汽輪機(jī)閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭伯春，肖勝

(1.四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司，四川 廣安　638000； 2.西安熱工研究院有限公司，西安　710032)

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汽輪機(jī)閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭伯春1，肖勝2

(1.四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司，四川 廣安638000； 2.西安熱工研究院有限公司，西安710032)

摘要：以四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司6臺汽輪發(fā)電機(jī)組的汽輪機(jī)閥門運(yùn)行情況為例，設(shè)計(jì)了一款汽輪機(jī)閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)，基于汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)內(nèi)部硬件監(jiān)控和通信技術(shù)，直接采集DEH和伺服機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，通過編寫程序，分析實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，判斷汽輪機(jī)閥門性能和狀態(tài)是否良好，把對汽輪機(jī)閥門狀態(tài)的診斷、報(bào)警以及試驗(yàn)和維護(hù)集成到人機(jī)交互界面中，形成一套在線監(jiān)控汽輪機(jī)閥門狀態(tài)的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)診斷及時(shí)、準(zhǔn)確、直觀，經(jīng)濟(jì)效益突出。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)；閥門；診斷；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

表1　2013年廣安發(fā)電公司汽輪機(jī)閥門故障統(tǒng)計(jì)

0引言

采用汽輪機(jī)驅(qū)動的發(fā)電廠中，汽輪機(jī)閥門性能和狀態(tài)良好是保障機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。近年來，對多個(gè)火電廠調(diào)查了解發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)閥門故障時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響機(jī)組發(fā)電的安全性和經(jīng)濟(jì)性。其故障主要表現(xiàn)為：汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)后閥門不受運(yùn)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(jī)閥門故障通常發(fā)生在機(jī)組啟動和發(fā)電過程中，故障因素較多，故障點(diǎn)查找困難，故障處理耗時(shí)較長，不僅浪費(fèi)燃料，還引起推遲并網(wǎng)發(fā)電和發(fā)電量減少，故障嚴(yán)重時(shí)可能因閥門失控導(dǎo)致機(jī)組跳閘、汽輪機(jī)超速等重大事故。由此可見，開發(fā)一款自動診斷汽輪機(jī)閥門隱患、方便處理故障的系統(tǒng)勢在必行。

以四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司(以下簡稱廣安發(fā)電公司)6臺汽輪發(fā)電機(jī)組的汽輪機(jī)閥門運(yùn)行情況為例，闡述汽輪機(jī)閥門診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。

1設(shè)計(jì)方案的確定

1.1閥門故障分析

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2013年廣安發(fā)電公司6臺機(jī)組(2×600 MW+4×300 MW燃煤蒸汽動力發(fā)電機(jī)組)的汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥(以下簡稱高調(diào)閥)及高壓主汽閥(以下簡稱高主閥)共發(fā)生了4次異常，其故障明細(xì)見表1。

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

1.2診斷方案選擇

從故障分析可以看出，汽輪機(jī)閥門故障原因主要有伺服機(jī)構(gòu)處于就地控制方式、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)一套能及時(shí)、準(zhǔn)確診斷出故障并報(bào)告故障點(diǎn)的診斷系統(tǒng)，可以提高故障處理效率，盡快恢復(fù)正常發(fā)電，減少經(jīng)濟(jì)損失。在故障診斷功能的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)、維護(hù)和歷史數(shù)據(jù)分析等輔助手段，在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，甚至在鍋爐點(diǎn)火前，及早診斷汽輪機(jī)閥門性能和狀態(tài)，對隱患及早處理，從而減少汽輪機(jī)閥門運(yùn)行時(shí)的故障頻次，提高機(jī)組發(fā)電的安全性和可靠性。

開發(fā)汽輪機(jī)閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)主要有2種方案：一是采用獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過與汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)故障診斷，以及對試驗(yàn)、維護(hù)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系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)診斷策略，通過DCS編程和組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)閥門狀態(tài)的診斷功能，在此基礎(chǔ)上輔以試驗(yàn)和維護(hù)功能，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患的目的。方案1需要購買獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及與DEH通信的硬件設(shè)備，軟件編程方面需設(shè)計(jì)通信功能、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理功能[1]，軟件開放性好，功能全面，但投資較大，實(shí)現(xiàn)較為困難；方案2是在原有DCS系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的，不需購買硬件設(shè)備，硬件上是“零投入”，但功能上相對簡單，若要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，需對DCS系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，如采用附加C語言編程等方法，實(shí)現(xiàn)相對較為容易。

2診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)診斷系統(tǒng)開發(fā)方案，結(jié)合廣安發(fā)電公司機(jī)組較多、節(jié)約投資費(fèi)用的實(shí)際情況，選擇了方案2，即基于DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)診斷策略，編寫程序和組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)閥門狀態(tài)的診斷功能，分析和判斷汽輪機(jī)閥門隱患，報(bào)告故障點(diǎn)，提高汽輪機(jī)閥門的可靠性和可維護(hù)性。該診斷系統(tǒng)以故障判斷為主，輔以試驗(yàn)和智能維護(hù)等功能，采用狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、電磁閥試驗(yàn)、閥門校驗(yàn)、狀態(tài)歷史追憶、故障點(diǎn)聲光報(bào)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(diǎn)，指導(dǎo)故障處理。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　汽輪機(jī)閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1故障診斷

該診斷系統(tǒng)的核心部分為故障診斷功能，數(shù)據(jù)來源分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)2部分。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析基于DCS系統(tǒng)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)荷等重要參數(shù))，通過DCS系統(tǒng)邏輯編程，可以初步診斷當(dāng)前閥門的性能和運(yùn)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(diǎn)的聲光報(bào)警。設(shè)計(jì)時(shí)，直接利用DCS系統(tǒng)的趨勢在線顯示功能，通過操作畫面編程和程序診斷，把汽輪機(jī)閥門狀態(tài)信息用趨勢圖的形式呈現(xiàn)出來，通過人機(jī)交互，便于人工故障分析和閥門狀態(tài)異常診斷。

通過C語言編程或DCS系統(tǒng)特殊功能的調(diào)用，開發(fā)歷史數(shù)據(jù)采集和分析功能，采集近段時(shí)間重要閥門的性能和狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)程序分析閥門開度、伺服系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性[2-4]，診斷出異常立即自動發(fā)出聲光報(bào)警，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前狀態(tài)與歷史數(shù)據(jù)對比，達(dá)到自動診斷汽輪機(jī)閥門狀態(tài)的目的。

為了提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，對于汽輪機(jī)中的調(diào)節(jié)型閥門，通過直接和汽輪機(jī)閥門伺服機(jī)構(gòu)通信，采集伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)部數(shù)據(jù)，把汽輪機(jī)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(bào)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3取2的方式，提高到位信號的準(zhǔn)確性。

2.2試驗(yàn)操作

為了實(shí)現(xiàn)該診斷系統(tǒng)的預(yù)測性，及早檢查、診斷汽輪機(jī)閥門性能和狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)閥門存在的隱患，結(jié)合DEH系統(tǒng)原有試驗(yàn)功能，設(shè)計(jì)了開機(jī)前試驗(yàn)功能，通過試驗(yàn)操作，配合診斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和故障診斷，實(shí)現(xiàn)在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前診斷閥門的性能和狀態(tài)，參照診斷報(bào)告，對異常情況及時(shí)處理，避免在汽輪機(jī)運(yùn)行中因閥門故障帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

DEH系統(tǒng)中，原有試驗(yàn)包括噴油試驗(yàn)、超速試驗(yàn)、高壓遮斷試驗(yàn)、閥門活動試驗(yàn)等，這些試驗(yàn)是對汽輪機(jī)主要功能的測試?，F(xiàn)場運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)，這些試驗(yàn)并未完全涵蓋DEH系統(tǒng)設(shè)備，容易導(dǎo)致個(gè)別設(shè)備存在的隱患不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，設(shè)備隱患暴露時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的汽輪機(jī)閥門故障。因此，該診斷系統(tǒng)在原有試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過編程和軟件界面設(shè)計(jì)，新增單臺閥門手動試驗(yàn)、單個(gè)電磁閥性能測試、靜態(tài)噴油試驗(yàn)、靜態(tài)超速試驗(yàn)等試驗(yàn)操作功能，這些試驗(yàn)操作可以協(xié)助系統(tǒng)診斷故障，及早診斷汽輪機(jī)閥門是否存在異常。

2.3智能維護(hù)

為了實(shí)現(xiàn)該診斷系統(tǒng)的健壯性，配合其主要的故障診斷功能，進(jìn)一步豐富其輔助功能，方便故障檢修，縮短處理時(shí)間，還設(shè)計(jì)了閥門遠(yuǎn)程校驗(yàn)和簡單異常情況自動處理等智能維護(hù)功能。

針對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)型閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程校驗(yàn)，采用DEH系統(tǒng)控制伺服機(jī)構(gòu)的底層，利用圖形語言，通過邏輯和畫面組態(tài)，在操作員站人機(jī)交互界面操作，自動完成閥門校驗(yàn)[5]。該功能操作方便快捷，提高維護(hù)效率。通過遠(yuǎn)程校驗(yàn)，保證伺服機(jī)構(gòu)的控制精度和調(diào)節(jié)線性度，以滿足機(jī)組負(fù)荷對閥門開度的要求，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組在運(yùn)行中對汽輪機(jī)閥門的快速、精確控制，確保機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

另外，還設(shè)計(jì)了伺服機(jī)構(gòu)簡單異常情況自動處理功能，該功能結(jié)合實(shí)時(shí)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(jī)構(gòu)控制切換到就地模式，伺服機(jī)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)較大階躍變化等)，在報(bào)告相應(yīng)診斷結(jié)果的同時(shí)，具有自動處理能力，達(dá)到從多角度確保汽輪機(jī)閥門處于良好工作狀態(tài)的目的。

3實(shí)際應(yīng)用效果

2014年3月，汽輪機(jī)閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)開發(fā)完成后，在廣安發(fā)電公司6臺機(jī)組(均采用EMERSON Ovation DEH)上應(yīng)用，1年來，對該診斷系統(tǒng)應(yīng)用情況跟蹤統(tǒng)計(jì)見表2。

從表2可以看出，該診斷系統(tǒng)能及早、準(zhǔn)確、直觀地診斷汽輪機(jī)閥門狀態(tài)，并報(bào)告故障點(diǎn)，為檢修處理提供直接、可靠的指導(dǎo)信息，對于簡單異常情況具有自動處理能力，有效避免機(jī)組運(yùn)行中汽輪機(jī)閥門故障。在廣安發(fā)電公司1年來的實(shí)踐運(yùn)用中，共診斷出異常情況6次，均在機(jī)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，該診斷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表2　診斷報(bào)告統(tǒng)計(jì)

4結(jié)束語

汽輪機(jī)閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，通過不斷實(shí)踐和完善，該系統(tǒng)已形成應(yīng)用平臺，接下來將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，繼續(xù)深入開發(fā)性能診斷等方面功能。汽輪機(jī)閥門狀態(tài)診斷系統(tǒng)能夠有效減少機(jī)組運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)閥門故障的發(fā)生，對汽輪機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行保駕護(hù)航。在全國電力行業(yè)中，此診斷系統(tǒng)具有良好的推廣價(jià)值，在其他使用蒸汽輪機(jī)的行業(yè)中也具有較高的推廣意義。

參考文獻(xiàn)：

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

(本文責(zé)編：弋洋)

收稿日期:2015-12-25；修回日期:2016-02-08

中圖分類號：TK 26

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1951(2016)03-0038-03

作者簡介：

郭伯春(1976—)，男，四川南充人，工程師，從事電廠熱工儀表及自動裝置技術(shù)管理與檢修方面的工作(E-mail:guodashanren@163.com)。

肖勝(1978—)，男，天津人，高級工程師，工學(xué)碩士，從事電廠現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)方面的工作。