阀门管理程序可以方便地让机组运行于节流调节方式或喷嘴调节方式。阀门管理的功能是根据机组运行方式的要求确定满足流量要求的各阀流量分配，并把分配给各阀的流量信号转化为阀位指令，通过模拟输出经放大器后驱动伺服阀开启只要求开度，并能实现两种运行方式间的无扰切换及手动运行时的自动跟踪功能。由于阀门管理主要是阀门管理程序在计算机中的运行，其基本上不涉及机械液压部件，只是在计算机中实现程序运算。因此，阀门管理出现的故障只可能是阀门流量特性曲线的线性度不好等而引起的故障。

3.4 测速测功元件及其故障

实际应用时，转速和功率调节是汽轮调节系统的主要任务，因此测速测功具有特别重要的意义。

3.4.1 机械调速器

调速器由透平主轴经减速机构（或不经减速机构）带动。理想情况下，飞锤离心力仅与弹簧弹性力相平衡，由于弹簧和变形一次方成正比，随着滑环位移的增大，飞锤的旋转半径也相应增大，因此机械液压调速器的理想静特性一般是曲线，且随转速的增高曲线逾平缓。所以，机械调速器的线性度一般都比较差，只有在很小的工作区内才能看成是直线。对于发电用汽轮机，因为它的转速变化范围小，根据小偏差线性化，转速在额定转速的附近变化，所以可将这一工作区近似为直线。而对于转速变化范围大汽轮机（如给水泵等用的小汽轮机），则需要加以补偿改善其静特性的线性度。

3.4.2 液压调速器

在国产的调速系统中所采用的液压调速器主要有两种：一种是信号油泵，另一种是旋转阻尼。信号油泵利用一般离心式油泵的进出口压力差（在阻力特性不变时）与转速平方成正比的特性来反映转速的变化。当转速改变时，滑阀上下的压差相应地改变，使弹簧发生变形，引起滑阀的位移。滑阀位移的大小反映了转速的变化量。采用液压调速器的调节系统必须考虑它的特点，才能够发挥它的长处而消除其缺点。其特点是其出口油压波动将导致转速（或功率）的波动，影响系统的正常工作。油压波动是由于涡流、流道之间的间隙以及进口油压的波动等因素所引起的。

3.4.3 电子测速测功元件

目前应用最广泛的是脉冲频率测量法，其基本思想是先产生一个频率正比于转速的电脉冲信号，然后用模拟电路或数字技术测量脉冲频率，从而实现转速测量。将转速变换成电信号的频率可以采用磁阻发信器，此磁阻发信器除了齿轮以外没有其它运动零件。测量磁阻发信器信号的频率有数字和模拟两种方法。因此，相比于机械调速器和液压调速器，电子测速元件测量准确，线性度很好，响应速度快，且不易出故障。在中间再热式汽轮机的功频电液调节系统中，需要测量电功率的敏感元件，常用的有霍尔效应测功器和四象限乘法器等测功元件。这些测功元件也属于电子测量元件，相较于机械式或液压式的也有上述相同优点。

3.5 电液伺服阀及其故障

伺服阀分为动铁式和直接驱动式。在动铁式电液转换器中，其运动部分是电磁铁而不是线圈。当信号电压作用在线圈上时，有电流流过使衔铁被磁化，通过磁力产生扭转力矩并使弹簧管产生变形。此时衔铁会转过一定的角度，使反馈杆产生弹性变形来减小左端喷油嘴的排油面积。压力油经油口进入油动机活塞的右侧，推动活塞相左移动。一定的信号电流将使得滑阀产生一定的位移，并使油动机按一定的速度运动。同理，当信号电流方向相反时，但方向相反。直接驱动式伺服阀用集成电路实现阀芯位置的闭环控制，阀芯的驱动装置是永磁直线马达，阀芯位置闭环控制电子线路和脉宽调制驱动电子线路固化为一块集成块，用特殊的技术固定在伺服阀内，取消了传统的喷嘴—挡板前置级，简化了电路，提高了可靠性，却保持了待喷当前置级的两级伺服阀的基本性能和技术指标[11]。因此，伺服阀一般主要发生3种故障：卡涩，即伺服閥阀杆部分卡涩；油内泄漏，如阀杆突肩由于磨损而产生的泄露；油路堵塞，如滤芯、节流孔、喷嘴堵塞。

3.6 油动机及其故障

以单侧进油式油动机为例，其依靠弹簧力关闭阀门，因此可以保证在失去动力源压力油的情况下仍能关闭阀门。而油动机的开启只是靠压力油作用，即只用于使机组加减负荷或升降转速。电液伺服阀接受DEH来的信号控制油缸活塞下腔室的油量，当需要开大阀门时，伺服阀将压力油引入活塞下腔室，油压力克服弹簧力和蒸汽力作用使阀门开大，LVDT将其行程信号反馈至DEH。当需要关小阀门时，原理相同。当阀门开大或关小到需要的位置时，DEH将其指令和LVDT反馈信号综合计算后使伺服阀回到电气零位，遮断其进油口或排油口，使阀门停止在指定位置上。当伺服阀失去控制电源时，能保证油动机关闭。由结构组成和工作原理可知，油动机主要发生两种种故障：卡涩（如油动机活塞、阀杆的卡涩）和油的内泄漏。

3.7 调节汽阀及其故障

汽轮机的功率调节是通过改变调节汽阀的开度，调节进入汽轮机的蒸汽流量来实现的。调节汽阀的开大和关小由油动机直接或经由传动机构来带动，带动调节汽阀的传动机构称为配汽机构。单座阀是汽轮机的一种常见的阀门结构，在中小型汽轮机上得到广泛的应用。因为单座阀的提升力很大，特别是在低负荷而且阀门又处在将要打开的位置时，阀前后作用了很大的压差，在蒸汽参数高，阀门直径大的现代大功率汽轮机中很少应用单座阀，否则阀门的提升力将要大到不可允许的程度，使油动机的设计很困难。在大功率汽轮机中多用带减压阀的结构。当阀杆向上移动时，首先带动阀门内部的小减压阀，使阀碟的上部和下部相通。因为蒸汽只能经阀杆的间隙漏入阀门内部，所以阀门内部的压力降低到和阀后压力基本相等的数值。由调节汽阀的组成和工作原理可知，调节阀具有较长的阀杆，管路中残留杂渣易造成堵塞甚至卡住。由于调节汽阀的阀杆直接与油动机阀杆相连，因此调节汽阀阀杆的卡涩故障就等同于有动机的卡涩故障。

4 结论及展望

汽轮机调节系统设备繁多，产生故障的原因错综复杂，各个故障还有所关联，这对于故障诊断工作来说是非常不利的。为了使故障诊断有效地应用于实际，必须对调节系统常见故障进行归类，把诊断的重点放在关键部位上的故障、最常发生的故障、可能引起严重事故的故障上，从而形成清晰的故障框架，并最终确定故障诊断方案[12]。文章通过分析汽轮机调节系统主要部件、工作原理及可能发生的故障，得到了如下结论。

（1）电子测量元件相较于机械式或液压式的优点较多，因此，机械液压部分和逻辑控制部分相对来讲更容易出现故障，所以故障诊断的重点在于电液调节阀、油动机和调节汽阀。又由于调节汽阀主要发生卡涩故障，而调节汽阀的阀杆直接与油动机阀杆相连，进而从故障诊断的角度来看，调节汽阀阀杆的卡涩故障就等同于油动机的卡涩故障。

（2）从是否常发生故障的角度来看，诊断的重点是机械液压系统的电液调节阀和油动机系统（包含调节汽阀），然后是逻辑控制部分的PID控制器和阀门管理系统。诊断的核心部件是机械液压部分的调节阀和油动机。由于每个汽阀都有独立执行机构，因此汽阀线路出现问题只有个别，而大多数是正常的，可以通过相互比较而确定哪条汽阀线路出现问题，其余故障多数可通过系统信号进行直接判断。

（3）由于在数字电液控制系统中，电液伺服阀和油动机是紧密相连的，它们连接部分没有信号可测，只有电液伺服阀前的法位指令信号和油动机后的阀位信号可测，因此可以将机械液压部分当作一个整体。整个系统自内而外可分为三层：第一层就是包括电液伺服阀、油动机和调节汽阀的机械液压部分；第二层包含第一层结构，又多加了阀门管理系统；第三层包含第二层结构，又多加了PID控制器。随着分层结构的确立，整个数字电液控制系统的故障诊断方案也就确定下来了，就是一层一层地逐层诊断。由于诊断的核心部件是机械液压部分，而且这部分的诊断相对较为复杂，因此整个系统的诊断顺序就是从内到外一层一层地逐层诊断。

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