基于現(xiàn)場熱力參數(shù)的汽輪機通流部分故障診斷方法及應用

薛朝囡，高登攀，張永海，支德勝，曾立飛，石 慧，張學延

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.深圳媽灣電力有限公司，廣東 深圳 518054）

火力發(fā)電持續(xù)在電力行業(yè)占主導地位[1-3]，火力發(fā)電設備的故障診斷是學者們研究的重點之一。作為火力發(fā)電的主要設備，汽輪機長期處于高溫、高壓、高速的工作環(huán)境中，極易發(fā)生故障[4]，一旦發(fā)生故障對汽輪機的安全和經(jīng)濟運行將產(chǎn)生巨大的影響，因而對汽輪機故障診斷具有重要意義[5]。

目前美國通用電氣（GE），日本東芝電氣、日立電氣、富士和三菱等企業(yè)均已擁有完善的汽輪機故障診斷技術和體系。我國在汽輪機故障診斷研究方面起步較晚，跟西方發(fā)達國家有很大差距[6]。

近年來國內(nèi)也開展了汽輪機診斷的相關研究。浙江大學的張力寰[7]提出一種基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的汽輪機故障深度分析方法，并對多個案例進行了分析與驗證；方名菊[5]提出了基于振動故障案例的汽輪機智能故障診斷方法；戈建新等[8]對高中壓轉(zhuǎn)子低頻振動故障進行了診斷與分析；夏飛等[9]將改進粒子濾波和小波包應用在汽輪機振動診斷中，該方法對比FFT分析有明顯的優(yōu)越性；石志標基于云PSOSVM[10]和CS-BBO[11]進行了汽輪機轉(zhuǎn)子故障診斷，以提高診斷的準確率和識別效率；張學延等[12]將伯德曲線應用于汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子裂紋故障中；鄧彤天[13]提出了基于模糊專家系統(tǒng)的汽輪機遠程振動故障診斷系統(tǒng)；忻建華等[14]根據(jù)通流故障與熱力參數(shù)的關系，提出了高壓缸通流部分故障的熱參數(shù)模糊診斷法。

目前國內(nèi)學者們對汽輪機的故障診斷采用振動分析法的較多，基于熱力參數(shù)的汽輪機故障診斷相對缺乏?；跓崃?shù)的汽輪機診斷不僅可以在汽輪機故障后診斷出故障產(chǎn)生原因和位置，還能進行汽輪機故障前診斷，在機組還未發(fā)生振動等征兆前就可以預測出可能發(fā)生故障的位置和原因，并對其發(fā)展趨勢做出預測。隨著汽輪機向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，對汽輪機通流部分的故障監(jiān)測與診斷要求也越來越高[4]。實時監(jiān)測汽輪機運行中的熱力參數(shù)，計算并診斷汽輪機通流能力能夠有效地在故障前期預防故障，并能快速定位故障位置，給出相應故障可能的原因?；跓崃?shù)的汽輪機故障診斷技術能夠較好滿足該需求。

在基于熱力參數(shù)的診斷研究中，根據(jù)汽輪機綜合指標變化深入分析的也相對較少，且存在一些缺陷。例如當汽輪機存在其他干擾導致熱力參數(shù)變化時，不能有效排除干擾，從而難以實現(xiàn)故障精準定位和原因排查。

因此，本文提出了基于特征通流面積和級組效率的耦合診斷方法；同時結合高壓調(diào)節(jié)閥流量特性曲線，有效解決了上述干擾因素的影響，實現(xiàn)了基于熱力參數(shù)的汽輪機故障位置和故障原因的精確診斷；應用該方法對某電廠機組通流故障進行了診斷，驗證了該方法具有較高的精確性。

1 故障分析方法

目前運行人員對熱力參數(shù)變化的敏感度差，不能及時發(fā)現(xiàn)機組性能變化，只有當故障發(fā)展到一定程度，引起振動參數(shù)變化才能被運行人員察覺，存在反應滯后的問題，因而需要將熱力參數(shù)進行分析和處理，提出一種可快速、直觀地反映機組性能變化的性能指標參數(shù)。特征通流面積和級組效率就是有效的指標參數(shù)[4,6,15]。

特征通流面積由弗留格爾公式推導得到，其特點在于只要相應級段的幾何參數(shù)不變，特征通流面積在不同工況下保持常數(shù)，因此可以作為機組通流能力故障診斷的特征參數(shù)，為機組通流部分的狀態(tài)監(jiān)測與故障的精確診斷提供依據(jù)。級組效率表示級的能量轉(zhuǎn)換完善程度，是衡量級經(jīng)濟性的綜合指標，也可作為機組通流部分故障診斷的特征參數(shù)。

基于溫度T的特征通流面積FT計算公式為

特征通流面積還可表示為基于比熱容v的特征通流面積Fv：

式中：G1、G2為變工況前后流過級組的流量，t/h；p01、p02為變工況前后級組前壓力，MPa；p11、p12為變工況前后級組后壓力，MPa；T1、T2為變工況前后級組前溫度，K；π為壓力級組前后的壓力比，即π1=p11/p01，π2=p12/p02。

根據(jù)文獻[15]研究結果可知，以公式(2)計算的特征通流面積較公式(1)的的精度更高，因此本文采用公式(2)計算特征通流面積。

將特征通流面積和級組效率作為熱力判據(jù)，考慮特征通流面積存在變工況前后一致的特性，以其為主要特征參數(shù)，以級組效率為輔助特征參數(shù)的診斷流程如圖1所示。

圖1 診斷流程Fig.1 The diagnostic flow chart

2 故障概況

2.1 機組簡介

某電廠汽輪機是引進型300 MW機組，型號為N300-16.7/537/537的反動式雙缸雙排汽凝汽式汽輪機，于2002年9月投產(chǎn)。在2017年3月采用阿爾斯通技術對汽輪機高、中、低壓通流部分進行了改造，改造后相關技術參數(shù)見表1。

表1 汽輪機主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of the steam turbine

2.2 故障經(jīng)過

汽輪機運行中，運行人員于15:06發(fā)現(xiàn)機組1瓦振動及軸向位移負值增大。其中機組負荷294 MW，1瓦振動從42 μm突然上升至130 μm，軸向位移從+0.21 mm突變至-0.17 mm，之后機組各參數(shù)基本維持穩(wěn)定。雖然機組的振動參數(shù)未超過報警值，但振動參數(shù)以及汽輪機回熱抽汽等熱力參數(shù)的不正常波動，表明機組已發(fā)生故障。

3 汽輪機通流狀態(tài)診斷與評估

選取汽輪機故障前后一段相對穩(wěn)定數(shù)據(jù)，通過對比機組故障發(fā)生前后機組相關參數(shù)，以分析故障對機組的影響。

3.1 通流效率

1）高中壓缸效率變化 根據(jù)運行數(shù)據(jù)，計算的高壓缸效率相比于故障前略有升高，大約升高2.5%；中壓缸效率下降約3.2%。

為精確定位故障發(fā)生位置，以抽汽口劃分通流級段，將通流部分分為主蒸汽到調(diào)節(jié)級（0）、調(diào)節(jié)級到一段抽汽（1）、一段抽汽到高壓缸排汽（2）、中壓缸進汽到三段抽汽（3）、三段抽汽到中壓缸排汽（4）、低壓缸進汽到五段抽汽（5）、五段抽汽到六段抽汽（6）7個級組段。

2）級效率變化 根據(jù)運行數(shù)據(jù)，對故障前后的各級組效率進行計算，作為機組效率變化情況判斷的依據(jù)。對效率的變化量進行分析，圖2給出故障前后效率變化量。

圖2 故障前后各級相對效率變化Fig.2 Changes in relative efficiency of each stage group before and after the failure

分析各級組效率變化發(fā)現(xiàn)：主蒸汽到調(diào)節(jié)級組效率降低，調(diào)節(jié)級到一段抽汽機組效率升高，中壓缸進汽到三段抽汽級組效率下降，而其他級組效率在故障前后變化較小，因而可初步判斷機組在主蒸汽到調(diào)節(jié)級、調(diào)節(jié)級到一段抽汽、中壓缸進汽到三段抽汽可能出現(xiàn)了故障。

實際上，通流效率也受閥門開度的影響，因此需要對高壓調(diào)節(jié)閥（GV）開度進行分析，以排除閥門的影響。故障前后各調(diào)節(jié)閥閥位變化情況如圖3所示。分析發(fā)現(xiàn)，在故障發(fā)生前后，1—4號調(diào)節(jié)閥閥位沒有明顯變化，而5號和6號調(diào)節(jié)閥在故障發(fā)生后開度明顯增大，5號調(diào)節(jié)閥故障前開度為33%，故障后為58%；6號調(diào)節(jié)閥故障前為3%，故障后為12%。

圖3 故障前后各調(diào)節(jié)閥閥位變化情況Fig.3 Changes of valve position of each regulating valve before and after the failure

通過級效率和閥門開度分析發(fā)現(xiàn)，中壓缸進汽到三段抽汽出現(xiàn)了故障使得該級段效率下降；而對于主蒸汽到調(diào)節(jié)級和調(diào)節(jié)級到一段抽汽，其效率變化可能與閥門開度變化有關，因而暫時無法確定是否發(fā)生故障，還需通過特征通流面積進一步分析。

3.2 特征通流面積

理想模式下，采用直接測量數(shù)據(jù)，如溫度、壓力等一次熱力參數(shù)變化來判斷機組故障。但實際上，由于機組系統(tǒng)復雜，各熱力參數(shù)相互耦合，無法直觀反映級組通流故障，本文采用特征通流面積對機組通流故障進行分析。

各級特征通流面積故障前后變化如圖4所示。由圖4可見，在故障發(fā)生前后，部分級段特征通流面積發(fā)生明顯改變（圖4a)和4c)），部分特征通流面積前后保持一致（圖4b)）。

圖4 各級特征通流面積故障前后變化Fig.4 Change of characteristic flow area of each stage before and after the failure

圖5 為故障前后各級特征通流面積的變化和相對變化率。其他級組特征通流面積故障前后基本不變，而主蒸汽到調(diào)節(jié)級的面積增大，增大約3.8%；中壓缸進汽到三段抽汽的明顯減小，減小約7.2%。

圖5 各級特征通流面積相對變化率Fig.5 The relative change rates of characteristic flow area of each stage

對于主蒸汽到調(diào)節(jié)級組，前文中提到該級段存在高壓調(diào)節(jié)閥開度的影響。根據(jù)以往同類型機組的高壓調(diào)節(jié)閥流量特性試驗結果（圖6），5號調(diào)節(jié)閥開度從故障前33%到故障后58%，流量相對變化約15.7%；6號調(diào)節(jié)閥開度從故障前3%到故障后12%，其流量相對變化約3.7%。根據(jù)閥門流量與面積變化的關系，調(diào)門開度變化（圖2）導致該級段通流面積增大約3.3%左右，與基于熱力參數(shù)計算的特征通流面積相對變化量相近，結合機組效率變化可判定該級組未發(fā)生通流故障。

圖6 高壓調(diào)節(jié)閥流量特性曲線Fig.5 The flow characteristic curve of high pressure regulating valve

基于以上分析結果表明，機組中壓缸進汽到三段抽汽級段發(fā)生了通流故障，故障原因可能是通流堵塞、隔板損傷或變形等。機組停機后揭缸檢查，發(fā)現(xiàn)汽輪機中壓第1級動葉片的1片根部斷裂，中壓第一級進汽側葉輪有一處由于斷裂葉片脫落時擠壓損傷，中壓第1、2級靜葉片全部嚴重變形損壞，中壓第1、2級葉頂圍帶汽封磨損嚴重，中壓第2級動葉片有磨損，中壓第1級、第2級葉片損傷導致中壓缸進汽到三段抽汽級組段通流面積減小，與分析結果一致。這表明基于熱力參數(shù)的在線診斷方法可行，且具有較高的準確度。

同樣，使用本文所述方法，對該廠另一臺故障機組進行診斷。該機組故障后4號高壓調(diào)節(jié)閥開度由故障前的26%變?yōu)?8%，其余閥門開度基本沒變。經(jīng)特征通流面積分析，主蒸汽到調(diào)節(jié)級的面積增大，增大約1.6%，中壓缸進汽到三段抽汽的明顯減小，減小約8%。4號調(diào)節(jié)閥開度變化導致流量相對變化約8.2%，即導致通流面積增大約1.4%左右，與特征面積的分析結果基本一致，可以排除該級段故障，最終診斷為機組中壓缸進汽到三段抽汽級段發(fā)生了通流故障，這與機組停機后揭缸檢查結果一致，進一步驗證了本文所述方法的準確性。

4 結 論

1）基于級組效率變化可初步確定故障可能發(fā)生的位置，其中主蒸汽到調(diào)節(jié)級效率降低，調(diào)節(jié)級到一段抽汽效率升高，中壓缸進汽到三段抽汽級組效率下降。

2）主蒸汽到調(diào)節(jié)級的特征通流面積增大，增大約3.8%；中壓缸進汽到三段抽汽的明顯減小，減小約7.2%；而其他級組特征通流面積故障前后基本不變。

3）使用高壓調(diào)節(jié)閥位輔助診斷，經(jīng)計算，主蒸汽到調(diào)節(jié)級組高壓調(diào)門開度變化導致的通流面積增大與基于熱力參數(shù)計算的特征通流面積相對增大量相近，排除該級段發(fā)生通流故障的可能。

4）級組效率和特征通流面積計算結果表明，在中壓缸進汽到三段抽汽級組處發(fā)生通流故障，與揭缸后實際結果完全吻合。在另一臺機組上對該診斷方法進行了驗證，證明該診斷方法的準確性。