汽轮机阀门状态诊断系统设计与实现

郭伯春，肖胜

(1.四川广安发电有限责任公司，四川 广安　638000； 2.西安热工研究院有限公司，西安　710032)



汽轮机阀门状态诊断系统设计与实现

郭伯春1，肖胜2

(1.四川广安发电有限责任公司，四川 广安638000； 2.西安热工研究院有限公司，西安710032)

摘要：以四川广安发电有限责任公司6台汽轮发电机组的汽轮机阀门运行情况为例，设计了一款汽轮机阀门状态诊断系统，基于汽轮机数字电液控制系统(DEH)内部硬件监控和通信技术，直接采集DEH和伺服机构数据，通过编写程序，分析实时和历史数据，判断汽轮机阀门性能和状态是否良好，把对汽轮机阀门状态的诊断、报警以及试验和维护集成到人机交互界面中，形成一套在线监控汽轮机阀门状态的软件系统。该系统诊断及时、准确、直观，经济效益突出。

关键词：汽轮机；汽轮机数字电液控制系统；阀门；诊断；设计；应用

表1　2013年广安发电公司汽轮机阀门故障统计

0引言

采用汽轮机驱动的发电厂中，汽轮机阀门性能和状态良好是保障机组安全、经济运行的关键。近年来，对多个火电厂调查了解发现，汽轮机阀门故障时有发生，严重影响机组发电的安全性和经济性。其故障主要表现为：汽轮机冲转后阀门不受运行人员指令控制；阀门卡滞在某处不能动作；电磁阀阀芯卡滞或线包烧坏等。由于汽轮机阀门故障通常发生在机组启动和发电过程中，故障因素较多，故障点查找困难，故障处理耗时较长，不仅浪费燃料，还引起推迟并网发电和发电量减少，故障严重时可能因阀门失控导致机组跳闸、汽轮机超速等重大事故。由此可见，开发一款自动诊断汽轮机阀门隐患、方便处理故障的系统势在必行。

以四川广安发电有限责任公司(以下简称广安发电公司)6台汽轮发电机组的汽轮机阀门运行情况为例，阐述汽轮机阀门诊断系统的设计和实现过程。

1设计方案的确定

1.1阀门故障分析

经调查统计，2013年广安发电公司6台机组(2×600 MW+4×300 MW燃煤蒸汽动力发电机组)的汽轮机高压调节阀(以下简称高调阀)及高压主汽阀(以下简称高主阀)共发生了4次异常，其故障明细见表1。

从表1中可以看出，汽轮机阀门故障多发生在汽轮机冲转和发电过程中，故障后汽轮机的可靠性差，抢修中均存在机组跳闸的风险，故障处理耗时较长，直接减少机组并网发电时间和发电量，严重影响机组安全性和发电经济效益。

1.2诊断方案选择

从故障分析可以看出，汽轮机阀门故障原因主要有伺服机构处于就地控制方式、接线松动、电磁阀及反馈装置LVDT故障等，针对这些可能存在的故障，开发一套能及时、准确诊断出故障并报告故障点的诊断系统，可以提高故障处理效率，尽快恢复正常发电，减少经济损失。在故障诊断功能的基础上，通过试验、维护和历史数据分析等辅助手段，在汽轮机冲转前，甚至在锅炉点火前，及早诊断汽轮机阀门性能和状态，对隐患及早处理，从而减少汽轮机阀门运行时的故障频次，提高机组发电的安全性和可靠性。

开发汽轮机阀门状态诊断系统主要有2种方案：一是采用独立的计算机系统，通过与汽轮机数字电液控制系统(DEH)通信，实现数据的采集与处理，通过软件编程实现故障诊断，以及对试验、维护和历史数据分析等相应功能；二是采用基于分散控制系统(DCS)的编程和组态，直接利用DCS系统的实时数据和历史数据来设计诊断策略，通过DCS编程和组态，实现对汽轮机阀门状态的诊断功能，在此基础上辅以试验和维护功能，达到及时发现隐患的目的。方案1需要购买独立的计算机系统以及与DEH通信的硬件设备，软件编程方面需设计通信功能、实时和历史数据处理功能[1]，软件开放性好，功能全面，但投资较大，实现较为困难；方案2是在原有DCS系统上实现的，不需购买硬件设备，硬件上是“零投入”，但功能上相对简单，若要实现复杂的功能，需对DCS系统进行改进，如采用附加C语言编程等方法，实现相对较为容易。

2诊断系统的实现

根据诊断系统开发方案，结合广安发电公司机组较多、节约投资费用的实际情况，选择了方案2，即基于DCS系统的数据采集和历史数据分析，设计诊断策略，编写程序和组态，实现对汽轮机阀门状态的诊断功能，分析和判断汽轮机阀门隐患，报告故障点，提高汽轮机阀门的可靠性和可维护性。该诊断系统以故障判断为主，辅以试验和智能维护等功能，采用状态监控、数据分析、电磁阀试验、阀门校验、状态历史追忆、故障点声光报警等多种方式，配合故障判断，及早发现隐患和准确诊断故障点，指导故障处理。其内部结构如图1所示。

图1　汽轮机阀门状态诊断系统结构

2.1故障诊断

该诊断系统的核心部分为故障诊断功能，数据来源分为实时数据和历史数据2部分。实时数据分析基于DCS系统的数据采集功能，在线收集DEH阀门状态信息(包括开阀指令、阀门位置反馈、蒸汽压力、蒸汽流量、当前负荷等重要参数)，通过DCS系统逻辑编程，可以初步诊断当前阀门的性能和运行状态是否正常，并把诊断结果显示出来，如果出现异常，经程序判断，立即发出相应故障点的声光报警。设计时，直接利用DCS系统的趋势在线显示功能，通过操作画面编程和程序诊断，把汽轮机阀门状态信息用趋势图的形式呈现出来，通过人机交互，便于人工故障分析和阀门状态异常诊断。

通过C语言编程或DCS系统特殊功能的调用，开发历史数据采集和分析功能，采集近段时间重要阀门的性能和状态信息，设计程序分析阀门开度、伺服系统的静态和动态特性[2-4]，诊断出异常立即自动发出声光报警，实现当前状态与历史数据对比，达到自动诊断汽轮机阀门状态的目的。

为了提高诊断结果的准确性，对于汽轮机中的调节型阀门，通过直接和汽轮机阀门伺服机构通信，采集伺服机构内部数据，把汽轮机阀门状态相关信息(如控制方式、断线、反馈错误等)，通过程序识别和判断，把诊断结果以光字牌报警等方式直观地展示出来。对于开关型阀门，增加到位开关，到位判断采用3取2的方式，提高到位信号的准确性。

2.2试验操作

为了实现该诊断系统的预测性，及早检查、诊断汽轮机阀门性能和状态，提前发现汽轮机阀门存在的隐患，结合DEH系统原有试验功能，设计了开机前试验功能，通过试验操作，配合诊断系统的实时数据分析和故障诊断，实现在汽轮机冲转前诊断阀门的性能和状态，参照诊断报告，对异常情况及时处理，避免在汽轮机运行中因阀门故障带来严重的经济损失。

DEH系统中，原有试验包括喷油试验、超速试验、高压遮断试验、阀门活动试验等，这些试验是对汽轮机主要功能的测试。现场运用中发现，这些试验并未完全涵盖DEH系统设备，容易导致个别设备存在的隐患不能及时被发现，设备隐患暴露时将产生严重的汽轮机阀门故障。因此，该诊断系统在原有试验的基础上，通过编程和软件界面设计，新增单台阀门手动试验、单个电磁阀性能测试、静态喷油试验、静态超速试验等试验操作功能，这些试验操作可以协助系统诊断故障，及早诊断汽轮机阀门是否存在异常。

2.3智能维护

为了实现该诊断系统的健壮性，配合其主要的故障诊断功能，进一步丰富其辅助功能，方便故障检修，缩短处理时间，还设计了阀门远程校验和简单异常情况自动处理等智能维护功能。

针对汽轮机调节型阀门进行远程校验，采用DEH系统控制伺服机构的底层，利用图形语言，通过逻辑和画面组态，在操作员站人机交互界面操作，自动完成阀门校验[5]。该功能操作方便快捷，提高维护效率。通过远程校验，保证伺服机构的控制精度和调节线性度，以满足机组负荷对阀门开度的要求，从而实现机组在运行中对汽轮机阀门的快速、精确控制，确保机组安全、经济运行。

另外，还设计了伺服机构简单异常情况自动处理功能，该功能结合实时数据分析，通过程序判断，针对一些简单异常(如人为把伺服机构控制切换到就地模式，伺服机构控制初始参数未设定，阀门指令或反馈无故出现较大阶跃变化等)，在报告相应诊断结果的同时，具有自动处理能力，达到从多角度确保汽轮机阀门处于良好工作状态的目的。

3实际应用效果

2014年3月，汽轮机阀门状态诊断系统开发完成后，在广安发电公司6台机组(均采用EMERSON Ovation DEH)上应用，1年来，对该诊断系统应用情况跟踪统计见表2。

从表2可以看出，该诊断系统能及早、准确、直观地诊断汽轮机阀门状态，并报告故障点，为检修处理提供直接、可靠的指导信息，对于简单异常情况具有自动处理能力，有效避免机组运行中汽轮机阀门故障。在广安发电公司1年来的实践运用中，共诊断出异常情况6次，均在机组启动前，预测效果明显，既节约燃料又能保证发电量，该诊断系统经济效益显著。

表2　诊断报告统计

4结束语

汽轮机阀门状态诊断系统的设计与实现是一个较为复杂的过程，通过不断实践和完善，该系统已形成应用平台，接下来将在现有基础上，继续深入开发性能诊断等方面功能。汽轮机阀门状态诊断系统能够有效减少机组运行时汽轮机阀门故障的发生，对汽轮机安全、经济运行保驾护航。在全国电力行业中，此诊断系统具有良好的推广价值，在其他使用蒸汽轮机的行业中也具有较高的推广意义。

参考文献：

[1]陶亚雄.数字通信原理与技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2]王爽心,葛晓霞.汽轮机数字电液控制系统[M].北京：中国电力出版社，2004.

[3]葛晓霞，徐治皋.汽轮机数字电液控制系统中有关功能的探讨[J].汽轮机技术，2004(1)：10-11,80.

[4]章水秀.汽轮机数字电液控制系统在大型火电机组中的应用[J].南昌航空大学学报(自然科学版)，2001(4):83-85.

[5]郭伯春,肖胜.Ovation系统汽轮机阀门校验在操作员站上的实现[J].华电技术,2011,33(1)：5-8.

(本文责编：弋洋)

收稿日期:2015-12-25；修回日期:2016-02-08

中图分类号：TK 26

文献标志码：A

文章编号：1674-1951(2016)03-0038-03

作者简介：

郭伯春(1976—)，男，四川南充人，工程师，从事电厂热工仪表及自动装置技术管理与检修方面的工作(E-mail:guodashanren@163.com)。

肖胜(1978—)，男，天津人，高级工程师，工学硕士，从事电厂现场总线设计方面的工作。