基于汽輪機(jī)的故障診斷方法的研究

孫瑞

【摘 要】汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組是重要的設(shè)備，電力生產(chǎn)由于其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境的特殊性，汽輪機(jī)組故障率高，而且故障危害也大。因此，汽輪發(fā)電機(jī)組的故障診斷一直是故障診斷技術(shù)應(yīng)用的重要方面。在本文中，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的診斷方法進(jìn)行了研究，用于分析和處理類(lèi)似的振動(dòng)問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī)；故障診斷；發(fā)展前景

1.引言

電力企業(yè)負(fù)責(zé)國(guó)家電力的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活密切相關(guān)。近年來(lái)，汽輪機(jī)的振動(dòng)診斷，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和信號(hào)分析處理取得長(zhǎng)足進(jìn)步，確保發(fā)電企業(yè)的安全生產(chǎn)做出了很大的貢獻(xiàn)，積累了大量的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。但設(shè)備容量規(guī)模大，目前的經(jīng)驗(yàn)和理論不能滿(mǎn)足實(shí)際需求和振動(dòng)信號(hào)分析和處理，仍然是影響設(shè)備安全的重要因素。

2.汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展

2.1 信號(hào)采集與分析

2.1.1 故障信息采集。

由于汽輪機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行，傳感器性能直接影響到所收集數(shù)據(jù)的可信度，所以如何開(kāi)發(fā)高性能，高可靠性的傳感器是必要的；從傳感器獲得的原始數(shù)據(jù)，混合了大量噪聲，如何對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的處理是故障診斷更重要的研究課題，振動(dòng)信號(hào)可以很好地反映機(jī)組運(yùn)行的停滯或下降，最具代表性，處理和分析這些信號(hào)變得尤為重要。

2.1.2 信號(hào)分析與處理。

目前較為成熟的快速傅立葉變換（FFT）和小波變換分析方法，全息頻譜分析，時(shí)間延遲缺陷，信號(hào)分形維數(shù)計(jì)算等，包括FFT，更多的思想FFT一般是時(shí)域信號(hào)表示為具有不同頻率的諧波函數(shù)的線(xiàn)性疊加，假設(shè)信號(hào)是穩(wěn)定的，因此對(duì)頻率不變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，許多固定信號(hào)的FFT具有適用性，因此被廣泛使用。引進(jìn)現(xiàn)代人工智能，為專(zhuān)家系統(tǒng)和勞動(dòng)力等故障診斷帶來(lái)了新的活力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等診斷理論認(rèn)為，加入這些智能理論可以促進(jìn)診斷的快速發(fā)展展覽。設(shè)備診斷技術(shù)經(jīng)歷了理論啟蒙發(fā)展，理論逐步完善，理論應(yīng)用和現(xiàn)實(shí)健，連同企業(yè)信息化建設(shè)，已發(fā)展成為綜合性的應(yīng)用課題。

2.2 故障機(jī)理與診斷策略

2.2.1 故障機(jī)理。

故障機(jī)制是指故障的固有本質(zhì)和原因，任何故障都有相應(yīng)的特點(diǎn)，如何從這些故障征兆獲得原始數(shù)據(jù)是故障診斷領(lǐng)域非常重要的研究方向。主要從現(xiàn)場(chǎng)找到故障規(guī)律，是通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法得到的故障征兆和故障模型，基于數(shù)據(jù)等設(shè)置，對(duì)于汽輪機(jī)主軸運(yùn)行狀態(tài)，主要是通過(guò)分析振動(dòng)信號(hào)，獲取故障征兆，建立故障征兆。

2.2.2 診斷策略和診斷方法。

由于故障征兆集合的復(fù)雜性，如何確定故障是故障的最終問(wèn)題，在汽輪機(jī)故障診斷領(lǐng)域，常用策略的診斷具有邏輯診斷，統(tǒng)計(jì)，模式識(shí)別，模糊診斷，專(zhuān)家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷。 如何實(shí)現(xiàn)上述算法，達(dá)到一定的可靠性，保證診斷速度成為研究的主要方向。

3.故障診斷中存在的問(wèn)題

汽輪機(jī)的振動(dòng)故障是汽輪機(jī)事故的重要組成部分。振動(dòng)故障分析對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。通過(guò)對(duì)以往研究人員和企業(yè)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的研究，總結(jié)了典型故障狀態(tài)的特點(diǎn)和性能，在實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)上進(jìn)行故障判斷是重要的，操作人員可以掌握知識(shí)，首先由 理論知識(shí)決定故障，然后采取正確的措施。

3.1 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

當(dāng)轉(zhuǎn)子不平衡力的作用下，振動(dòng)將以一個(gè)隨速度相同的強(qiáng)制振動(dòng)頻率，按照諧振曲線(xiàn)變化規(guī)律，在臨界轉(zhuǎn)速下達(dá)到最大值，如1X振幅大，高次諧波的存在，逐漸減少；當(dāng)速度恒定時(shí)，其幅度和相位隨時(shí)間而變化。軸軌跡呈現(xiàn)橢圓形。轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的原因有很多，包括原來(lái)的不平衡，組件松動(dòng)，轉(zhuǎn)子熱彎，但原來(lái)的失衡是最大的。原始質(zhì)量是指由不平衡引起的轉(zhuǎn)子不平衡因素所固有的，是由制造或維修安裝過(guò)程造成的，振幅和相位在渦輪機(jī)起動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)定周期性變化，因此通過(guò)觀察渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速振動(dòng)數(shù)據(jù)，可以確定轉(zhuǎn)子原始質(zhì)量是否不平衡還是移動(dòng)。

故障的突然發(fā)生，振動(dòng)在秒內(nèi)增大，相位迅速變化。；轉(zhuǎn)子熱彎主要是隨著時(shí)間的推移、功率頻率振動(dòng)發(fā)生變化，一般在一定參數(shù)下，隨著參數(shù)的提高和緩慢的增加最終的穩(wěn)定，也隨著參數(shù)的變化而變化，所以轉(zhuǎn)子的熱彎是可以的隨著環(huán)境的改造可以恢復(fù)，只要轉(zhuǎn)子永久塑性變形不發(fā)生，就允許一定的變化范圍。

3.2 轉(zhuǎn)子動(dòng)靜碰摩

轉(zhuǎn)子動(dòng)靜碰摩是運(yùn)行過(guò)程中汽輪運(yùn)動(dòng)部件和固定部件的常見(jiàn)故障。由于設(shè)備的旋轉(zhuǎn)部件和靜態(tài)部件之間的間隙逐漸減小，這將導(dǎo)致設(shè)備在摩擦過(guò)程中發(fā)生的可能性增加，但一旦摩擦事件發(fā)生，則振動(dòng)的單位將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈甚至永久的彎曲軸，反過(guò)來(lái)又會(huì)使系統(tǒng)摧毀，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失難以估計(jì)，所以如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)出警告意義重大。

導(dǎo)致機(jī)組碰摩主振動(dòng)的原因是轉(zhuǎn)子不在中間，運(yùn)動(dòng)間隙不足。以上可能是由于設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的主要原因，安裝人員安裝位置錯(cuò)誤，維修人員錯(cuò)誤引起的觸摸設(shè)備本身不足，材料和設(shè)備造成的收縮和不平衡，故障早期檢測(cè)解決方案不會(huì)影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

3.3 轉(zhuǎn)子不對(duì)中

所謂的轉(zhuǎn)子故障是指通過(guò)聯(lián)軸器連接的兩個(gè)轉(zhuǎn)子的中心線(xiàn)不成行，并且存在一定的偏轉(zhuǎn)，這也是汽輪機(jī)的常見(jiàn)故障之一。兩個(gè)轉(zhuǎn)子的物理特征未顯示為兩個(gè)轉(zhuǎn)子的中心軸不是直線(xiàn)，導(dǎo)致平行偏移或一定角度；在數(shù)據(jù)處理級(jí)別，表示時(shí)域波形基本旋轉(zhuǎn)頻率的高階分量，2X振動(dòng)非常明顯，軸軌跡為香蕉形，甚至“8”字形。

轉(zhuǎn)子軸偏移的可能原因有：（1）加工錯(cuò)誤和安裝。導(dǎo)致不正確的加工過(guò)程連接兩個(gè)轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)不垂直于表面和中心或螺栓孔和軸頸不同，它會(huì)產(chǎn)生額外的彎矩，但它的尺寸和方向是固定的，相當(dāng)于設(shè)備本身的固有屬性只增加了不平衡力，分析時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)次數(shù)； （2）維護(hù)和引起熱量的錯(cuò)誤。根據(jù)不同的工作環(huán)境，冷熱狀態(tài)不同，冷態(tài)主要是指由于維護(hù)過(guò)程中或安裝過(guò)程中人員的不當(dāng)操作，可以避免這種情況。在加熱狀態(tài)的情況下，器件是由材料在高溫下的膨脹引起的。

4.汽輪機(jī)故障診斷的發(fā)展前景

汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)研究受到關(guān)注，一般電力企業(yè)和各種新型汽輪機(jī)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員及其各種故障檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)是主要的研究方向之一，在許多研究型大學(xué)和專(zhuān)業(yè)方面都有強(qiáng)大機(jī)構(gòu)不可避免地會(huì)出現(xiàn)許多科技成果，所以，故障機(jī)制研究勢(shì)必然促進(jìn)故障診斷技術(shù)的發(fā)展。故障機(jī)制研究逐步深入，將重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)故障的定量表征，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)故障狀態(tài)的判斷指標(biāo)體系及其判斷閾值將是另一個(gè)重要方向。對(duì)于汽輪機(jī)的故障診斷，優(yōu)先考慮振動(dòng)診斷，考慮熱影響診斷，性能診斷，邏輯順序等診斷。診斷結(jié)合模擬技術(shù)將主要體現(xiàn)在汽輪機(jī)故障模擬識(shí)別中，通過(guò)系統(tǒng)仿真故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)提供知識(shí)規(guī)則和學(xué)習(xí)樣本，通過(guò)使用邏輯仿真組件進(jìn)行系統(tǒng)故障診斷。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊偉. 基于Petri網(wǎng)的遠(yuǎn)程智能故障診斷方法研究 華北電力大學(xué)，2014.

[2]韓延鵬. 汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲故障診斷方法研究及應(yīng)用 .華北電力大學(xué)，2014.

[3]高洪濤. 工業(yè)汽輪機(jī)熱力性能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與故障診斷的研究[ 大連理工大學(xué)，1998.

[4]吳景豐. 汽輪發(fā)電機(jī)組常見(jiàn)振動(dòng)故障診斷的研究 大連理工大學(xué)，2003.

[5]劉征遠(yuǎn). 汽輪機(jī)故障診斷與預(yù)測(cè) 華北電力大學(xué)（北京），2009.endprint