基于條件規則與故障樹法的燃氣輪機故障診斷*

尚 文，王維民，齊鵬逸，崔 津，曾詠奎

(北京化工大學診斷與自愈工程研究中心，北京100029)

0 引 言

海上采油/氣平臺和大型浮動生產、儲存、卸貨油輪，由于其遠離陸地，所采用的電力系統具有它的獨立性和特殊性。具有效率高、啟動快、運行平穩、能源自主性強等特點的燃氣輪機發電機組完全符合海上作業要求。然而由于海上惡劣的工作環境，燃氣輪機發電機組頻繁發生故障，對燃氣輪機的故障診斷與可靠性維護顯得尤為重要。對燃氣輪機的故障診斷與預測是利用已掌握的故障診斷知識，對機器運行狀態數據進行實時監測、定位與診斷;結合歷史數據和相關故障模式，利用診斷方法分析一定時間內的性能參數和振動性能變化趨勢，對已經發生或者可能發生的故障進行診斷、分析和預報，以確定故障的類別、部位、程度和原因，提出維修對策［1-4］。隨著研究的深入，研究人員總結并應用多種燃氣輪機的故障診斷方法，包括有:故障樹分析法、小波分析法［5］、條件規則法、神經網絡診斷法［6］、模糊診斷法、氣路分析法［7］等診斷方法。

然而，有的方法是獨立使用于不同的故障現象和故障部位，有的需要進行復雜的公式推導和程序編輯。這就要求燃氣輪機的操作技術員要掌握多種的故障診斷方法和多種的數據分析能力，甚至需要進行復雜程序編輯，難度較大［8-10］。因此，尋求開發一種燃氣輪機故障診斷方法，既可以讓燃氣輪機的操作技術人員和維修技術人員快速熟練地掌握并應用于工程實踐，又可以快速準確地進行故障分析及推理，確定故障部位及故障原因。

本研究采用故障樹分析法與條件規則法相結合的綜合診斷方法，將其應用于燃氣輪機發電機組的轉子振動故障診斷研究中，并通過現場測試得以驗證，對于使用燃氣輪機生產作業的企業具有很大的經濟效益。

1 故障樹法和條件準則法在燃氣輪機故障診斷中的應用

1.1 建立燃氣輪機失效故障樹

由于燃氣輪機的故障特點與其他動力設備的故障特點存在一定不同，燃氣輪機各組件之間存在復雜的邏輯關系，從而產生復雜故障模式關系;同時，燃氣輪機的故障具有很大的隨機性和突發性。故障樹分析法能夠根據故障產生和發展的邏輯關系以及故障模式關系進行故障樹分析，并得到系統所有的故障原因和故障發生部位。因此，故障樹分析法比較適合于燃氣輪機的故障診斷研究［11］。

本研究從燃氣輪機的主要故障機理及失效模式入手，通過研究分析工程實踐中記錄的燃氣輪機故障失效模式及現場維修案例，尋求燃氣輪機故障案例的直接原因、間接原因，乃至根本原因，從分析失效因果關系中的頂事件開始直至尋找導致故障發生的底事件，由果及因、自下而上進行，以5類常見的故障失效模式(轉子系統故障、葉片故障、冷卻系統故障、控制系統故障和燃燒室系統故障)為中間事件，以循序漸進地找出每類事件發生的所有可能出現的原因，并分解到基本事件為止。本研究繪制出的燃氣輪機失效故障樹圖如圖1所示。

圖1 燃氣輪機失效故障樹圖

燃氣輪機故障樹(如圖1所示)共考慮了34個不同的底事件。圖1中各符號所代表的事件如表1所示。

表1 燃氣輪機失效故障樹基本事件表

1.2 基于條件規則的燃氣輪機故障樹法研究

由于傳統的燃氣輪機故障樹法存在一定的模糊性和不確定性，對故障診斷結果的精度產生不良影響，本研究提出一種基于條件規則的燃氣輪機故障樹法對傳統的燃氣輪機故障樹法進行技術改進，以提高故障診斷結果的精度。

基于條件規則的故障樹分析法就是在故障樹的中間事件和底端事件上，增加一定的條件規則，進行物理和邏輯判斷，所添加的條件規則可以為單步判斷，也可以分多步進行精確判斷，確定故障樹每個分支的診斷選擇，以便準確地得出故障發生的原因和故障部位。從頂事件出發，在每個節點的地方，分別添加相應的條件規則，不但可以明確故障診斷的思路及方案，也可以迅速地縮小診斷范圍，極大地提升故障診斷的精確度。

燃氣輪機故障診斷中的條件規則一般為:性能參數或振動參數(功率、溫度、壓力、流量、轉速和振幅等數值)是否變化，是否偏高、偏低、偏大、偏小，以及各種的信號特征是否出現等。條件規則需要技術人員進行相應的監測和實驗過程，并且通過監測得到相應的監測數據和故障特征征兆，以便進行相應的故障分析和判斷，從而進一步推理得出燃氣輪機故障的根本原因。在建立燃氣輪機失效故障樹的基礎上，本研究通過歸納總結大量的故障案例和維修資料，構建了基于條件規則的邏輯推理模型。本節主要以燃氣輪機轉子振動故障為例，主要設計出帶有條件規則的燃氣輪機轉子振動故障樹(如圖2所示)，通過基于條件規則的燃氣輪機振動故障樹對不同現場的目標機組進行故障診斷，燃氣輪機診斷技術員就可以針對相應的監測對象，獲得診斷所需的振動數據和信息，運用基于條件規則的燃氣輪機故障樹法的分析，準確地確定故障發生部位及故障根本原因。

圖2 基于條件規則的燃氣輪機轉子振動故障樹

2 基于條件規則與故障樹法的診斷實例分析

本研究對某海上石油作業區的4臺MARS100燃氣輪機發電機組A、B、C、D進行振動測試。使用針對該型號機組的測試系統對機組的5個軸承處轉子運行狀況進行振動信號的采集、分析和處理，并在線監測5個軸承處轉子的振動情況，通過時域譜圖、頻域譜圖、階次譜圖、Bode圖、瀑布圖、軸心軌跡等分析處理，實現對機組的狀態檢測及故障診斷。觀察在線監測顯示的振動信息，其中A、B、D號機組振動幅值均明顯小于報警值，轉子處于安全振動范圍內。然而，C號機4、5號軸承處振動較大。監測4、5號軸承間轉子運行轉速為8 640 r/min左右;故該目標轉子的一倍頻在144 Hz左右。4號軸承X方向的頻域譜圖如圖3所示，4號軸承Y方向的時域分析圖如圖4所示，5號軸承處的軸心軌跡圖如圖5所示。

圖3 燃氣輪機目標轉子頻譜圖

圖4 燃氣輪機目標轉子時域譜圖

圖5 燃氣輪機目標轉子軸心軌跡圖

本研究運用基于條件規則的故障樹法進行C號機的故障分析與診斷:

(1)通過對燃氣輪機失效故障樹的5個中間事件的條件規則逐一進行分析，得出條件規則1:振動幅值接近閾值符合故障規則條件，繼而進行中間事件A1燃氣輪機轉子系統故障的分析;

(2)目標轉子頻譜圖如圖3所示，147 Hz頻率成分幅值突出，低階頻率成分及高階頻率成分都較低;通過分析轉子振動子故障樹中條件規則6.1～12.1得出條件規則8.1:監測目標轉子的頻譜圖中出現極高的一倍頻成分符合故障規則條件，繼而進行條件規則8.2的分析;

(3)目標轉子時域譜圖如圖4所示，目標轉子的時域波形近似于正弦波，通過分析條件規則8.2:監測目標轉子的時域波形為正弦波符合故障規則條件，繼而進行條件規則8.3的分析;

(4)目標轉子軸心軌跡如圖5所示，目標轉子的軸心軌跡近似于橢圓，通過分析條件規則8.3:監測目標轉子的軸心軌跡為橢圓形符合故障規則條件，由于對目標機組的監測過程中并未進行啟停機，轉速基本恒定，不進行Bode圖及瀑布圖分析。

在此，對于C號機組4、5號軸承振動過大的故障分析完畢，通過基于條件規則的故障樹法分析，可得出目標轉子振動過大的根本原因為轉子不平衡故障。可考慮對目標轉子做現場動平衡，以解決此類振動故障。

3 結束語

本研究通過對燃氣輪機失效故障的分析調研，根據國內外關于研究解決燃氣輪機失效故障的有效資料，采用基于條件規則的故障樹分析法，結合維修案例實踐，設計并建立了符合燃氣輪機故障機理的條件規則故障樹。結合某海上石油作業區的燃氣輪機發電機組的振動故障案例，事實證明，基于條件規則的故障樹法具有很嚴密的邏輯分析能力，可在一定程度上提高燃氣輪機故障診斷效率，提高燃氣輪機可靠性維護的經濟效益與社會效益。同時，采用此法可以防止誤判和漏判，具有很高的適用性和針對性，并大大地減輕了故障診斷和機組維護的難度，從而使燃氣輪機的操作人員和維修人員快速、熟練地掌握并應用于工程實踐。

［1］金 鑫，任獻彬，周 亮.智能故障診斷技術研究綜述［J］.理論與方法，2009，28(7):30-32.

［2］張春華，劉 偉.基于故障樹的故障診斷專家系統［J］.兵工自動化，2009，28(11):15-17.

［3］謝春玲，戴景民.燃氣輪機故障診斷技術研究綜述及展望［J］.汽輪機技術，2010，52(1):1-3.

［4］MEHER-HOMJI C B，GABRILES G.Gas Turbine Blade Failures-causes，Avoidance，and Trobleshooting［C］.Proceedings of the 27thTurbomachinery Symposium，1998:129-179.

［5］鄧 湘，吳 勇，唐 宇.基于小波包分析的高速牽引電機軸承故障診斷研究［J］.現代電子技術，2012，35(15):106-109.

［6］于宗艷，韓連濤，孟嬌茹.基于人工神經網絡的航空發動機故障診斷方法［J］.現代電子技術，2013，36(2):65-67.

［7］蔣 亮，李書明，郝 英，等.航空發動機氣路故障診斷研究現狀［J］.中國民航學院學報，2005，23(5):60-65.

［8］陳成春.基于條件規則的故障樹分析法的研究與應用［J］.制造業自動化，2012，34(1):82-85.

［9］陳 軍，李 英.數控車床自動力架常見故障診斷與維修［J］.現代制造技術與裝備，2012(6):44-46.

［10］BORGUET S，LéONARD O.Comparison of adaptive filters for gas turbine performance monitoring［J］.Journal of Computational and Applied Mathematics，2010，234(7):2202-2212.

［11］范小霞，古小平，李國志，等.壓氣站燃氣輪機模糊故障樹失效分析［J］.天然氣與石油，2010，28(6):10-14.