汽輪機調節系統故障檢測及診斷技術應用分析

朱偉等

摘 要：汽輪機調節系統的運行狀態直接關系到機組的安全穩定性，因此其故障檢測及診斷技術具有非常重要的科學研究意義和實際工程價值。該文首先對目前的國內外調節系統故障檢測及診斷技術的研究現狀進行了概述，指出了未來調節系統故障檢測及診斷技術研究的研究重點及發展趨勢。然后對調節系統的常見故障進行分類，將故障分為軟件故障和硬件故障兩大類，并從調節系統組成部件的工作機理方面對可能發生的故障機理進行逐一的分析。最后，在此基礎上提出了一個分層的診斷策略，這對實時快速檢測和診斷調節系統故障、提高汽輪機運行的安全性具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：汽輪機 調節系統 故障分類 檢測診斷 應用分析

中圖分類號：TK243.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0064-02

汽輪機是高速旋轉機械，其調節系統的運行狀態直接關系到機組的安全。然而，由于調節系統設備多且復雜，許多部件長期工作于高溫和高濕度等惡劣條件下，異常或故障率較高，直接影響到發電機組的安全穩定運行。國內外已發生了多起因調節系統故障導致超速毀機的惡性事故[1-2]。在正常運行中，由于調節系統故障造成負荷突變、轉速波動無法并網等各種異常事例在我國多有報道。據不完全統計，汽輪機非正常停機中很大一部分是由調節系統故障引起的。并且，隨著設備的大型復雜化，故障檢測和診斷方法及其在此基礎上發展的容錯設計方法已在可靠性工程中起著日益重要的作用。

1 故障檢測及診斷技術發展概述

“越限報警”是一種現在仍被廣泛使用的故障檢測手段。然而，隨著系統的日益復雜化及對設備性能、可靠性要求的日益提高，對故障檢測也提出了更精細、嚴格的要求（如性能監測等），許多更有效的故障檢測方法不斷地涌現[1]。以解析冗余為基本思路的故障檢測技術是20世紀70年代初首先在美國發展起來的；MIT的Beard首先提出了用解析冗余代替硬件冗余，通過比較觀測器組的輸出判斷傳感器故障，并通過系統反饋結構重組保證故障系統穩定[2]，這是故障監測技術發展史上的一個重要里程碑。在此后的20年里，故障檢測及診斷技術得到了世界范圍的廣泛重視，在理論研究和實際應用上都取得了豐碩的成果并不斷成長。故障監測及診斷系統對于防止故障擴大、避免災難性事故的發生及事故后的快速維修都具有重要意義，在航空航天和電力系統、冶金和石化等多個領域得到實際應用，創造了巨大的經濟效益[3-6]。

國外發電機組監測與故障診斷開始研究較早，無論在理論上還是在監測儀器設備的研制生產上都達到了較高的水平[7]。如西屋公司開發的PDS過程診斷系統、法國電氣研究與發展部研制的在線振動監測系統（后期發展成PSAD系統）、丹麥的B&K公司在20世紀90年代推出的COMPASS系統、日本三菱重工首先研制成的MIIMS系統（后期發展成帶診斷規則描述以及采用模糊邏輯分析確定置信因素功能的振動診斷專家系統）。然而，國內早期研發的這些故障診斷系統大多主要針對的是液壓機械調節系統，而且需要額外地添加許多測點。基于現有DEH測點進行的故障診斷研究目前還屬于起步階段：哈工大研制的基于Internet的汽輪機調節系統故障診斷系統、上海發電設備成套設計研制的旋轉機械狀態監測與診斷技術的研究、哈爾濱電工儀表研究所和清華大學等單位聯合研制的200MW汽輪發電機組狀態監測分析及故障診斷系統、山東電力科學研究院和清華大學等單位共同開發的大型汽輪發電機組遠程在線振動監測分析與診斷網絡系統都得到了實際應用驗證。國內外的另一個差距還表現在應用上，這是我國今后要努力的方向[8-9]。

3 調節系統常見故障分類及機理分析

3.1 數字電液調節系統及其故障

數字電調（DEH）系統是在20世紀80年代出現的，近年來逐步轉向由分散控制系統組成。從可能引起故障的角度來看，實際數字電液調節系統主要由以下幾部分組成：PID控制器部分、閥門組管理部分、測速測功部分、電液伺服閥、油動機、調節汽閥[10]。因此，汽機調節系統常見故障有很多，依據發生形式可劃分為：硬件故障和軟件故障。

硬件故障中，依據引起故障的原因分為：

（1）液壓元件卡澀：電液伺服閥，分配滑閥，油動機滑閥，閥桿卡澀。

（2）油的內泄漏：電液伺服閥內泄漏，錯油門內泄漏，油動機內泄漏。

（3）油路堵塞：伺服閥濾芯、節流孔、噴嘴堵塞。

（4）數據采集、傳輸異常：LVDT故障，VCC卡故障，伺服卡故障，接口故障，通訊故障、其他I/O卡件及接線。

（5）電源系統異常：AC/DC電源系統故障。

軟件故障中，依據引起故障的原因分為：

（1）參數設置不當：PID參數，VCC卡增益、頻率。

（2）邏輯不合理：DEH控制邏輯，配氣邏輯。

3.2 PID控制器及其故障

PID控制器主要適用于基本線性和動態特性不隨時間變化的系統，是一個工業控制應用中常見的反饋回路部件。其把收集到的數據和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統的數據達到或者保持在參考值。并且，PID控制器還可以根據歷史數據和差別的出現率來調整輸入值，這樣可以使系統更加準確，更加穩定。整個控制過程是在計算機中實現，因此，通常情況下不會出現硬件方面的故障，出現的故障只能是由于參數設置不合理引起的。

3.3 閥門組管理及其故障

閥門管理是汽輪機發電機組DEH系統的重要組成部分，通過閥門管理程序可以方便地讓機組運行于節流調節方式或噴嘴調節方式。閥門管理的功能是根據機組運行方式的要求確定滿足流量要求的各閥流量分配，并把分配給各閥的流量信號轉化為閥位指令，通過模擬輸出經放大器后驅動伺服閥開啟只要求開度，并能實現兩種運行方式間的無擾切換及手動運行時的自動跟蹤功能。由于閥門管理主要是閥門管理程序在計算機中的運行，其基本上不涉及機械液壓部件，只是在計算機中實現程序運算。因此，閥門管理出現的故障只可能是閥門流量特性曲線的線性度不好等而引起的故障。

3.4 測速測功元件及其故障

實際應用時，轉速和功率調節是汽輪調節系統的主要任務，因此測速測功具有特別重要的意義。

3.4.1 機械調速器

調速器由透平主軸經減速機構（或不經減速機構）帶動。理想情況下，飛錘離心力僅與彈簧彈性力相平衡，由于彈簧和變形一次方成正比，隨著滑環位移的增大，飛錘的旋轉半徑也相應增大，因此機械液壓調速器的理想靜特性一般是曲線，且隨轉速的增高曲線逾平緩。所以，機械調速器的線性度一般都比較差，只有在很小的工作區內才能看成是直線。對于發電用汽輪機，因為它的轉速變化范圍小，根據小偏差線性化，轉速在額定轉速的附近變化，所以可將這一工作區近似為直線。而對于轉速變化范圍大汽輪機（如給水泵等用的小汽輪機），則需要加以補償改善其靜特性的線性度。

3.4.2 液壓調速器

在國產的調速系統中所采用的液壓調速器主要有兩種：一種是信號油泵，另一種是旋轉阻尼。信號油泵利用一般離心式油泵的進出口壓力差（在阻力特性不變時）與轉速平方成正比的特性來反映轉速的變化。當轉速改變時，滑閥上下的壓差相應地改變，使彈簧發生變形，引起滑閥的位移。滑閥位移的大小反映了轉速的變化量。采用液壓調速器的調節系統必須考慮它的特點，才能夠發揮它的長處而消除其缺點。其特點是其出口油壓波動將導致轉速（或功率）的波動，影響系統的正常工作。油壓波動是由于渦流、流道之間的間隙以及進口油壓的波動等因素所引起的。

3.4.3 電子測速測功元件

目前應用最廣泛的是脈沖頻率測量法，其基本思想是先產生一個頻率正比于轉速的電脈沖信號，然后用模擬電路或數字技術測量脈沖頻率，從而實現轉速測量。將轉速變換成電信號的頻率可以采用磁阻發信器，此磁阻發信器除了齒輪以外沒有其它運動零件。測量磁阻發信器信號的頻率有數字和模擬兩種方法。因此，相比于機械調速器和液壓調速器，電子測速元件測量準確，線性度很好，響應速度快，且不易出故障。在中間再熱式汽輪機的功頻電液調節系統中，需要測量電功率的敏感元件，常用的有霍爾效應測功器和四象限乘法器等測功元件。這些測功元件也屬于電子測量元件，相較于機械式或液壓式的也有上述相同優點。

3.5 電液伺服閥及其故障

伺服閥分為動鐵式和直接驅動式。在動鐵式電液轉換器中，其運動部分是電磁鐵而不是線圈。當信號電壓作用在線圈上時，有電流流過使銜鐵被磁化，通過磁力產生扭轉力矩并使彈簧管產生變形。此時銜鐵會轉過一定的角度，使反饋桿產生彈性變形來減小左端噴油嘴的排油面積。壓力油經油口進入油動機活塞的右側，推動活塞相左移動。一定的信號電流將使得滑閥產生一定的位移，并使油動機按一定的速度運動。同理，當信號電流方向相反時，但方向相反。直接驅動式伺服閥用集成電路實現閥芯位置的閉環控制，閥芯的驅動裝置是永磁直線馬達，閥芯位置閉環控制電子線路和脈寬調制驅動電子線路固化為一塊集成塊，用特殊的技術固定在伺服閥內，取消了傳統的噴嘴—擋板前置級，簡化了電路，提高了可靠性，卻保持了待噴當前置級的兩級伺服閥的基本性能和技術指標[11]。因此，伺服閥一般主要發生3種故障：卡澀，即伺服閥閥桿部分卡澀；油內泄漏，如閥桿突肩由于磨損而產生的泄露；油路堵塞，如濾芯、節流孔、噴嘴堵塞。

3.6 油動機及其故障

以單側進油式油動機為例，其依靠彈簧力關閉閥門，因此可以保證在失去動力源壓力油的情況下仍能關閉閥門。而油動機的開啟只是靠壓力油作用，即只用于使機組加減負荷或升降轉速。電液伺服閥接受DEH來的信號控制油缸活塞下腔室的油量，當需要開大閥門時，伺服閥將壓力油引入活塞下腔室，油壓力克服彈簧力和蒸汽力作用使閥門開大，LVDT將其行程信號反饋至DEH。當需要關小閥門時，原理相同。當閥門開大或關小到需要的位置時，DEH將其指令和LVDT反饋信號綜合計算后使伺服閥回到電氣零位，遮斷其進油口或排油口，使閥門停止在指定位置上。當伺服閥失去控制電源時，能保證油動機關閉。由結構組成和工作原理可知，油動機主要發生兩種種故障：卡澀（如油動機活塞、閥桿的卡澀）和油的內泄漏。

3.7 調節汽閥及其故障

汽輪機的功率調節是通過改變調節汽閥的開度，調節進入汽輪機的蒸汽流量來實現的。調節汽閥的開大和關小由油動機直接或經由傳動機構來帶動，帶動調節汽閥的傳動機構稱為配汽機構。單座閥是汽輪機的一種常見的閥門結構，在中小型汽輪機上得到廣泛的應用。因為單座閥的提升力很大，特別是在低負荷而且閥門又處在將要打開的位置時，閥前后作用了很大的壓差，在蒸汽參數高，閥門直徑大的現代大功率汽輪機中很少應用單座閥，否則閥門的提升力將要大到不可允許的程度，使油動機的設計很困難。在大功率汽輪機中多用帶減壓閥的結構。當閥桿向上移動時，首先帶動閥門內部的小減壓閥，使閥碟的上部和下部相通。因為蒸汽只能經閥桿的間隙漏入閥門內部，所以閥門內部的壓力降低到和閥后壓力基本相等的數值。由調節汽閥的組成和工作原理可知，調節閥具有較長的閥桿，管路中殘留雜渣易造成堵塞甚至卡住。由于調節汽閥的閥桿直接與油動機閥桿相連，因此調節汽閥閥桿的卡澀故障就等同于有動機的卡澀故障。

4 結論及展望

汽輪機調節系統設備繁多，產生故障的原因錯綜復雜，各個故障還有所關聯，這對于故障診斷工作來說是非常不利的。為了使故障診斷有效地應用于實際，必須對調節系統常見故障進行歸類，把診斷的重點放在關鍵部位上的故障、最常發生的故障、可能引起嚴重事故的故障上，從而形成清晰的故障框架，并最終確定故障診斷方案[12]。文章通過分析汽輪機調節系統主要部件、工作原理及可能發生的故障，得到了如下結論。

（1）電子測量元件相較于機械式或液壓式的優點較多，因此，機械液壓部分和邏輯控制部分相對來講更容易出現故障，所以故障診斷的重點在于電液調節閥、油動機和調節汽閥。又由于調節汽閥主要發生卡澀故障，而調節汽閥的閥桿直接與油動機閥桿相連，進而從故障診斷的角度來看，調節汽閥閥桿的卡澀故障就等同于油動機的卡澀故障。

（2）從是否常發生故障的角度來看，診斷的重點是機械液壓系統的電液調節閥和油動機系統（包含調節汽閥），然后是邏輯控制部分的PID控制器和閥門管理系統。診斷的核心部件是機械液壓部分的調節閥和油動機。由于每個汽閥都有獨立執行機構，因此汽閥線路出現問題只有個別，而大多數是正常的，可以通過相互比較而確定哪條汽閥線路出現問題，其余故障多數可通過系統信號進行直接判斷。

（3）由于在數字電液控制系統中，電液伺服閥和油動機是緊密相連的，它們連接部分沒有信號可測，只有電液伺服閥前的法位指令信號和油動機后的閥位信號可測，因此可以將機械液壓部分當作一個整體。整個系統自內而外可分為三層：第一層就是包括電液伺服閥、油動機和調節汽閥的機械液壓部分；第二層包含第一層結構，又多加了閥門管理系統；第三層包含第二層結構，又多加了PID控制器。隨著分層結構的確立，整個數字電液控制系統的故障診斷方案也就確定下來了，就是一層一層地逐層診斷。由于診斷的核心部件是機械液壓部分，而且這部分的診斷相對較為復雜，因此整個系統的診斷順序就是從內到外一層一層地逐層診斷。

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