基于相似性理論的引風(fēng)機狀態(tài)檢修的研究

徐智偉

（浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602）

0 引言

引風(fēng)機是燃煤發(fā)電機組運行中的重要設(shè)備，它的運行可靠性直接影響爐膛的燃燒安全[1]。目前，引風(fēng)機檢修方式大部分是依據(jù)設(shè)備管理經(jīng)驗與機組檢修同步進行，而實際上，引風(fēng)機的正常維修周期卻很難與機組同步，往往主機尚未到計劃檢修時，引風(fēng)機已需安排檢修，存在“維修過?！焙汀懊つ烤S修”的問題，造成大量的人力、物力、財力浪費[2]。

設(shè)備狀態(tài)維護是基于設(shè)備狀態(tài)檢測和診斷提供的狀態(tài)信息，確定設(shè)備的異常情況，預(yù)測設(shè)備的故障，并合理安排維護周期中的維護項目和維護方式[3,4]。狀態(tài)維護可以減少不必要的維護工作，減少人力和物力，節(jié)省開支，并使維護工作更加科學(xué)。

隨著狀態(tài)監(jiān)視和診斷技術(shù)的成熟，引風(fēng)機可以在線檢測設(shè)備健康狀況。廣東沙角C 電廠通過精維信息系統(tǒng)實現(xiàn)引風(fēng)機點檢與文件包結(jié)合，實現(xiàn)引風(fēng)機狀態(tài)檢修[5]；某發(fā)電集團利用發(fā)電設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)對主要設(shè)備進行了實時監(jiān)測，取得滿意的效果[6-8]。

圖1 引風(fēng)機狀態(tài)模塊組成Fig.1 Induced draft fan status module composition

狀態(tài)分析監(jiān)測在線數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場振動分析、油樣分析、可靠性分析和壽命管理等分析，為引風(fēng)機最恰當(dāng)檢修方式提供了新的路徑[9]。本文介紹了某燃煤發(fā)電廠發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合引風(fēng)機診斷分析、SRCM 分析和壽命管理方法，形成一套適合的引風(fēng)機狀態(tài)檢修。

1 引風(fēng)機狀態(tài)檢修模塊的組成和功能

引風(fēng)機狀態(tài)檢修模塊主要有：狀態(tài)監(jiān)測、智能診斷分析、SRCM 可靠性分析和狀態(tài)檢修策略等模塊組成，如圖1所示。

其中，狀態(tài)監(jiān)測主要負責(zé)引風(fēng)機在線數(shù)據(jù)是否偏離了模型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要由引風(fēng)機電流、軸承溫度、振動、風(fēng)機進/出口壓力、線圈溫度等測點組成；智能診斷分析通過結(jié)合狀態(tài)檢測、精密點檢、油樣化驗、性能分析和知識庫進行知識推理診斷，逐步縮小范圍，確定故障原因；SRCM 分析程序?qū)σL(fēng)機故障模式、效應(yīng)及危害度進行定性分析；根據(jù)SRCM 分析、設(shè)備健康評估和部件壽命評估，制定檢修策略。

1.1 引風(fēng)機狀態(tài)監(jiān)測與診斷

1.1.1 狀態(tài)監(jiān)測

引風(fēng)機狀態(tài)監(jiān)測采用基于相似性原理（SBM）的建模技術(shù)，對引風(fēng)機在線測點歷史數(shù)據(jù)進行清洗、篩選，得到所需的引風(fēng)機正常運行工況樣本，運用均值漂移聚類算法對其進行壓縮簡化，建立起能夠表達設(shè)備對象的設(shè)備模型數(shù)據(jù)矩陣[10-12]。

令引風(fēng)機具有n 個相關(guān)的測量點，將其設(shè)置為在某個時刻i 對其進行采樣，然后選擇收集的n 個測量點作為一種模式。

圖2 引風(fēng)機故障預(yù)警趨勢圖Fig.2 Trend map of early warning of induced draft fan failure

結(jié)合一年中工況的變化，選擇m 個模式，并組成狀態(tài)矩陣D

實時采集的引風(fēng)機測點數(shù)據(jù)矩陣

將輸入模式X（in）與狀態(tài)矩陣（D）中每個模式的相似度進行比較，產(chǎn)生一個相似的向量（a）。其中，包含元素的數(shù)量和狀態(tài)矩陣中存儲的訓(xùn)練矩陣（Mode）元素數(shù)量相同。

通過從估計模式減去輸入模式來生成殘差值，并且將具有較低殘差值的變量作為普通變量去除。

從而得到模型中各個參數(shù)在實時狀態(tài)下的“期望值”。采集的設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)與“期望值”實時比較，若部分實時參數(shù)缺失，計算得到的期望值即為參數(shù)的軟測量值。根據(jù)測點的特性，制定報警偏差閾值，當(dāng)達到或超過偏差閾值時發(fā)出預(yù)警信號，觸發(fā)預(yù)警診斷單，提醒用戶出現(xiàn)異常癥狀，從而實現(xiàn)對設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測。引風(fēng)機故障預(yù)警趨勢圖如圖2 所示。

1.1.2 智能診斷分析

不同故障模式在各自診斷模型中所列征兆表現(xiàn)上具有不同程度地反映，當(dāng)?shù)谝粋€征兆出現(xiàn)的時候，它的原因有很多種可能性，往往難以判斷問題所在，而是需要等待或者找到更多的異常征兆，分析風(fēng)機的組成、故障產(chǎn)生的原因、故障類型及典型案例，應(yīng)用多信息融合技術(shù)，逐步縮小范圍，確認故障模式[13,14]。

圖3 引風(fēng)機葉片積灰分析過程Fig.3 Ash accumulation analysis process of induced draft fan blades

以“引風(fēng)機葉片積灰”的故障模式為例，當(dāng)預(yù)警系統(tǒng)捕捉到“風(fēng)機軸承振動大”“風(fēng)機電流增加”的特征異常時，“引風(fēng)機葉片積灰”只是一種可能，還需要預(yù)警系統(tǒng)繼續(xù)跟蹤。結(jié)合就地點檢“風(fēng)機1、2、高倍頻振動”和“噪聲是否增大”的特征是否出現(xiàn)，最終確定為引風(fēng)機葉片積灰。引風(fēng)機葉片積灰分析過程如圖3 所示。

1.2 引風(fēng)機SRCM分析

以可靠性為中心的維修分析（簡稱：RCM）由于其具有先進性和實用性，是國際上通用的分析方法，但由于分析過程復(fù)雜，阻礙了它在電站中的推廣。目前，一種對經(jīng)典RCM 進行優(yōu)化和改進，保留分析過程、結(jié)果完整性的分析方法SRCM 分析在電站中普遍推廣。它合理地對關(guān)鍵部位加以區(qū)分，以確定資產(chǎn)預(yù)防性維修需求，優(yōu)化維修制度的一種分析方法[15]。SRCM 的分析過程主要有：關(guān)鍵性分析、主要故障模式及其故障原因分析、影響后果分析、狀態(tài)檢修策略選擇和檢修策略優(yōu)化等步驟。SRCM 分析過程流程如圖4 所示。

1.2.1 引風(fēng)機邊界確定[16]

330MW 機組引風(fēng)機系統(tǒng)采用雙級動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機，臥式結(jié)構(gòu)，主要由以下3 部分組成：

1）風(fēng)機本體系統(tǒng)主要有：葉輪、輪轂、導(dǎo)葉、進風(fēng)箱、整流罩、擴壓器、動葉調(diào)節(jié)機構(gòu)、動葉調(diào)節(jié)控制頭、滾動軸承箱（包括主軸）、聯(lián)軸器，風(fēng)機基礎(chǔ)，中間軸和聯(lián)軸器，滾動軸承箱（包括主軸），調(diào)節(jié)用手柄末端，電動執(zhí)行器末端，整流導(dǎo)葉環(huán)，整流導(dǎo)葉環(huán)蓋，還包括動葉調(diào)節(jié)機構(gòu)和儀器儀表接口。

圖4 SRCM分析過程流程圖Fig.4 SRCM analysis process flow chart

2）電動機系統(tǒng)主要有：電動機及其空冷器、電源接線盒、電機基礎(chǔ)。

3）液壓站系統(tǒng)：馬達潤滑稀油站及風(fēng)機液壓油站接線盒端子、測量儀表、油管路、冷油器、加熱器、恒壓調(diào)節(jié)閥、液壓壓力安全閥及其附屬管路。

1.2.2 功能故障分析

根據(jù)引風(fēng)機系統(tǒng)功能，通過分析系統(tǒng)功能故障[17]，最終確定葉輪、輪轂、導(dǎo)葉、整流罩、擴壓器、進風(fēng)箱、滾動軸承箱（包括主軸）、中間軸、聯(lián)軸器、動葉調(diào)節(jié)機構(gòu)、動葉調(diào)節(jié)控制頭、出口擋板門、電機軸、電機冷卻裝置、電機定子、電機轉(zhuǎn)子、電機基礎(chǔ)、液壓油泵、濾油器、冷卻器、加熱器、恒壓調(diào)節(jié)閥、液壓壓力安全閥等設(shè)備。

表2 引風(fēng)機軸承與振動分析Table 2 Induced fan bearings and vibration analysis

1.2.3 關(guān)鍵性分析

關(guān)鍵性分析就是在失效后對安全、經(jīng)濟、環(huán)境和維修成本等方面的影響大小進行分析，如出現(xiàn)負荷以下條件之一，視為關(guān)鍵性部件：

1）導(dǎo)致人員傷亡。

2）導(dǎo)致機組跳閘。

3）違反環(huán)保法規(guī)。

4）導(dǎo)致重大設(shè)備損壞。

5）導(dǎo)致機組減負荷（5%及以上）。

6）導(dǎo)致機組的熱效率降低2%及以上。

確定為關(guān)鍵性部件后，下一步中需要進行詳細的SRCM 分析；非關(guān)鍵性部件則被篩選掉，不進行SRCM 分析。引風(fēng)機關(guān)鍵性部件有：葉輪、輪轂、導(dǎo)葉、風(fēng)機軸、吸氣口、排氣口、軸承（座）、檔板、聯(lián)軸器、軸承（座）、電機軸、冷卻裝置、冷卻風(fēng)扇、定子、轉(zhuǎn)子、風(fēng)機基礎(chǔ)、電機基礎(chǔ)、液壓油泵、濾油器、冷卻器、加熱器、恒壓調(diào)節(jié)閥、液壓壓力安全閥等關(guān)鍵性部件。

表3 引風(fēng)機部件壽命統(tǒng)計表Table 3 Life statistics of induced draft fan components

1.2.4 主要故障模式、故障原因和影響后果分析

對于關(guān)鍵性部件需要進行故障模式、故障原因和影響后果分析。據(jù)統(tǒng)計引風(fēng)機本體振動和磨損是最常見的故障模式，而且以振動形式表現(xiàn)出來占28.6%，下面以引風(fēng)機本體振動為例進行分析[18]，見表1。

1.3 健康狀態(tài)評估和部件壽命評估

1.3.1 健康狀態(tài)評估

健康狀態(tài)評估是指根據(jù)參數(shù)特征的狀態(tài)信息的重要性和劣化趨勢，結(jié)合參數(shù)測量值，判斷引風(fēng)機健康狀態(tài)。引風(fēng)機軸承溫度與振動分析，見表2。

1.3.2 部件壽命評估

壽命評估是主要依據(jù)部件的設(shè)計、制造、運行環(huán)境、維修更換等資料，采用設(shè)計壽命結(jié)合經(jīng)驗壽命對部件的壽命做出預(yù)測，為設(shè)備狀態(tài)檢修、部件的更換提供技術(shù)依據(jù)，降低檢修成本。引風(fēng)機部分部件的設(shè)計更換時間、壽命統(tǒng)計，見表3。

1.4 檢修策略

圖5 引風(fēng)機滑塊磨損開裂情況Fig.5 Wear and crack of induced draft fan slider

圖6 狀態(tài)檢測系統(tǒng)變化趨勢圖Fig.6 Trend chart of condition monitoring system

通過SRCM 評估、健康狀態(tài)評估和部件壽命評估，為引風(fēng)機制定日常維修、等級檢修項目提供必要的決策支持，幫助設(shè)備點檢員提前制定檢修項目、檢修時間和檢修標準，實現(xiàn)提高設(shè)備可靠性、制定檢修策略。

1）“正常狀態(tài)”檢修策略：可適當(dāng)延長計劃檢修周期或減少檢修項目。

2）“輕度故障”檢修策略：按計劃檢修周期安排檢修，并根據(jù)設(shè)備實際檢測數(shù)據(jù)增加必要的檢修項目。

3）“中度故障”檢修策略：根據(jù)機組調(diào)停情況適時安排設(shè)備檢修，監(jiān)視人員加強設(shè)備巡檢次數(shù)，關(guān)注設(shè)備劣化趨勢。

4）“嚴重故障”檢修策略：馬上組織人員有針對性地安排檢修。

1.5 檢修策略優(yōu)化

在引風(fēng)機依據(jù)檢修策略開展后，還要對故障原因分析結(jié)論與解體檢修的故障結(jié)論對比分析，判斷二者是否一致。如不一致還需分析是否由于其他原因引起風(fēng)機故障，這次檢修策略分析是否存在認識不足的地方或需要完善等問題。對檢修策略持續(xù)改進和優(yōu)化，進一步驗證狀態(tài)檢修工作體系的針對性和有效性，提高設(shè)備可靠性評價標準的科學(xué)性、檢修策略的適應(yīng)性。

2 引風(fēng)機狀態(tài)檢修應(yīng)用實例

2.1 案例一

2017 年7 月25 日11 時，#4 A 引風(fēng)機驅(qū)動端軸承X 軸振動2.22mm/s，比預(yù)估值0.75mm/s 偏高1.47mm/s，狀態(tài)檢測系統(tǒng)開始預(yù)警。預(yù)警趨勢圖中的藍色曲線代表實際值，綠色曲線代表估計值，紅色菱形表示存在警告次數(shù)，如圖2 所示。

通過觀察#4A 引風(fēng)機趨勢圖發(fā)現(xiàn)，2016 年11 月開始，#4A 引風(fēng)機X 軸振動由1.2mm/s 緩慢上升到2.22mm/s，Y軸振動保持在0.5mm/s，現(xiàn)場實際測量值2mm/s，跟CRT顯示相符。

1）狀態(tài)檢測結(jié)論：振動異常。

2）智能診斷分析：現(xiàn)場精密點檢數(shù)據(jù)正常，油樣化驗正常，實際振動值不高，加強觀察。

3）可靠性分析：沒有明顯的故障，整體評價注意狀態(tài)。

4）檢修策略：#4A 引風(fēng)機于2012 年10 月份投運，運行小時數(shù)40000 h，根據(jù)廠家說明書，使用壽命50000 h 內(nèi)需要進行一次檢修，計劃安排一次檢修。健康狀態(tài)評估屬于“輕度故障”，等9 月份機組C 級計劃檢修期間安排#4A引風(fēng)機檢修，并根據(jù)設(shè)備實際檢測數(shù)據(jù)安排檢修項目。

在9 月份C 級檢修期間，#4A 引風(fēng)機安排了返廠檢修，廠家對葉片和滑塊進行檢查時發(fā)現(xiàn)滑塊已經(jīng)嚴重磨損，個別出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，予以更換，原滑塊磨損情況如圖5 所示。

5）檢修策略優(yōu)化評價：動葉調(diào)節(jié)裝置接近檢修時間，曲柄滑塊磨損量偏大，動葉片發(fā)生小角度晃動，引起引風(fēng)機振動增大。本次檢修工作是必要的，消除了設(shè)備隱患，到達了預(yù)期效果。

2.2 案例二

2019 年2 月4 日，22 時24 分，#4B 引風(fēng)機軸 承X 軸振動0.86mm/s、Y 軸振動1.99mm/s，比預(yù)估值X 軸振動0.2mm/s、Y 軸振動0.57mm/s，偏差0.66mm/s 和1.42mm/s，狀態(tài)檢測系統(tǒng)進行了預(yù)警，如圖6 所示。

圖7 引風(fēng)機振動變化趨勢圖Fig.7 Trend of vibration of induced draft fan

圖8 檢修后引風(fēng)機振動變化趨勢圖Fig.8 Trend of vibration of induced draft fan after maintenance

風(fēng)機軸承振動小于2mm/s 持續(xù)到9 月份，2019 年9 月24 日開始，#4B 引風(fēng)機振動X 軸振動實際值為2.05mm/s、Y 軸振動2.33mm/s，并且持續(xù)大于2mm/s，屬于“輕度故障”。檢修策略：按計劃檢修周期，安排檢修。

9 月30 日3 時，#4B 引風(fēng)機振動X 軸振動實際值為4.5mm/s。

1）狀態(tài)檢測結(jié)論：振動異常。

2）智能診斷分析：油樣化驗正常，對引風(fēng)機振動進行測量，頻譜顯示#4B 引風(fēng)機機殼中封面處X 軸方向振速5.0mm/s、Y 軸方向為5.1mm/s，倍頻以1 倍頻、2 倍頻、22倍頻為主。其中，2 倍頻占主要振動幅值約3.8mm/s，占總振動值約60%；1 倍頻主要是由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量存在一定的不平衡，2 倍頻主要是轉(zhuǎn)子對中不好，及風(fēng)機與電機之間的連接短軸存在彎曲造成的。22 倍頻是風(fēng)機輪轂轉(zhuǎn)一圈22個葉片通過測振點的頻率，一般而言風(fēng)機振動情況良好的話，不會出現(xiàn)22 倍頻，從頻譜上看22 倍頻幅值為1.5mm/s，且水平與垂直兩個方向上均出現(xiàn)22 倍頻。出現(xiàn)22 倍頻一般有這幾種情況：葉片松動、葉柄磨損或基礎(chǔ)松動等原因引起。

3）可靠性分析：如果是葉片松動或葉柄磨損，產(chǎn)生安全性或環(huán)境后果；如果是地腳螺栓松動引起基礎(chǔ)松動，產(chǎn)生停車事故，容易導(dǎo)致安全性后果。

4）檢修策略：#4B 引風(fēng)機于2017 年6 月份檢修，運行小時數(shù)小于20000 h，未到部件檢修時間，健康狀態(tài)評估屬于“中度故障”，根據(jù)機組調(diào)停情況適時安排設(shè)備檢修，監(jiān)視人員加強設(shè)備巡檢次數(shù)，關(guān)注設(shè)備劣化趨勢。

9 月30 日14 時，4B 引風(fēng)機振動X 軸振動為6.02mm/s、Y 軸振動為6.07mm/s，達到“嚴重故障”，馬上組織人員有針對性地安排檢修。因此，安排引風(fēng)機隔離檢修，打開引風(fēng)機上蓋進行檢查時，發(fā)現(xiàn)引風(fēng)機一組葉片固定螺栓松動，部分葉片角度不一致，引起引風(fēng)機振動上升。引風(fēng)機9 月份振動變化趨勢如圖7 所示。

5）檢修策略優(yōu)化評價：由于引風(fēng)機其中一組葉片固定螺栓松動，部分葉片角度不一致引起引風(fēng)機振動上升。本次檢修工作是必要的，消除了設(shè)備隱患，到達了預(yù)期效果。檢修后，引風(fēng)機振動狀態(tài)檢測報警消失，振動變化恢復(fù)到正常狀態(tài)，如圖8 所示。

3 結(jié)論

本文介紹了引風(fēng)機狀態(tài)檢修系統(tǒng)整個過程。實際應(yīng)用表明，相似性理論狀態(tài)監(jiān)測不僅可以及時發(fā)現(xiàn)引風(fēng)機潛在的隱患，避開了繁瑣的故障機理計算。結(jié)合現(xiàn)場檢測、油樣分析等數(shù)據(jù)分析判斷，可以對引風(fēng)機關(guān)鍵設(shè)備的異常狀態(tài)，發(fā)生在什么部件，有哪些特征異常，嚴重到什么程度都可以實時掌握、實時跟蹤。而且，結(jié)合以可靠性為中心的維修SRCM 分析工具，形成了一套科學(xué)合理的引風(fēng)機狀態(tài)檢修方式。對于有條件處理的，在設(shè)備故障尚未形成時采取措施消除，徹底消除風(fēng)險；對于需要等待時機才能采取措施的（比如機組調(diào)停），在故障發(fā)展過程中，通過計算機自動跟蹤使之處于受控狀態(tài)，從而實現(xiàn)預(yù)見性的狀態(tài)檢修；提高了設(shè)備的可靠性，同時減少設(shè)備過修現(xiàn)象發(fā)生，減少人力投入，費用得到合理使用，發(fā)電企業(yè)長期積累評估以后，可用于檢修策略的優(yōu)化。