汽轮机通流部分故障诊断方法研究

张红民 杨利 魏书军 纪仕东 谷新房 马先新 张译文

（华能沾化热电有限公司）

汽轮机通流部分故障诊断方法研究

张红民 杨利 魏书军 纪仕东 谷新房 马先新 张译文

（华能沾化热电有限公司）

汽轮机通流部分在发电机组设备中是最容易发生故障的部分。汽轮机通流部分的故障在任何工况下都可能出现，若发生故障将对汽轮机机组运行带来严重影响，因此使用的汽轮机故障诊断方法将决定汽轮机故障修复的快慢和效率。本文提出运用一种基于监测参数变化函数方式，对故障进行智能化诊断的办法。

汽轮机；通流部分；故障诊断；故障分析；主元分析；聚合分析；智能诊断

0 引言

人类进入20世纪以来，工业生产和科学技术获得很大发展，人们广泛地使用机械设备进行生产、生活，机械设备在人们生活中的作用举足轻重，由此带来的机械设备安全问题也屡见不鲜。为了保证机器设备安全、稳定运行，人们广泛开展针对机械设备故障问题的研究，作为这些机械设备的动力源设备的汽轮机，一旦出现故障，不但影响机械设备正常运行，造成生产中断，而且汽轮机故障带来的危害也很严重，因此，关于汽轮机故障研究，得到国内外的广泛研究。汽轮机通流部分，是汽轮机的核心组件，因此开展对汽轮机通流部分的研究，是一种必须的要求。文中提出了一个针对汽轮机故障排除的较为稳妥的解决方案。

1 汽轮机故障诊断研究国内外发展历程

早期主要是靠人工的触、摸、听、看等手段对汽轮机通流部分进行故障诊断，主要靠经验积累，但经验积累需要的时间长，见效慢，同时不可预见的问题层出不穷，这种方法已经不再适应当前生产要求。因此人们开始利用现代先进的技术对汽轮机通流部分故障诊断进行分析。尤其是在人工智能化，信息集成化，模块化，以及实时动态响应等技术研究方面已经走得很远。

1.1 汽轮机故障诊断研究国外发展过程

最早从事汽轮机故障诊断研究的国家是美国，美国许多研究机构和公司在这方面的技术一直引领世界潮流。对汽轮机故障研究表现突出的机构、公司和产品有：Bechtel的火电站设备诊断用专家系统、Radial公司的汽轮发电机组振动诊断用专家系统、西屋公司（WHEC）发电机组故障远程诊断系统、Bently公司的旋转机械故障诊断系统（ADR3）。这些研究都一直得到世界业界的欢迎和好评。

日本开展汽轮机故障研究方面研究的机构也很多，主要有东芝电气、日立电气、富士和三菱重工等。他们在汽轮机寿命检测和寿命诊断技术的研究造诣很受学界推崇。如东芝电气公司与东京电力公司合作开发的大功率汽轮机轴系振动诊断系统、日立公司开发的汽轮机寿命诊断装置、三菱公司开发大MHM振动诊断系统等都广受好评。

欧洲也不例外，法国电力部门（EDF）的离线振动监测系统，及后续的监测和诊断支援工作站平台、瑞士的ABB公司、德国的西门子公司、丹麦的B&K公司等都拥有各自在市场得到检验的故障诊断系统，都得到很好的评价。

1.2 我国开展汽轮机故障研究的发展历程

我国在汽轮机通流部分故障诊断研究方面跟西方发达国家还有很大的差距，存在很多不足，但我国研究虽然时间短，即使起步较晚，但是发展很快。中国人从全盘吸收先进的国外技术，到自我开展独立研究，紧跟世界先进潮流方面，获得很高的评价。

目前我国从事汽轮机故障诊断技术研究与开发的机构、企业单位、高校越来越多。国内各高校和科研机构纷纷开展课程和实验室，相关的企业也加大资金，人力物力等投入，开展研究。在理论和实践中都获得很好的成果。在政府层面，国家安排大量资金，提升企业技术改造和升级。尤其是从“七五”、“八五”计划期间起，专项安排的汽轮机故障诊断攻关项目，鼓励国内高校，科研机构和企业积极参与汽轮机故障诊断系统的研究与开发，获得了很多重要的成果。

2 汽轮机通流部分故障诊断技术的发展

2.1 概念汽轮机通流部分（Flow Passage of Steam Turbine）是指汽轮机本体中做功汽流的通道，主要由进汽组件、各级通流部分叶栅及排汽缸三大机构组成。由于汽轮机通流部分长期处于高温、高压等恶劣环境，很容易发生故障，尤其是阀门类部位。因此这些部位一旦发生故障，对汽轮机组的安全运行危害巨大，后果十分严重。汽轮机通流部分故障诊断方法一直以来是专家和学者研究的重要课题。当前汽轮机组趋向于大容量、高参数方向发展，其研究方面趋向于安全、动态、实时。

2.2 汽轮机通流部分故障诊断办法

当前最为流行的做法是利用传感器技术，通过对汽轮机的震动强度、热力值、振动频率等信号进行采集和分析。利用传感器可以在高温条件下运行。因此要提高诊断故障识别精准度，以减少误诊率和漏诊率。另外是如何对各种传感器数据进行信息整合分析，评判。例如，利用汽轮机转子振动的频率，频谱等信息，进行分析处理等。

3 汽轮机通流部分故障产生的原因和故障诊断办法

3.1 汽轮机通流部分故障产生的原因

很多时候汽轮机通流部分故障（损坏）主要由断叶片和汽缸与转子之间的磨擦引起。由于叶片损坏的因素太多，涉及范围广，涉及内容十分广泛，其他常见的通流故障，大概有如下几类∶

1）主汽门，调门故障，出现气门，调门松动，变形等；

2）喷嘴故障，涉及喷嘴的设计，制造，安装工艺以及后续的运行维护等；

3）汽封故障；

4）发生物理和化学故障∶结垢，变形，汽蚀等。

3.2 故障分析和诊断办法

汽轮机通流部分故障产生的原因很多，世界各个国家的研究者们先后根据故障发生的原因提出各种办法，比如振荡问题、振动频谱、摩擦问题、转子不平衡问题。在通流部分，研究最为一致的方向就是利用各种故障数据（信号指示数据）经过数理模型的推理，创立了一个针对热电机组的压力流量常数。分析比较压力流量常数在不同故障中的变化趋势，运用历史数据与现实推导出来的数值进行比对验证，构建了一个根据磨损厚度和压力流量常数之间的函数关系。利用压力流量常数，推导出诊断调节级故障的公式。

3.3 通流故障诊断方法分类

1）主元分析法（PCA）是目前根据多元统计过程控制的故障诊断技术的核心，是利用原始数据空间，通过构造一组新的潜隐变量来降低原始数据空间的维数，再从新的映射空间抽取主要变化信息，提取统计特征，从而构成对原始数据空间特性的理解的一种分析方法。

2）智能化分析是根据汽轮机通流部分特点，利用振动诊断和热值诊断，建立故障诊断决策表，提取对故障识别有用的故障特征，进行构建故障诊断机制（规则），去除影响故障诊断不利的因素，提高故障诊断精确度。

3.4 诊断实例

如某种机型的汽轮机发生故障，应该采取如下流程对该汽轮机的通流部分进行诊断分析。

程序化分析流程为：

1）根据设备负载正常工作核定范围数据，和故障检测参数之间的数据建立一个动态对比曲线，然后根据曲线变动情况，建立故障征兆函数关系。

2）对故障发生时的通流部分故障监测参数实时数据经过故障征兆函数模糊化。

3）对模糊化后的故障监测参数数据采用主元分析法进行特征提取，得到可以数理分析的故障主元特征。

4）计算故障主元特征与各类故障模式之间的贴近度，得到故障分析数据。

5）按照事先设计好的数理参数比对原则，验证故障可能的贴近度。

（以上流程可以通过计算机模拟操作。）

首先对气轮机的通流部分进行工作效率对比分析，通过统计汇总了机组通流部分各个级段的效率，把这个数据和基准工况进行比对，把最高时段的调节级效率大幅度下降，降低了多少？高压缸效率下降多少？同时进行分析其他各个级组的效率，根据这些数据变化，分析汽轮机的故障问题主要存在于调节级，需要对调节级进行维修查看。

然后根据对比分析，利用得出的数据进行分析得出引起机组负载能力下降的可能是调节级和调节级的通流部分存在通道堵塞的问题。或许，调节级及后续通路也存在通流面积变小的情况。再根据振动信号对比验证，明确机组的负载能力下降，高压缸效率降低，确认机组的运行能力降低。假如机组继续运行，将对汽轮机的正常工作运转造成严重的影响和威胁，应立即关机进行检查维修，重点检查维修汽轮机高压缸通流部分汽轮机工作情况，及时找出故障位置，作出妥善故障排除处理。

最后的故障诊断分析结果总结为∶热力参数、振动参数等对汽轮机通流部分故障的影响是很大的，可以根据热力参数变化情况对故障进行预报和警示，避免重大事故发生。汽轮机组热力参数、振动、频谱等参数的测量比较方便，数据获取来源非常丰富，可以通过各种各样的传感器等设备进获取。然后再通过对各种故障的类型和其相互依存的程度建立和确定某种内在函数关系。因此针对汽轮机通流部分故障的特性研究，旋转适合使用热力参数和振动参数对汽轮机通流部分进行故障诊断，将在今后得到很好的应用。

4 结束语

通过对汽轮机通流部分的常见故障原因分析，提出运用一种基于监测参数变化函数的方式，对故障进行智能化诊断的办法。根据通流部分故障的特点，结合各方面比如传感器诊断特点，提出建立故障数据模型，利用主元分析法，对通流故障进行分析诊断，提高故障分析诊断速度和效率。

［1］ 杨勇平，杨昆.汽轮机通流部分故障诊断的热力判据研究［J］.热能动力工程，1999（83） .

［2］ 董晓峰，顾煜炯，杨昆.汽轮机通流部分故障诊断方法研究［J］.中国电机工程学报，2010（35） .

［3］ 郝志莉，叶春.电站汽轮机组通流部分故障分析及诊断［J］.动力工程学报，1995（1） .

［4］ 江宁，李政.核电汽轮机通流部分性能监测与故障诊断［J］.核动力工程， 2004（1） .

［5］ 谢军星.电站汽轮机通流部分故障分析与应用研究［D］.北京：华北电力大学，2010 .

［6］ 周昭滨，巫樟泉，张德轩.汽轮机通流部分故障诊断方法研究综述与展望［J］.电站系统工程， 2014（3） .

［7］ 范卫城.汽轮机通流部分故障诊断方法研究［J］.中国科技纵横，2015（24） .

［8］ 杨扬.汽轮机通流部分故障诊断方法探讨［J］.建材与装饰， 2015（47） .

（2016-08-10）