超超臨界汽輪機組軸系穩(wěn)定性評估與風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)研究

宗緒東 周寬 王新

摘 要：軸系穩(wěn)定性對汽輪機安全性至關(guān)重要，一旦失常輕則造成機組跳閘，嚴(yán)重的可導(dǎo)致動靜摩擦、大軸彎曲等惡性事故。該文分析了現(xiàn)有運行監(jiān)控系統(tǒng)的不足，對穩(wěn)定性評估、風(fēng)險預(yù)警方法進(jìn)行了研究，制定了評估、預(yù)警模型，開發(fā)了軸系穩(wěn)定性評估與風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)。實踐表明，該系統(tǒng)投入運行后能夠準(zhǔn)確評估并超前預(yù)警，從而保證汽輪機組運行安全。

關(guān)鍵詞：軸系穩(wěn)定性；風(fēng)險預(yù)警；診斷模型

中圖分類號：TK12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

汽輪機是火力發(fā)電廠最重要的設(shè)備之一，而軸系穩(wěn)定性直接影響汽輪機運行安全。軸系穩(wěn)定性是汽輪機設(shè)備中最關(guān)鍵、最難于分析的運行狀態(tài)，其中與軸系動力系統(tǒng)運行狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)更是很難獲取。近年來國內(nèi)600 MW以上超超臨界機組由于主油箱油位監(jiān)視不當(dāng)、軸承負(fù)載不均衡等原因發(fā)生過多起斷油化瓦、大軸彎曲等事故，造成了較大的經(jīng)濟損失。

為了提高汽輪機組運行安全性，我們根據(jù)多年來汽輪機運行經(jīng)驗及事故教訓(xùn)，結(jié)合華電集團某公司申報的2018年科技項目，研制和開發(fā)了“汽輪機軸系穩(wěn)定性評估與風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)”，并在某660 MW超超臨界機組進(jìn)行了應(yīng)用。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)集中、全面的監(jiān)控；通過對汽輪機有關(guān)設(shè)備的設(shè)計值、特征值、經(jīng)驗值等進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對造成軸系不穩(wěn)定的原因進(jìn)行分析，形成軸系穩(wěn)定性評估操作指導(dǎo)；制定生成規(guī)則庫，對停機、超速險、大軸斷裂及損壞、大軸彎曲、軸瓦損壞等風(fēng)險進(jìn)行分析，形成預(yù)警體系。

1 現(xiàn)有系統(tǒng)軸系穩(wěn)定性評估及風(fēng)險預(yù)警不足

目前火力發(fā)電廠在機組DCS微機中監(jiān)視軸承振動、軸承溫度、汽缸軸向位移、脹差、上下缸溫差等參數(shù)，參數(shù)超限發(fā)出報警。系統(tǒng)主要存在以下問題。

1.1 監(jiān)控畫面分散，不利運行監(jiān)控

現(xiàn)有DCS微機中軸系穩(wěn)定性參數(shù)分布在不同的監(jiān)控畫面中，需要進(jìn)行切換，無法實現(xiàn)集中監(jiān)控，運行人員監(jiān)控操作不方便。

1.2 監(jiān)測測點不全，存在監(jiān)控盲區(qū)

現(xiàn)有測點中缺少高、中壓缸左右及垂直方向位移，不能全方位判斷汽缸的總體膨脹情況；缺少高、中、低壓缸軸封供汽回汽溫度測點，不能監(jiān)控軸封回汽量及軸封加熱情況；缺少軸系重要參數(shù)的變化速率，不能及時預(yù)測參數(shù)的變化趨勢。

1.3 不能對軸系穩(wěn)定性進(jìn)行評估，無法實現(xiàn)風(fēng)險預(yù)警

現(xiàn)有DCS微機中只能實現(xiàn)對軸系各參數(shù)的變化幅值進(jìn)行報警，不能進(jìn)行相關(guān)量分析及判斷，不能對軸系穩(wěn)定性進(jìn)行評估，無法實行軸系重大風(fēng)險預(yù)警。

2 軸系穩(wěn)定性評估及風(fēng)險預(yù)警方法

2.1 軸系穩(wěn)定性評估方法

軸系的穩(wěn)定性可以通過對數(shù)衰減率或阻尼比進(jìn)行表征，通過計算可以得到不同轉(zhuǎn)速、不同模態(tài)下的對數(shù)衰減率和阻尼比系數(shù)，以此來評判軸系的穩(wěn)定性。該文采用部件特性+報警指標(biāo)評估對軸系穩(wěn)定性進(jìn)行評估，能夠直觀評估軸系運行穩(wěn)定性。

影響汽輪機軸系穩(wěn)定性的設(shè)備分為：支撐設(shè)備（支持軸承、推力軸承）、轉(zhuǎn)子設(shè)備（主油泵轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子）、汽缸設(shè)備（高、中、低壓缸）。如果上述設(shè)備運行穩(wěn)定，可以認(rèn)定軸系是穩(wěn)定的。

上述各設(shè)備穩(wěn)定性由軸承振動、軸瓦溫度、軸向位移、脹差、汽缸膨脹和上下缸溫差等一系列指標(biāo)確定。當(dāng)各項指標(biāo)正常，可以認(rèn)定設(shè)備運行穩(wěn)定。圖1為某660 MW超超臨界機組軸系穩(wěn)定性故障樹評估框圖，通過對軸系穩(wěn)定性設(shè)備逐層分解，找到影響穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行分析，得出穩(wěn)定性評估結(jié)論，分析問題產(chǎn)生的原因，提出優(yōu)化指導(dǎo)意見。

2.2 軸系風(fēng)險評估方法

汽輪機軸系失穩(wěn)，如分析處置不當(dāng)，發(fā)展到一定程度將會給汽輪機的安全運行帶來風(fēng)險，主要有2種風(fēng)險：一種是機組非計劃停運風(fēng)險，另一種是25項反措中所列超速、大軸斷裂及損壞、大軸彎曲、軸瓦損壞風(fēng)險。前者造成機組運行可靠性變差，導(dǎo)致電網(wǎng)的非?？己耍虝r間能夠恢復(fù)運行；后者會造成機組設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，短時間無法投入運行，產(chǎn)生重大經(jīng)濟損失。圖2為某660 MW超超臨界機組診斷框圖，通過對軸系各種重大風(fēng)險進(jìn)行分類，采用故障樹的方法逐層分析風(fēng)險產(chǎn)生原因，自動評價風(fēng)險嚴(yán)重程度，發(fā)出風(fēng)險預(yù)警，提出操作指導(dǎo)意見供運行人員參考。

3 軸系穩(wěn)定性評估及預(yù)警技術(shù)方案

隨著智能體理論和技術(shù)在維修工程各領(lǐng)域內(nèi)的深化發(fā)展，以智能體理論為指南的綜合信息技術(shù)系統(tǒng)平臺成為軟件開發(fā)的重要的突破，這包括為維修工程中智能監(jiān)測、智能診斷以及智能決策等環(huán)節(jié)等提供技術(shù)支持的新途徑。為了解決汽輪機軸系穩(wěn)定性評估及預(yù)警等方面的技術(shù)缺陷，結(jié)合智能控制診斷及決策理論，研究了汽輪機軸系穩(wěn)定性評估及風(fēng)險預(yù)警方法，對汽輪機軸系影響因素進(jìn)行全面監(jiān)控，做出準(zhǔn)確地分析、評估、預(yù)警。

軸系穩(wěn)定性評估及風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)，包括DCS服務(wù)器、測點、數(shù)據(jù)采集器和平臺服務(wù)器等，如圖3所示，技術(shù)方案如下：

（1）增加高、中壓缸左右、垂直膨脹值測點，高、中、低壓軸封回汽溫度測點，與常規(guī)測點（括軸承振動、軸承溫度、汽缸軸向位移、軸向脹差、上下缸溫差等）、事故案例等一起輸入平臺服務(wù)器。

（2）將影響軸系穩(wěn)定性原因及影響因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。

（3）結(jié)合有關(guān)事故案例對軸系穩(wěn)定性影響因素關(guān)聯(lián)度分析，篩選高關(guān)聯(lián)度影響因素，得到關(guān)聯(lián)度更加準(zhǔn)確的影響因素。

（4）將高關(guān)聯(lián)度影響因素進(jìn)行相似分析及模化。

（5）將相似分析及模化結(jié)果轉(zhuǎn)換軸系失穩(wěn)的診斷判據(jù)。

（6）通過平臺服務(wù)器進(jìn)行診斷，發(fā)布穩(wěn)定性評估及風(fēng)險預(yù)警，提出調(diào)整指導(dǎo)建議。

4 應(yīng)用效果分析

某公司9號機為東方汽輪機廠生產(chǎn)的660 MW高效超超臨界抽凝供熱機組，于2016年投產(chǎn)。為了提高汽輪機軸系運行安全性，結(jié)合申報的汽輪機軸系穩(wěn)定性評估與風(fēng)險預(yù)警體系研究與應(yīng)用科技項目，于2018年進(jìn)行了系統(tǒng)開發(fā)。

2018年12月6日，9號機低壓軸封供汽溫度高報警，系統(tǒng)平臺穩(wěn)定性評估模塊發(fā)出了“軸承將失穩(wěn)”結(jié)果。12月7日4：06，7號、8號軸承振動逐漸增大，系統(tǒng)平臺風(fēng)險預(yù)警模塊發(fā)出“機組將停機”預(yù)警。運行人員未能及時發(fā)現(xiàn)低壓軸封供汽溫度高是導(dǎo)致軸承振動大的原因，未采取措施對低壓軸封供汽溫度進(jìn)行及時調(diào)整，只是降低了機組負(fù)荷。4：24，9號機7號、8號軸承振動上升至250 μm，汽輪機ETS保護(hù)動作，機組跳閘。經(jīng)分析認(rèn)為低壓軸封供汽減溫水濾網(wǎng)孔徑過大，運行中減溫水調(diào)節(jié)閥被異物堵塞，減溫水流量不足，低壓軸封溫度升高。由于未及時調(diào)整，導(dǎo)致軸封供汽溫度長期在高限運行，軸封膨脹變形、周向間隙縮小，低壓軸封齒與汽輪機轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨，造成軸承振動增大，保護(hù)動作跳閘。

從上述案例中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能夠正確評估軸系穩(wěn)定性，對軸系重大風(fēng)險實現(xiàn)超前預(yù)警。但由于系統(tǒng)投入運行時間短，聲光報警不夠醒目，且最底層原因未分析到位，未引起運行人員足夠重視，導(dǎo)致了事件的發(fā)生。經(jīng)過改進(jìn)系統(tǒng)診斷模型并進(jìn)行針對性地培訓(xùn)后，問題得到解決。

5 結(jié)論

該文分析了現(xiàn)有汽輪機軸系穩(wěn)定性監(jiān)控模式的不足；采用故障樹診斷模式，進(jìn)行了軸系穩(wěn)定性評估方法、風(fēng)險預(yù)警方法的研究；結(jié)合事故案例等，建立了評估及預(yù)警模型，開發(fā)了汽輪機軸系穩(wěn)定性評估與風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)。運行案例表明，該系統(tǒng)評估結(jié)果準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)超前預(yù)警和精確指導(dǎo)，對保證汽輪機的安全運行起到了良好的作用。

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