基于現場熱力參數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）

火力發電持續在電力行業占主導地位[1-3]，火力發電設備的故障診斷是學者們研究的重點之一。作為火力發電的主要設備，汽輪機長期處于高溫、高壓、高速的工作環境中，極易發生故障[4]，一旦發生故障對汽輪機的安全和經濟運行將產生巨大的影響，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，跟西方發達國家有很大差距[6]。

近年來國內也開展了汽輪機診斷的相關研究。浙江大學的張力寰[7]提出一種基于工業大數據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分析有明顯的優越性；石志標基于云PSOSVM[10]和CS-BBO[11]進行了汽輪機轉子故障診斷，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子裂紋故障中；鄧彤天[13]提出了基于模糊專家系統的汽輪機遠程振動故障診斷系統；忻建華等[14]根據通流故障與熱力參數的關系，提出了高壓缸通流部分故障的熱參數模糊診斷法。

目前國內學者們對汽輪機的故障診斷采用振動分析法的較多，基于熱力參數的汽輪機故障診斷相對缺乏。基于熱力參數的汽輪機診斷不僅可以在汽輪機故障后診斷出故障產生原因和位置，還能進行汽輪機故障前診斷，在機組還未發生振動等征兆前就可以預測出可能發生故障的位置和原因，并對其發展趨勢做出預測。隨著汽輪機向大容量、高參數方向發展，對汽輪機通流部分的故障監測與診斷要求也越來越高[4]。實時監測汽輪機運行中的熱力參數，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。基于熱力參數的汽輪機故障診斷技術能夠較好滿足該需求。

在基于熱力參數的診斷研究中，根據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變化時，不能有效排除干擾，從而難以實現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；同時結合高壓調節閥流量特性曲線，有效解決了上述干擾因素的影響，實現了基于熱力參數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變化的敏感度差，不能及時發現機組性能變化，只有當故障發展到一定程度，引起振動參數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。特征通流面積和級組效率就是有效的指標參數[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不變，特征通流面積在不同工況下保持常數，因此可以作為機組通流能力故障診斷的特征參數，為機組通流部分的狀態監測與故障的精確診斷提供依據。級組效率表示級的能量轉換完善程度，是衡量級經濟性的綜合指標，也可作為機組通流部分故障診斷的特征參數。

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，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，以級組效率為輔助特征參數的診斷流程如圖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。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見表1。

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

2.2 故障經過

汽輪機運行中，運行人員于15:06發現機組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，之后機組各參數基本維持穩定。雖然機組的振動參數未超過報警值，但振動參數以及汽輪機回熱抽汽等熱力參數的不正常波動，表明機組已發生故障。

3 汽輪機通流狀態診斷與評估

選取汽輪機故障前后一段相對穩定數據，通過對比機組故障發生前后機組相關參數，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 根據運行數據，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節級（0）、調節級到一段抽汽（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 根據運行數據，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。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現：主蒸汽到調節級組效率降低，調節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節級、調節級到一段抽汽、中壓缸進汽到三段抽汽可能出現了故障。

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

圖3 故障前后各調節閥閥位變化情況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現，中壓缸進汽到三段抽汽出現了故障使得該級段效率下降；而對于主蒸汽到調節級和調節級到一段抽汽，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，采用直接測量數據，如溫度、壓力等一次熱力參數變化來判斷機組故障。但實際上，由于機組系統復雜，各熱力參數相互耦合，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，在故障發生前后，部分級段特征通流面積發生明顯改變（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，而主蒸汽到調節級的面積增大，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

對于主蒸汽到調節級組，前文中提到該級段存在高壓調節閥開度的影響。根據以往同類型機組的高壓調節閥流量特性試驗結果（圖6），5號調節閥開度從故障前33%到故障后58%，流量相對變化約15.7%；6號調節閥開度從故障前3%到故障后12%，其流量相對變化約3.7%。根據閥門流量與面積變化的關系，調門開度變化（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生通流故障。

圖6 高壓調節閥流量特性曲線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，發現汽輪機中壓第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號高壓調節閥開度由故障前的26%變為28%，其余閥門開度基本沒變。經特征通流面積分析，主蒸汽到調節級的面積增大，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號調節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生的位置，其中主蒸汽到調節級效率降低，調節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）主蒸汽到調節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）使用高壓調節閥位輔助診斷，經計算，主蒸汽到調節級組高壓調門開度變化導致的通流面積增大與基于熱力參數計算的特征通流面積相對增大量相近，排除該級段發生通流故障的可能。

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。