國(guó)外渦輪發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)進(jìn)展與現(xiàn)狀

錢冠州

(上海和蘭透平動(dòng)力技術(shù)有限公司，上海嘉定，201815)

渦輪發(fā)電站在國(guó)外時(shí)常為城市民用、工業(yè)供電，要求設(shè)備故障停機(jī)率為零，這就從設(shè)計(jì)到工藝技術(shù)上對(duì)設(shè)備可靠性、安全性要求苛刻。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，由于是不同供應(yīng)商制造的高品質(zhì)設(shè)備，在組合安裝時(shí)常會(huì)出現(xiàn)一些隱患：比如螺栓扭力不合格、渦輪轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心、個(gè)別傳感器安裝精度不夠等等。這些安裝過(guò)程中產(chǎn)生的隱患往往會(huì)導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中故障甚至事故停機(jī)檢修。渦輪發(fā)電機(jī)70%故障都是上述安裝中的隱患導(dǎo)致的。

渦輪發(fā)電機(jī)的檢修分計(jì)劃內(nèi)檢修和計(jì)劃外檢修，而計(jì)劃外檢修是根據(jù)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)參數(shù)情況臨時(shí)決定的。實(shí)時(shí)在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、診斷預(yù)測(cè)系統(tǒng)需要獲取設(shè)備大量狀態(tài)參數(shù)，才可以評(píng)估、發(fā)出維修預(yù)警。因此對(duì)渦輪的參數(shù)智能監(jiān)控、分析，可以預(yù)測(cè)必須停機(jī)維修的節(jié)點(diǎn)，提升供電安全。現(xiàn)代診斷技術(shù)具有如下功能：

精確、可靠、實(shí)時(shí)的設(shè)備狀態(tài)信息；

根據(jù)設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行分析后的決策、操控選擇；

緊急狀況觸發(fā)機(jī)制、停機(jī)保護(hù)措施；

設(shè)備參數(shù)測(cè)量分析及安全運(yùn)行時(shí)間預(yù)測(cè)；

緊急狀況進(jìn)展評(píng)估與自動(dòng)停機(jī)保護(hù)；

可靠的大數(shù)據(jù)存取系統(tǒng)。

開發(fā)智能診斷系統(tǒng)的重要工作之一是確定全部技術(shù)狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型。設(shè)備的制造與安裝質(zhì)量、操作經(jīng)驗(yàn)、診斷對(duì)象工況特征等測(cè)量參數(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)方案制定階段就制定出來(lái)，并對(duì)這些診斷特征參數(shù)采集分類，明確關(guān)鍵參數(shù)臨界點(diǎn)，以便后期運(yùn)行中識(shí)別和處理缺陷問(wèn)題。

電廠的渦輪發(fā)電機(jī)是一種多轉(zhuǎn)子設(shè)備，包括低壓、中壓和高壓渦輪軸和發(fā)電機(jī)軸， 對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)而言則是壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)的軸。 旋轉(zhuǎn)機(jī)械部分的振動(dòng)中含有運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信息，通過(guò)傳感器、光譜分析、相關(guān)理論與經(jīng)驗(yàn)即可識(shí)別故障缺陷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的監(jiān)控和診斷[1]。

以渦輪發(fā)電機(jī)的流體動(dòng)力軸承轉(zhuǎn)子損壞為例，初期轉(zhuǎn)子不平衡會(huì)隨著轉(zhuǎn)數(shù)增加慣性負(fù)載成平方關(guān)系增加，導(dǎo)致不平衡狀況急劇增加，并最終導(dǎo)致嚴(yán)重事故和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約22%的故障是由于軸承和密封件引起的，因此對(duì)渦輪發(fā)電機(jī)監(jiān)視和診斷是一個(gè)復(fù)雜的多參數(shù)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)，其故障模型復(fù)雜，參數(shù)眾多[2]。

圖1 蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

工業(yè)4.0的趨勢(shì)之一是數(shù)字化以提高操作的可靠性、減少維修的成本、杜絕事故停機(jī)。計(jì)算機(jī)可視模型技術(shù)應(yīng)用，將渦輪發(fā)電機(jī)的組件固體力學(xué)、水力學(xué)、氣體力學(xué)、傳熱和傳質(zhì)科學(xué)過(guò)程，通過(guò)數(shù)學(xué)模型技術(shù)可視化展現(xiàn)出來(lái)[3]。

現(xiàn)代發(fā)電機(jī)診斷系統(tǒng)基于各種故障模型、數(shù)學(xué)模型，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)識(shí)別故障、預(yù)測(cè)故障進(jìn)展情況，即持續(xù)監(jiān)測(cè)、預(yù)防設(shè)備事故發(fā)生。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采集的參數(shù)包括：軸承尺寸參數(shù)、轉(zhuǎn)子在各種工況下震動(dòng)情況、摩擦阻力、表面磨損情況、潤(rùn)滑油及冷卻液損耗、設(shè)備溫度參數(shù)、基礎(chǔ)及廠房工況等參數(shù)。診斷系統(tǒng)需要獲取全部與故障相關(guān)參數(shù)，以便保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，阻止事故發(fā)生。俄羅斯開發(fā)的PDM數(shù)字綜合系統(tǒng)，已經(jīng)可以有效組織后勤、設(shè)備安裝、庫(kù)存物資調(diào)用等功能[4]。其核心是智能監(jiān)測(cè)、診斷"雙數(shù)字"系統(tǒng)構(gòu)建：對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)狀分析與預(yù)測(cè)，及時(shí)給出建議。根據(jù)文獻(xiàn)信息,"雙數(shù)字"技術(shù)系統(tǒng)側(cè)重于預(yù)測(cè)，解決方案有待進(jìn)一步完善[5]。

目前,市場(chǎng)上有多種監(jiān)測(cè)、診斷系統(tǒng)軟硬件產(chǎn)品。其中，比較先進(jìn)的產(chǎn)品基本上可以實(shí)現(xiàn)人工智能監(jiān)測(cè)、診斷[6]。

美國(guó)DLI公ALLERT專家系統(tǒng)[7]可以進(jìn)行頻率分析、對(duì)監(jiān)測(cè)到的問(wèn)題部件提供操作建議等。

美國(guó)BENTLEY NEVADA公司[1]專家監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)可以對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)頻率、軸承間隙震動(dòng)進(jìn)行分析，還可以進(jìn)一步判斷設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀、存在缺陷等。

本領(lǐng)域內(nèi)有效解決方案都是基于Rockwell Automation Entek平臺(tái)，該平臺(tái)可以監(jiān)測(cè)震動(dòng)、各種運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備診斷與保護(hù)等。Rockwell Automation是一家全球頂級(jí)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域公司，提供自動(dòng)化生產(chǎn)及技術(shù)服務(wù)，旗下品牌有Entek Scientific、Allen-Bradley、IRD Mechanics等，已經(jīng)有數(shù)百家制造企業(yè)采用其產(chǎn)品優(yōu)化生產(chǎn)效率、改進(jìn)產(chǎn)品[8]。

俄羅斯開發(fā)的監(jiān)測(cè)、診斷產(chǎn)品中，代表性的軟件有A.V. Barkov[9]和V.A. Rusov[10]。A.V. Barkov是通過(guò)表面光譜分析方法診斷轉(zhuǎn)子軸承，V.A. Rusov主要是診斷機(jī)械電子(電動(dòng)機(jī)、變壓器等)、螺桿壓縮機(jī)等。

文獻(xiàn)[11]給出了俄羅斯在監(jiān)測(cè)、診斷系統(tǒng)細(xì)節(jié)分析方面處于領(lǐng)先地位的公司：NPP Viscount、Vibrobit、Diameh 2000、NGO Mera、NPC Dynamics、NGO TSKTI等等。

上述具有代表性診斷系統(tǒng)，包含了測(cè)量、可視化、傳感器信號(hào)解讀、光譜分析等功能。PRANA遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)功能，通過(guò)機(jī)器操作運(yùn)行狀態(tài)、事故案例、例行保養(yǎng)等數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，以改進(jìn)其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。RAKURS公司開發(fā)的軟件也具有類似特征。本質(zhì)上講，這些軟件系統(tǒng)是對(duì)現(xiàn)有電力設(shè)備的監(jiān)控、診斷系統(tǒng)解決方案的進(jìn)一步改進(jìn)。

最新現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的綜合監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)采用預(yù)測(cè)技術(shù)，即通過(guò)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)包和部件運(yùn)行參數(shù)處理，預(yù)測(cè)剩余安全運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。其主旨思路是對(duì)關(guān)鍵參數(shù)持續(xù)監(jiān)測(cè)分析，關(guān)聯(lián)計(jì)算處理參數(shù)包余量，持續(xù)發(fā)布安全運(yùn)行余量。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決了設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)、故障相關(guān)的聚類問(wèn)題分析處理，甚至有些人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有通過(guò)學(xué)習(xí)、比對(duì)典型故障相關(guān)參數(shù)(有些屬于出廠參數(shù))功能，而不僅僅停留在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)或故障狀態(tài)的參數(shù)上。圖2表示診斷、預(yù)測(cè)、自適應(yīng)等功能模塊，與以往系統(tǒng)差別在于自適應(yīng)模塊可以對(duì)異常變化做出實(shí)時(shí)反應(yīng)、增加了剩余參數(shù)余量預(yù)測(cè)、排除預(yù)測(cè)的故障等。

圖2 診斷協(xié)調(diào)預(yù)測(cè)操作系統(tǒng)功能模塊

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的自適應(yīng)預(yù)測(cè)操作系統(tǒng)概念上一般包括以下模塊：

●實(shí)時(shí)測(cè)量模塊：利用軟件、傳感器獲得渦輪發(fā)電機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)值；

●初診斷模塊：將測(cè)量的參數(shù)值與機(jī)組極限值進(jìn)行比對(duì)；

●預(yù)測(cè)模塊：主要是解決轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、熱傳質(zhì)傳到、流體力學(xué)問(wèn)題，獲取非直接測(cè)量參數(shù)；

●故障識(shí)別模塊：根據(jù)測(cè)量和計(jì)算的參數(shù)確定渦輪組件剩余參數(shù)余量；

●專家模塊：分析獲得的數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)決定是否需要維修；

●技術(shù)與經(jīng)濟(jì)模塊：評(píng)估維修時(shí)長(zhǎng)和維修工作量，列出需要采購(gòu)產(chǎn)品清單及可能的供應(yīng)商；

●自適應(yīng)模塊：實(shí)時(shí)在線調(diào)整渦輪發(fā)電機(jī)組后獲取關(guān)鍵參數(shù)剩余資源量、評(píng)估恢復(fù)情況，相關(guān)操作建議需要專家、操作員批準(zhǔn)后才可以實(shí)施；

●數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊：故障統(tǒng)計(jì)與存儲(chǔ)，緊急情況過(guò)程與解釋，機(jī)器學(xué)習(xí)，典型故障案例數(shù)學(xué)模型等內(nèi)容。

自適應(yīng)分析的應(yīng)用可以提前對(duì)設(shè)備狀況作出反應(yīng)以減少緊急情況的發(fā)生，降低人工干預(yù)量。在老發(fā)電機(jī)組現(xiàn)代化改造過(guò)程中也可以得到很好應(yīng)用：根據(jù)設(shè)備實(shí)際技術(shù)狀況預(yù)測(cè)維修工作，大幅度提高舊可靠性和新設(shè)備調(diào)試時(shí)間。這種系統(tǒng)的創(chuàng)建及其在能源設(shè)施中的應(yīng)用，不僅極大地提高重要設(shè)施的運(yùn)行安全性，在其他高風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)如爆炸品、有毒、放射性產(chǎn)品的生產(chǎn)，高溫高壓行業(yè)，醫(yī)藥研究所等也可以得到廣泛應(yīng)用。