汽輪機閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

郭伯春

(四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司, 四川廣安 638000)

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汽輪機閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

郭伯春

(四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司, 四川廣安 638000)

摘要：針對汽輪發(fā)電機運行中汽輪機閥門經(jīng)常出故障的問題，開發(fā)出一款自動診測汽輪機閥門隱患的診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于DEH內(nèi)部硬件監(jiān)控和通信技術(shù)，直接采集DEH和伺服機構(gòu)數(shù)據(jù)，通過編寫程序、分析實時和歷史數(shù)據(jù)，把對汽輪機閥門狀態(tài)的診斷、報警以及試驗和維護集成到人機交互界面中。實踐結(jié)果表明：該系統(tǒng)診斷及時，準(zhǔn)確可靠，方便直觀，經(jīng)濟效益突出。

關(guān)鍵詞：汽輪機； 閥門； 診斷； 通信； 編程； 開發(fā)； 應(yīng)用

采用汽輪機驅(qū)動的發(fā)電廠中，汽輪機閥門性能和狀態(tài)良好是保障機組安全經(jīng)濟運行的關(guān)鍵部件。近年來，在多個火電廠調(diào)查了解發(fā)現(xiàn)，汽輪機閥門故障時有發(fā)生，嚴(yán)重影響機組發(fā)電的安全性和經(jīng)濟性。其故障主要表現(xiàn)為：汽輪機沖轉(zhuǎn)后閥門不受運行人員指令控制，閥門卡滯在某處不能動作，電磁閥閥芯卡滯或線包燒壞等。由于汽輪機閥門故障通常發(fā)生在機組啟動和發(fā)電過程中，故障因素較多，故障點查找困難，故障處理耗時較長，不僅浪費燃料，還引起推遲并網(wǎng)發(fā)電和減少發(fā)電量，故障嚴(yán)重時可能因閥門失控導(dǎo)致機組跳閘、汽輪機超速等重大事故。由此可見，開發(fā)一款自動診測汽輪機閥門隱患、方便處理故障的診斷系統(tǒng)勢在必行。

筆者以某電廠6臺汽輪發(fā)電機組的汽輪機閥門運行情況為例，說明汽輪機閥門診斷系統(tǒng)的開發(fā)過程與應(yīng)用效果。

1開發(fā)方案的確立

1.1 閥門故障分析

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計，2013年該電廠6臺機組(2臺600 MW和4臺300 MW燃煤蒸汽動力發(fā)電機組)的汽輪機閥門共發(fā)生了4次異常，其故障明細(xì)情況見表1。

從表1中可以看出：汽輪機閥門故障多發(fā)生在汽輪機沖轉(zhuǎn)和發(fā)電過程中，故障后汽輪機的可靠性差，搶修中均存在機組跳閘的風(fēng)險，故障處理耗時較長，直接減少機組并網(wǎng)發(fā)電時間和所發(fā)電量，嚴(yán)重影響機組安全性和發(fā)電經(jīng)濟效益。

表1　汽輪機閥門故障情況統(tǒng)計表

1.2 方案的選擇

從故障分析可以看出：汽輪機閥門故障原因主要有伺服機構(gòu)在就地控制方式、接線松動、電磁閥及反饋裝置(LVDT)故障等，針對這些可能存在的故障，開發(fā)一套及時準(zhǔn)確地診斷出故障，并報告故障點的診斷系統(tǒng)，能夠提高故障處理效率，盡快恢復(fù)正常發(fā)電，減少經(jīng)濟損失。在此故障診斷功能的基礎(chǔ)上，通過試驗、維護和歷史數(shù)據(jù)分析等輔助手段，達到在汽輪機沖轉(zhuǎn)前，甚至在鍋爐點火前，及早診斷汽輪機閥門性能和狀態(tài)情況，對其隱患及早處理，從而減少汽輪機閥門運行時的故障頻次，提高機組發(fā)電安全性和可靠性。

開發(fā)汽輪機閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)主要有2種方案可供選擇：一是采用獨立的計算機系統(tǒng)，通過與汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，通過軟件編程實現(xiàn)故障診斷、試驗、維護和歷史數(shù)據(jù)分析等相應(yīng)功能；二是采用基于分散控制系統(tǒng)(DCS)的編程和組態(tài)，直接利用DCS的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，設(shè)計診斷策略，通過DCS編程和組態(tài)，實現(xiàn)對汽輪機閥門狀態(tài)診斷功能，在此基礎(chǔ)上輔以試驗和維護功能，達到及時發(fā)現(xiàn)隱患的效果。方案一須要購買獨立的計算機系統(tǒng)，以及實現(xiàn)與DEH通信的硬件設(shè)備，軟件編程方面需設(shè)計通信功能及實時和歷史數(shù)據(jù)處理功能[1]，此方案投資較大，軟件開放性好，功能全面，但實現(xiàn)較為困難；方案二是在原有DCS上實現(xiàn)，無須購買硬件設(shè)備，但功能上相對簡單，若要實現(xiàn)復(fù)雜的功能，需對DCS有深入的了解，如采用附加C語言編程等方法，實現(xiàn)相對較為容易。

2診斷系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)診斷系統(tǒng)開發(fā)方案，結(jié)合該電廠機組較多、節(jié)約投資費用的實際情況，選擇了方案二，即基于DCS的數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)分析，設(shè)計診斷策略，編寫程序和組態(tài)，實現(xiàn)對汽輪機閥門狀態(tài)診斷功能，達到分析和判斷汽輪機閥門隱患，報告故障點，提高汽輪機閥門的可靠性和可維護性。該診斷系統(tǒng)以故障判斷為主，輔以試驗和智能維護等功能，以狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、電磁閥試驗、閥門校驗、狀態(tài)歷史追憶、故障點聲光報警等多種方式，配合故障判斷，及早發(fā)現(xiàn)隱患和準(zhǔn)確診斷故障點，指導(dǎo)故障處理。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理見圖1。

2.1 故障診斷

該診斷系統(tǒng)的核心部分為故障診斷，數(shù)據(jù)來源分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)兩部分。

實時數(shù)據(jù)分析基于DCS的數(shù)據(jù)采集功能，在線收集DEH閥門狀態(tài)信息(包括開閥指令、閥門位置反饋、蒸汽壓力、蒸汽流量、當(dāng)前負(fù)荷等與閥門狀態(tài)相關(guān)的重要參數(shù))，通過DCS邏輯編程，可以初步診斷當(dāng)前閥門的性能和運行狀態(tài)是否正常，并把診斷結(jié)果顯示出來，如果出現(xiàn)異常，經(jīng)程序判斷，立即發(fā)出相應(yīng)故障點的聲光報警。設(shè)計時，直接利用DCS的趨勢在線功能，通過操作畫面編程和程序診斷，把汽輪機閥門狀態(tài)信息用趨勢圖的形式呈現(xiàn)出來，通過人機交互，便于人工故障分析和狀態(tài)異常診斷。

歷史數(shù)據(jù)分析通過C語言編程或DCS特殊功能的調(diào)用，開發(fā)歷史數(shù)據(jù)采集和分析功能，對重要的閥門性能和狀態(tài)信息采集近段時間來的歷史數(shù)據(jù)，設(shè)計程序分析閥門開度、伺服系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性[2]，診斷出異常立即自動發(fā)出聲光報警，實現(xiàn)當(dāng)前狀態(tài)與歷史數(shù)據(jù)對照分析，達到自動診斷汽輪機閥門狀態(tài)的效果。

為了提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，對于汽輪機中的調(diào)節(jié)型閥門，通過直接和汽輪機閥門伺服機構(gòu)通信，采集伺服機構(gòu)內(nèi)部數(shù)據(jù)，把汽輪機閥門狀態(tài)相關(guān)信息(如控制方式、斷線、反饋錯誤等)，通過程序識別和判斷，把診斷結(jié)果以光字牌報警等方式直觀地展示出來。對于開關(guān)型閥門，增加到位開關(guān)，到位判斷采用三取二的方式，提高到位信號的準(zhǔn)確性。

2.2 試驗操作

為了實現(xiàn)該診斷系統(tǒng)的預(yù)測性，及早檢查診斷汽輪機閥門性能和狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)汽輪機閥門存在的隱患，結(jié)合DEH原有試驗功能，新增了開機前試驗功能，通過試驗操作，配合診斷系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)分析和故障診斷，實現(xiàn)在汽輪機沖轉(zhuǎn)前診斷閥門的性能和狀態(tài)，參照診斷報告，對異常情況及時處理，避免汽輪機運行中因閥門故障帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。

DEH中，原有試驗包括噴油試驗、超速試驗、高壓遮斷試驗、閥門活動試驗等，這些試驗是對汽輪機主要功能的測試，現(xiàn)場運用中發(fā)現(xiàn)，這些試驗并未完全涵蓋DEH設(shè)備，容易導(dǎo)致個別設(shè)備存在隱患不能及時發(fā)現(xiàn)，設(shè)備隱患暴露時將產(chǎn)生嚴(yán)重的汽輪機閥門故障。因此，該診斷系統(tǒng)在原有試驗的基礎(chǔ)上，通過編程和軟件界面設(shè)計，新增單臺閥門手動試驗、單個電磁閥性能測試、靜態(tài)噴油試驗、靜態(tài)超速試驗等試驗操作功能，這些試驗操作協(xié)助故障診斷功能，起到及早診斷汽輪機閥門是否存在異常的作用。

2.3 智能維護

為了配合診斷系統(tǒng)的主要故障診斷功能，進一步豐富其輔助功能，方便故障檢修，縮短處理時間，還設(shè)計了閥門遠程校驗和簡單異常自動處理等智能維護功能。

針對汽輪機調(diào)節(jié)型閥門遠程校驗，采用DEH對伺服機構(gòu)的底層控制，利用圖形語言，通過邏輯和畫面組態(tài)，實現(xiàn)在操作員站人機交互界面操作，自動完成閥門校驗[3]。該功能操作方便快捷，提高維護效率。通過遠程校驗，保證伺服機構(gòu)的控制精度和調(diào)節(jié)線性度，滿足機組負(fù)荷對閥門開度的要求，從而實現(xiàn)機組運行中對汽輪機閥門的快速精確控制，確保機組安全經(jīng)濟運行。

另外，還設(shè)計了伺服機構(gòu)簡單異常自動處理功能。該功能結(jié)合實時數(shù)據(jù)分析，通過程序判斷，針對一些簡單異常(如人為把伺服機構(gòu)控制切換到就地模式，伺服機構(gòu)控制初始參數(shù)未設(shè)定，閥門指令或反饋無故出現(xiàn)較大的階躍變化等)，在報告相應(yīng)診斷結(jié)果的同時，并具有自動處理能力，達到從多角度來保障汽輪機閥門處于良好的工作狀態(tài)。

3診斷系統(tǒng)應(yīng)用效果

2014年3月，汽輪機閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)開發(fā)完成后，在該電廠6臺機組(其DEH均采用EMERSON Ovation分散控制系統(tǒng))上應(yīng)用，1年來，對該診斷系統(tǒng)應(yīng)用情況跟蹤統(tǒng)計見表2。

表2　汽輪機閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)診斷報告統(tǒng)計表

從表2可以看出：此診斷系統(tǒng)能及早、準(zhǔn)確、直觀地診斷汽輪機閥門狀態(tài)，并報告故障點，為檢修處理提供直接可靠的指導(dǎo)信息，對于簡單異常具有自動處理能力，有效避免機組運行中汽輪機閥門故障。1年來共診斷出異常6次，均在機組啟動前，預(yù)測效果明顯，既節(jié)約燃料又能保證發(fā)電量。以應(yīng)用汽輪機閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)前為參照，故障處理時長平均50 min，共計300 min，可節(jié)約的燃料量折合為燃油約25 t，以0號柴油每噸7 000元計算，直接經(jīng)濟效益為17.5萬元；其故障處理時間內(nèi)耽誤發(fā)電量計算以600 MW機組滿負(fù)荷發(fā)電300 min為參考，每千瓦時電贏利約0.15元，直接經(jīng)濟效益為45萬元。綜上所述，在該電廠一年來的實踐運用中，診斷系統(tǒng)產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益合計為62.5萬元。

4結(jié)語

汽輪機閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)在充分利用原有DEH硬件和軟件的情況下，通過數(shù)據(jù)采集和分析，編寫故障診斷程序，開發(fā)的一套針對汽輪機閥門性能和狀態(tài)的診斷系統(tǒng)，并為汽輪機閥門故障處理提供指導(dǎo)。該診斷系統(tǒng)在硬件投資費用方面零投入，其診斷結(jié)果及時準(zhǔn)確，能夠避免機組運行時汽輪機閥門故障發(fā)生，確保汽輪機安全經(jīng)濟運行，在全國電力行業(yè)發(fā)電廠具有良好的全面推廣價值，在其他行業(yè)使用蒸汽輪機的工廠，也具有較高的推廣意義。

參考文獻：

[1] 陶亞雄. 數(shù)字通信原理與技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006：8-14.

[2] 王爽心, 葛曉霞. 汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)[M]. 北京：中國電力出版社，2004：70-76.

[3] 郭伯春, 肖勝. Ovation系統(tǒng)汽輪機閥門校驗在操作員站上的實現(xiàn)[J]. 華電技術(shù), 2011,33(1)：5-8.

Development and Application of a Valve Status Diagnostic System for Steam Turbines

Guo Bochun

(Sichuan Guang’an Power Generation Co., Ltd., Guang’an 638000, Sichuan Province, China)

Abstract：To overcome the frequent failures occurring in the valve of steam turbines, an automatic diagnostic system has been developed based on DEH internal hardware monitoring and communication technology, which is able to integrate following processes into the human-machine interaction interface, such as the status diagnosis, alarming, testing and maintenance of valve, by directly collecting the data of DEH and servo mechanism, programming, analyzing real-time and historical data, and so on. Application results show that the diagnosis of the proposed system is timely, accurate and reliable, convenient and intuitive, producing obvious economic effects.

Keywords：steam turbine; valve; diagnosis; communication; programming; development; application

中圖分類號：TK263

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)02-0127-04

作者簡介：郭伯春(1976—)，男，工程師，從事電廠熱工儀表及自動裝置技術(shù)管理與檢修方面工作。E-mail: guodashanren@163.com

收稿日期：2015-07-30