超超临界汽轮机组轴系稳定性评估与风险预警系统研究

宗绪东 周宽 王新

摘 要：轴系稳定性对汽轮机安全性至关重要，一旦失常轻则造成机组跳闸，严重的可導致动静摩擦、大轴弯曲等恶性事故。该文分析了现有运行监控系统的不足，对稳定性评估、风险预警方法进行了研究，制定了评估、预警模型，开发了轴系稳定性评估与风险预警系统。实践表明，该系统投入运行后能够准确评估并超前预警，从而保证汽轮机组运行安全。

关键词：轴系稳定性；风险预警；诊断模型

中图分类号：TK12 文献标志码：A

汽轮机是火力发电厂最重要的设备之一，而轴系稳定性直接影响汽轮机运行安全。轴系稳定性是汽轮机设备中最关键、最难于分析的运行状态，其中与轴系动力系统运行状态相关的数据更是很难获取。近年来国内600 MW以上超超临界机组由于主油箱油位监视不当、轴承负载不均衡等原因发生过多起断油化瓦、大轴弯曲等事故，造成了较大的经济损失。

为了提高汽轮机组运行安全性，我们根据多年来汽轮机运行经验及事故教训，结合华电集团某公司申报的2018年科技项目，研制和开发了“汽轮机轴系稳定性评估与风险预警系统”，并在某660 MW超超临界机组进行了应用。该系统能够实现集中、全面的监控；通过对汽轮机有关设备的设计值、特征值、经验值等进行数据统计，对造成轴系不稳定的原因进行分析，形成轴系稳定性评估操作指导；制定生成规则库，对停机、超速险、大轴断裂及损坏、大轴弯曲、轴瓦损坏等风险进行分析，形成预警体系。

1 现有系统轴系稳定性评估及风险预警不足

目前火力发电厂在机组DCS微机中监视轴承振动、轴承温度、汽缸轴向位移、胀差、上下缸温差等参数，参数超限发出报警。系统主要存在以下问题。

1.1 监控画面分散，不利运行监控

现有DCS微机中轴系稳定性参数分布在不同的监控画面中，需要进行切换，无法实现集中监控，运行人员监控操作不方便。

1.2 监测测点不全，存在监控盲区

现有测点中缺少高、中压缸左右及垂直方向位移，不能全方位判断汽缸的总体膨胀情况；缺少高、中、低压缸轴封供汽回汽温度测点，不能监控轴封回汽量及轴封加热情况；缺少轴系重要参数的变化速率，不能及时预测参数的变化趋势。

1.3 不能对轴系稳定性进行评估，无法实现风险预警

现有DCS微机中只能实现对轴系各参数的变化幅值进行报警，不能进行相关量分析及判断，不能对轴系稳定性进行评估，无法实行轴系重大风险预警。

2 轴系稳定性评估及风险预警方法

2.1 轴系稳定性评估方法

轴系的稳定性可以通过对数衰减率或阻尼比进行表征，通过计算可以得到不同转速、不同模态下的对数衰减率和阻尼比系数，以此来评判轴系的稳定性。该文采用部件特性+报警指标评估对轴系稳定性进行评估，能够直观评估轴系运行稳定性。

影响汽轮机轴系稳定性的设备分为：支撑设备（支持轴承、推力轴承）、转子设备（主油泵转子、高压转子、中压转子、低压转子、发电机转子）、汽缸设备（高、中、低压缸）。如果上述设备运行稳定，可以认定轴系是稳定的。

上述各设备稳定性由轴承振动、轴瓦温度、轴向位移、胀差、汽缸膨胀和上下缸温差等一系列指标确定。当各项指标正常，可以认定设备运行稳定。图1为某660 MW超超临界机组轴系稳定性故障树评估框图，通过对轴系稳定性设备逐层分解，找到影响稳定性的影响因素进行分析，得出稳定性评估结论，分析问题产生的原因，提出优化指导意见。

2.2 轴系风险评估方法

汽轮机轴系失稳，如分析处置不当，发展到一定程度将会给汽轮机的安全运行带来风险，主要有2种风险：一种是机组非计划停运风险，另一种是25项反措中所列超速、大轴断裂及损坏、大轴弯曲、轴瓦损坏风险。前者造成机组运行可靠性变差，导致电网的非停考核，但短时间能够恢复运行；后者会造成机组设备严重损坏，短时间无法投入运行，产生重大经济损失。图2为某660 MW超超临界机组诊断框图，通过对轴系各种重大风险进行分类，采用故障树的方法逐层分析风险产生原因，自动评价风险严重程度，发出风险预警，提出操作指导意见供运行人员参考。

3 轴系稳定性评估及预警技术方案

随着智能体理论和技术在维修工程各领域内的深化发展，以智能体理论为指南的综合信息技术系统平台成为软件开发的重要的突破，这包括为维修工程中智能监测、智能诊断以及智能决策等环节等提供技术支持的新途径。为了解决汽轮机轴系稳定性评估及预警等方面的技术缺陷，结合智能控制诊断及决策理论，研究了汽轮机轴系稳定性评估及风险预警方法，对汽轮机轴系影响因素进行全面监控，做出准确地分析、评估、预警。

轴系稳定性评估及风险预警系统，包括DCS服务器、测点、数据采集器和平台服务器等，如图3所示，技术方案如下：

（1）增加高、中压缸左右、垂直膨胀值测点，高、中、低压轴封回汽温度测点，与常规测点（括轴承振动、轴承温度、汽缸轴向位移、轴向胀差、上下缸温差等）、事故案例等一起输入平台服务器。

（2）将影响轴系稳定性原因及影响因素进行关联性分析。

（3）结合有关事故案例对轴系稳定性影响因素关联度分析，筛选高关联度影响因素，得到关联度更加准确的影响因素。

（4）将高关联度影响因素进行相似分析及模化。

（5）将相似分析及模化结果转换轴系失稳的诊断判据。

（6）通过平台服务器进行诊断，发布稳定性评估及风险预警，提出调整指导建议。

4 应用效果分析

某公司9号机为东方汽轮机厂生产的660 MW高效超超临界抽凝供热机组，于2016年投产。为了提高汽轮机轴系运行安全性，结合申报的汽轮机轴系稳定性评估与风险预警体系研究与应用科技项目，于2018年进行了系统开发。

2018年12月6日，9号机低压轴封供汽温度高报警，系统平台稳定性评估模块发出了“轴承将失稳”结果。12月7日4：06，7号、8号轴承振动逐渐增大，系统平台风险预警模块发出“机组将停机”预警。运行人员未能及时发现低压轴封供汽温度高是导致轴承振动大的原因，未采取措施对低压轴封供汽温度进行及时调整，只是降低了机组负荷。4：24，9号机7号、8号轴承振动上升至250 μm，汽轮机ETS保护动作，机组跳闸。经分析认为低压轴封供汽减温水滤网孔径过大，运行中减温水调节阀被异物堵塞，减温水流量不足，低压轴封温度升高。由于未及时调整，导致轴封供汽温度长期在高限运行，轴封膨胀变形、周向间隙缩小，低压轴封齿与汽轮机转子发生碰磨，造成轴承振动增大，保护动作跳闸。

从上述案例中发现，系统能够正确评估轴系稳定性，对轴系重大风险实现超前预警。但由于系统投入运行时间短，声光报警不够醒目，且最底层原因未分析到位，未引起运行人员足够重视，导致了事件的发生。经过改进系统诊断模型并进行针对性地培训后，问题得到解决。

5 结论

该文分析了现有汽轮机轴系稳定性监控模式的不足；采用故障树诊断模式，进行了轴系稳定性评估方法、风险预警方法的研究；结合事故案例等，建立了评估及预警模型，开发了汽轮机轴系稳定性评估与风险预警系统。运行案例表明，该系统评估结果准确，能够实现超前预警和精确指导，对保证汽轮机的安全运行起到了良好的作用。

参考文献

[1]孙玮，石金宝，周广顺，等.汽轮机轴系的状态检修[J].华东电力，2004，32（5）：340-342.

[2]何国安.1000MW汽轮机低压缸动静碰磨分析与处理[J].热力透平，2013，42（7）：58-61.

[3]王天然，朱枫，黄闪.智能机器人体系结构的研究与设计[J].机器人：1995，17（4）：193-199.