汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障檢測及診斷技術(shù)應(yīng)用分析

朱偉等

摘 要：汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到機(jī)組的安全穩(wěn)定性，因此其故障檢測及診斷技術(shù)具有非常重要的科學(xué)研究意義和實(shí)際工程價值。該文首先對目前的國內(nèi)外調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障檢測及診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，指出了未來調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障檢測及診斷技術(shù)研究的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢。然后對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的常見故障進(jìn)行分類，將故障分為軟件故障和硬件故障兩大類，并從調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成部件的工作機(jī)理方面對可能發(fā)生的故障機(jī)理進(jìn)行逐一的分析。最后，在此基礎(chǔ)上提出了一個分層的診斷策略，這對實(shí)時快速檢測和診斷調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障、提高汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī) 調(diào)節(jié)系統(tǒng) 故障分類 檢測診斷 應(yīng)用分析

中圖分類號：TK243.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0064-02

汽輪機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到機(jī)組的安全。然而，由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備多且復(fù)雜，許多部件長期工作于高溫和高濕度等惡劣條件下，異?；蚬收下瘦^高，直接影響到發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。國內(nèi)外已發(fā)生了多起因調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障導(dǎo)致超速毀機(jī)的惡性事故[1-2]。在正常運(yùn)行中，由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障造成負(fù)荷突變、轉(zhuǎn)速波動無法并網(wǎng)等各種異常事例在我國多有報道。據(jù)不完全統(tǒng)計，汽輪機(jī)非正常停機(jī)中很大一部分是由調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障引起的。并且，隨著設(shè)備的大型復(fù)雜化，故障檢測和診斷方法及其在此基礎(chǔ)上發(fā)展的容錯設(shè)計方法已在可靠性工程中起著日益重要的作用。

1 故障檢測及診斷技術(shù)發(fā)展概述

“越限報警”是一種現(xiàn)在仍被廣泛使用的故障檢測手段。然而，隨著系統(tǒng)的日益復(fù)雜化及對設(shè)備性能、可靠性要求的日益提高，對故障檢測也提出了更精細(xì)、嚴(yán)格的要求（如性能監(jiān)測等），許多更有效的故障檢測方法不斷地涌現(xiàn)[1]。以解析冗余為基本思路的故障檢測技術(shù)是20世紀(jì)70年代初首先在美國發(fā)展起來的；MIT的Beard首先提出了用解析冗余代替硬件冗余，通過比較觀測器組的輸出判斷傳感器故障，并通過系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)重組保證故障系統(tǒng)穩(wěn)定[2]，這是故障監(jiān)測技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑。在此后的20年里，故障檢測及診斷技術(shù)得到了世界范圍的廣泛重視，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用上都取得了豐碩的成果并不斷成長。故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)對于防止故障擴(kuò)大、避免災(zāi)難性事故的發(fā)生及事故后的快速維修都具有重要意義，在航空航天和電力系統(tǒng)、冶金和石化等多個領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[3-6]。

國外發(fā)電機(jī)組監(jiān)測與故障診斷開始研究較早，無論在理論上還是在監(jiān)測儀器設(shè)備的研制生產(chǎn)上都達(dá)到了較高的水平[7]。如西屋公司開發(fā)的PDS過程診斷系統(tǒng)、法國電氣研究與發(fā)展部研制的在線振動監(jiān)測系統(tǒng)（后期發(fā)展成PSAD系統(tǒng)）、丹麥的B&K公司在20世紀(jì)90年代推出的COMPASS系統(tǒng)、日本三菱重工首先研制成的MIIMS系統(tǒng)（后期發(fā)展成帶診斷規(guī)則描述以及采用模糊邏輯分析確定置信因素功能的振動診斷專家系統(tǒng)）。然而，國內(nèi)早期研發(fā)的這些故障診斷系統(tǒng)大多主要針對的是液壓機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而且需要額外地添加許多測點(diǎn)?；诂F(xiàn)有DEH測點(diǎn)進(jìn)行的故障診斷研究目前還屬于起步階段：哈工大研制的基于Internet的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)、上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研制的旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術(shù)的研究、哈爾濱電工儀表研究所和清華大學(xué)等單位聯(lián)合研制的200MW汽輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測分析及故障診斷系統(tǒng)、山東電力科學(xué)研究院和清華大學(xué)等單位共同開發(fā)的大型汽輪發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程在線振動監(jiān)測分析與診斷網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都得到了實(shí)際應(yīng)用驗證。國內(nèi)外的另一個差距還表現(xiàn)在應(yīng)用上，這是我國今后要努力的方向[8-9]。

3 調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見故障分類及機(jī)理分析

3.1 數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其故障

數(shù)字電調(diào)（DEH）系統(tǒng)是在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的，近年來逐步轉(zhuǎn)向由分散控制系統(tǒng)組成。從可能引起故障的角度來看，實(shí)際數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：PID控制器部分、閥門組管理部分、測速測功部分、電液伺服閥、油動機(jī)、調(diào)節(jié)汽閥[10]。因此，汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見故障有很多，依據(jù)發(fā)生形式可劃分為：硬件故障和軟件故障。

硬件故障中，依據(jù)引起故障的原因分為：

（1）液壓元件卡澀：電液伺服閥，分配滑閥，油動機(jī)滑閥，閥桿卡澀。

（2）油的內(nèi)泄漏：電液伺服閥內(nèi)泄漏，錯油門內(nèi)泄漏，油動機(jī)內(nèi)泄漏。

（3）油路堵塞：伺服閥濾芯、節(jié)流孔、噴嘴堵塞。

（4）數(shù)據(jù)采集、傳輸異常：LVDT故障，VCC卡故障，伺服卡故障，接口故障，通訊故障、其他I/O卡件及接線。

（5）電源系統(tǒng)異常：AC/DC電源系統(tǒng)故障。

軟件故障中，依據(jù)引起故障的原因分為：

（1）參數(shù)設(shè)置不當(dāng)：PID參數(shù)，VCC卡增益、頻率。

（2）邏輯不合理：DEH控制邏輯，配氣邏輯。

3.2 PID控制器及其故障

PID控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，是一個工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。其把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進(jìn)行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。并且，PID控制器還可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定。整個控制過程是在計算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，因此，通常情況下不會出現(xiàn)硬件方面的故障，出現(xiàn)的故障只能是由于參數(shù)設(shè)置不合理引起的。

3.3 閥門組管理及其故障

閥門管理是汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組DEH系統(tǒng)的重要組成部分，通過閥門管理程序可以方便地讓機(jī)組運(yùn)行于節(jié)流調(diào)節(jié)方式或噴嘴調(diào)節(jié)方式。閥門管理的功能是根據(jù)機(jī)組運(yùn)行方式的要求確定滿足流量要求的各閥流量分配，并把分配給各閥的流量信號轉(zhuǎn)化為閥位指令，通過模擬輸出經(jīng)放大器后驅(qū)動伺服閥開啟只要求開度，并能實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)行方式間的無擾切換及手動運(yùn)行時的自動跟蹤功能。由于閥門管理主要是閥門管理程序在計算機(jī)中的運(yùn)行，其基本上不涉及機(jī)械液壓部件，只是在計算機(jī)中實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)算。因此，閥門管理出現(xiàn)的故障只可能是閥門流量特性曲線的線性度不好等而引起的故障。

3.4 測速測功元件及其故障

實(shí)際應(yīng)用時，轉(zhuǎn)速和功率調(diào)節(jié)是汽輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要任務(wù)，因此測速測功具有特別重要的意義。

3.4.1 機(jī)械調(diào)速器

調(diào)速器由透平主軸經(jīng)減速機(jī)構(gòu)（或不經(jīng)減速機(jī)構(gòu)）帶動。理想情況下，飛錘離心力僅與彈簧彈性力相平衡，由于彈簧和變形一次方成正比，隨著滑環(huán)位移的增大，飛錘的旋轉(zhuǎn)半徑也相應(yīng)增大，因此機(jī)械液壓調(diào)速器的理想靜特性一般是曲線，且隨轉(zhuǎn)速的增高曲線逾平緩。所以，機(jī)械調(diào)速器的線性度一般都比較差，只有在很小的工作區(qū)內(nèi)才能看成是直線。對于發(fā)電用汽輪機(jī)，因為它的轉(zhuǎn)速變化范圍小，根據(jù)小偏差線性化，轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的附近變化，所以可將這一工作區(qū)近似為直線。而對于轉(zhuǎn)速變化范圍大汽輪機(jī)（如給水泵等用的小汽輪機(jī)），則需要加以補(bǔ)償改善其靜特性的線性度。

3.4.2 液壓調(diào)速器

在國產(chǎn)的調(diào)速系統(tǒng)中所采用的液壓調(diào)速器主要有兩種：一種是信號油泵，另一種是旋轉(zhuǎn)阻尼。信號油泵利用一般離心式油泵的進(jìn)出口壓力差（在阻力特性不變時）與轉(zhuǎn)速平方成正比的特性來反映轉(zhuǎn)速的變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時，滑閥上下的壓差相應(yīng)地改變，使彈簧發(fā)生變形，引起滑閥的位移。滑閥位移的大小反映了轉(zhuǎn)速的變化量。采用液壓調(diào)速器的調(diào)節(jié)系統(tǒng)必須考慮它的特點(diǎn)，才能夠發(fā)揮它的長處而消除其缺點(diǎn)。其特點(diǎn)是其出口油壓波動將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速（或功率）的波動，影響系統(tǒng)的正常工作。油壓波動是由于渦流、流道之間的間隙以及進(jìn)口油壓的波動等因素所引起的。

3.4.3 電子測速測功元件

目前應(yīng)用最廣泛的是脈沖頻率測量法，其基本思想是先產(chǎn)生一個頻率正比于轉(zhuǎn)速的電脈沖信號，然后用模擬電路或數(shù)字技術(shù)測量脈沖頻率，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。將轉(zhuǎn)速變換成電信號的頻率可以采用磁阻發(fā)信器，此磁阻發(fā)信器除了齒輪以外沒有其它運(yùn)動零件。測量磁阻發(fā)信器信號的頻率有數(shù)字和模擬兩種方法。因此，相比于機(jī)械調(diào)速器和液壓調(diào)速器，電子測速元件測量準(zhǔn)確，線性度很好，響應(yīng)速度快，且不易出故障。在中間再熱式汽輪機(jī)的功頻電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，需要測量電功率的敏感元件，常用的有霍爾效應(yīng)測功器和四象限乘法器等測功元件。這些測功元件也屬于電子測量元件，相較于機(jī)械式或液壓式的也有上述相同優(yōu)點(diǎn)。

3.5 電液伺服閥及其故障

伺服閥分為動鐵式和直接驅(qū)動式。在動鐵式電液轉(zhuǎn)換器中，其運(yùn)動部分是電磁鐵而不是線圈。當(dāng)信號電壓作用在線圈上時，有電流流過使銜鐵被磁化，通過磁力產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩并使彈簧管產(chǎn)生變形。此時銜鐵會轉(zhuǎn)過一定的角度，使反饋桿產(chǎn)生彈性變形來減小左端噴油嘴的排油面積。壓力油經(jīng)油口進(jìn)入油動機(jī)活塞的右側(cè)，推動活塞相左移動。一定的信號電流將使得滑閥產(chǎn)生一定的位移，并使油動機(jī)按一定的速度運(yùn)動。同理，當(dāng)信號電流方向相反時，但方向相反。直接驅(qū)動式伺服閥用集成電路實(shí)現(xiàn)閥芯位置的閉環(huán)控制，閥芯的驅(qū)動裝置是永磁直線馬達(dá)，閥芯位置閉環(huán)控制電子線路和脈寬調(diào)制驅(qū)動電子線路固化為一塊集成塊，用特殊的技術(shù)固定在伺服閥內(nèi)，取消了傳統(tǒng)的噴嘴—擋板前置級，簡化了電路，提高了可靠性，卻保持了待噴當(dāng)前置級的兩級伺服閥的基本性能和技術(shù)指標(biāo)[11]。因此，伺服閥一般主要發(fā)生3種故障：卡澀，即伺服閥閥桿部分卡澀；油內(nèi)泄漏，如閥桿突肩由于磨損而產(chǎn)生的泄露；油路堵塞，如濾芯、節(jié)流孔、噴嘴堵塞。

3.6 油動機(jī)及其故障

以單側(cè)進(jìn)油式油動機(jī)為例，其依靠彈簧力關(guān)閉閥門，因此可以保證在失去動力源壓力油的情況下仍能關(guān)閉閥門。而油動機(jī)的開啟只是靠壓力油作用，即只用于使機(jī)組加減負(fù)荷或升降轉(zhuǎn)速。電液伺服閥接受DEH來的信號控制油缸活塞下腔室的油量，當(dāng)需要開大閥門時，伺服閥將壓力油引入活塞下腔室，油壓力克服彈簧力和蒸汽力作用使閥門開大，LVDT將其行程信號反饋至DEH。當(dāng)需要關(guān)小閥門時，原理相同。當(dāng)閥門開大或關(guān)小到需要的位置時，DEH將其指令和LVDT反饋信號綜合計算后使伺服閥回到電氣零位，遮斷其進(jìn)油口或排油口，使閥門停止在指定位置上。當(dāng)伺服閥失去控制電源時，能保證油動機(jī)關(guān)閉。由結(jié)構(gòu)組成和工作原理可知，油動機(jī)主要發(fā)生兩種種故障：卡澀（如油動機(jī)活塞、閥桿的卡澀）和油的內(nèi)泄漏。

3.7 調(diào)節(jié)汽閥及其故障

汽輪機(jī)的功率調(diào)節(jié)是通過改變調(diào)節(jié)汽閥的開度，調(diào)節(jié)進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量來實(shí)現(xiàn)的。調(diào)節(jié)汽閥的開大和關(guān)小由油動機(jī)直接或經(jīng)由傳動機(jī)構(gòu)來帶動，帶動調(diào)節(jié)汽閥的傳動機(jī)構(gòu)稱為配汽機(jī)構(gòu)。單座閥是汽輪機(jī)的一種常見的閥門結(jié)構(gòu)，在中小型汽輪機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用。因為單座閥的提升力很大，特別是在低負(fù)荷而且閥門又處在將要打開的位置時，閥前后作用了很大的壓差，在蒸汽參數(shù)高，閥門直徑大的現(xiàn)代大功率汽輪機(jī)中很少應(yīng)用單座閥，否則閥門的提升力將要大到不可允許的程度，使油動機(jī)的設(shè)計很困難。在大功率汽輪機(jī)中多用帶減壓閥的結(jié)構(gòu)。當(dāng)閥桿向上移動時，首先帶動閥門內(nèi)部的小減壓閥，使閥碟的上部和下部相通。因為蒸汽只能經(jīng)閥桿的間隙漏入閥門內(nèi)部，所以閥門內(nèi)部的壓力降低到和閥后壓力基本相等的數(shù)值。由調(diào)節(jié)汽閥的組成和工作原理可知，調(diào)節(jié)閥具有較長的閥桿，管路中殘留雜渣易造成堵塞甚至卡住。由于調(diào)節(jié)汽閥的閥桿直接與油動機(jī)閥桿相連，因此調(diào)節(jié)汽閥閥桿的卡澀故障就等同于有動機(jī)的卡澀故障。

4 結(jié)論及展望

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備繁多，產(chǎn)生故障的原因錯綜復(fù)雜，各個故障還有所關(guān)聯(lián)，這對于故障診斷工作來說是非常不利的。為了使故障診斷有效地應(yīng)用于實(shí)際，必須對調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見故障進(jìn)行歸類，把診斷的重點(diǎn)放在關(guān)鍵部位上的故障、最常發(fā)生的故障、可能引起嚴(yán)重事故的故障上，從而形成清晰的故障框架，并最終確定故障診斷方案[12]。文章通過分析汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要部件、工作原理及可能發(fā)生的故障，得到了如下結(jié)論。

（1）電子測量元件相較于機(jī)械式或液壓式的優(yōu)點(diǎn)較多，因此，機(jī)械液壓部分和邏輯控制部分相對來講更容易出現(xiàn)故障，所以故障診斷的重點(diǎn)在于電液調(diào)節(jié)閥、油動機(jī)和調(diào)節(jié)汽閥。又由于調(diào)節(jié)汽閥主要發(fā)生卡澀故障，而調(diào)節(jié)汽閥的閥桿直接與油動機(jī)閥桿相連，進(jìn)而從故障診斷的角度來看，調(diào)節(jié)汽閥閥桿的卡澀故障就等同于油動機(jī)的卡澀故障。

（2）從是否常發(fā)生故障的角度來看，診斷的重點(diǎn)是機(jī)械液壓系統(tǒng)的電液調(diào)節(jié)閥和油動機(jī)系統(tǒng)（包含調(diào)節(jié)汽閥），然后是邏輯控制部分的PID控制器和閥門管理系統(tǒng)。診斷的核心部件是機(jī)械液壓部分的調(diào)節(jié)閥和油動機(jī)。由于每個汽閥都有獨(dú)立執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此汽閥線路出現(xiàn)問題只有個別，而大多數(shù)是正常的，可以通過相互比較而確定哪條汽閥線路出現(xiàn)問題，其余故障多數(shù)可通過系統(tǒng)信號進(jìn)行直接判斷。

（3）由于在數(shù)字電液控制系統(tǒng)中，電液伺服閥和油動機(jī)是緊密相連的，它們連接部分沒有信號可測，只有電液伺服閥前的法位指令信號和油動機(jī)后的閥位信號可測，因此可以將機(jī)械液壓部分當(dāng)作一個整體。整個系統(tǒng)自內(nèi)而外可分為三層：第一層就是包括電液伺服閥、油動機(jī)和調(diào)節(jié)汽閥的機(jī)械液壓部分；第二層包含第一層結(jié)構(gòu)，又多加了閥門管理系統(tǒng)；第三層包含第二層結(jié)構(gòu)，又多加了PID控制器。隨著分層結(jié)構(gòu)的確立，整個數(shù)字電液控制系統(tǒng)的故障診斷方案也就確定下來了，就是一層一層地逐層診斷。由于診斷的核心部件是機(jī)械液壓部分，而且這部分的診斷相對較為復(fù)雜，因此整個系統(tǒng)的診斷順序就是從內(nèi)到外一層一層地逐層診斷。

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