大型火電廠設(shè)備故障診斷的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

      摘    要：介紹了火電廠主要設(shè)備的典型故障以及采用的故障診斷方法，闡述了現(xiàn)有的故障診斷系統(tǒng)和火電廠設(shè)備故障診斷中存在的問(wèn)題，并指出了故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，提出了研究方向。

        大型火電廠主要設(shè)備包括鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)等，完成從熱能到機(jī)械能再到電能的轉(zhuǎn)換過(guò)程。設(shè)備與設(shè)備之間的耦合性、系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及設(shè)備在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的特殊工作環(huán)境下，決定了火電廠是一個(gè)高故障率和故障危害性很大的生產(chǎn)場(chǎng)所，這些故障都將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)后果。因此，通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段，對(duì)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，來(lái)判斷設(shè)備是否存在異常或故障、故障的部位和原因、故障的劣化趨勢(shì)，以確定合理檢修時(shí)機(jī)很有必要。

        一、火電廠主要設(shè)備的典型故障及其診斷方法
        1.鍋爐的主要故障及診斷方法
        (1)主要故障
        ①過(guò)熱器泄漏。過(guò)熱器泄漏爆管區(qū)集中在高溫過(guò)熱器下彎頭外圈向火側(cè)，主要原因是爐膛高度偏低，使該處出現(xiàn)過(guò)熱，此處也有選材裕度不足及焊接質(zhì)量問(wèn)題。
        ②省煤器泄漏。主要原因是飛灰磨損造成管壁減薄，特別是在穿墻管、爐墻漏風(fēng)和彎頭處為常見。
        ③水冷壁泄漏。主要原因是局部過(guò)熱和腐蝕，局部過(guò)熱是水循環(huán)破壞和管內(nèi)結(jié)垢造成，而火焰偏斜或燃燒區(qū)煙溫過(guò)高則使水冷壁高溫腐蝕。
        ④除塵器故障。主要原因有煙氣流速太快，灰粒的粒度較大，含塵濃度大，排煙溫度低于露點(diǎn)溫度等。
        (2)診斷方法
        在鍋爐故障診斷中，物理診斷方法有：紅外測(cè)溫技術(shù)，具體應(yīng)用范圍有鍋爐火焰和燃燒狀態(tài)進(jìn)行辨別與控制、熱力設(shè)備疲勞損傷、熱力設(shè)備熱機(jī)械學(xué)特征規(guī)律、熱力系統(tǒng)漏熱及保溫進(jìn)行診斷與評(píng)價(jià)、鍋爐熱污染控制等；超聲波診斷方法，它可用來(lái)監(jiān)視爐膛上部區(qū)域的煙氣溫度，決定何時(shí)進(jìn)行吹灰操作，保持鍋爐良好的運(yùn)行性能，監(jiān)視爐膛各個(gè)燃燒器區(qū)域附近煙氣溫度，有助于識(shí)別和清除燃燒器故障導(dǎo)致的燃燒工況異常，同時(shí)可對(duì)污染物生成有重要影響的溫度的優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)清潔燃燒；無(wú)損傷檢測(cè)技術(shù)是指對(duì)材料、部件進(jìn)行的非破壞檢測(cè)，以期發(fā)現(xiàn)表面和內(nèi)部缺陷的一項(xiàng)技術(shù)。數(shù)學(xué)診斷方法有故障樹診斷法、模糊診斷方法等。在診斷系統(tǒng)方面，主要有清華大學(xué)研究開發(fā)的大型電站鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，華中科技大學(xué)研究開發(fā)的循環(huán)流化床鍋爐在線監(jiān)測(cè)與狀態(tài)診斷專家系統(tǒng)等。
        2.汽輪機(jī)組的主要故障及診斷方法
        (1)汽輪機(jī)的主要故障
        ①不平衡。主要是由于轉(zhuǎn)子存在加工誤差和永久彎曲、葉片脫落、聯(lián)軸器漂偏、接長(zhǎng)軸制造不良、受熱不均勻或材質(zhì)缺陷而引起的熱撓曲等造成的。
        ②不對(duì)中。主要原因是滑銷系統(tǒng)卡澀，汽缸溫差超限，機(jī)組升速太快，真空下降過(guò)大，基礎(chǔ)不均勻下沉等，使機(jī)組膨脹不暢和軸承座膨脹不均勻，以及聯(lián)軸器偏心等。
        ③轉(zhuǎn)子碰摩。主要原因有汽封間隙設(shè)計(jì)和調(diào)整不當(dāng)，汽缸膨脹不暢，汽缸熱變形過(guò)大，機(jī)組振動(dòng)過(guò)大和軸向位移增大等。
        ④葉片脫落。主要是由于設(shè)計(jì)的強(qiáng)度不足，蒸汽參數(shù)波動(dòng)較大，機(jī)組在電網(wǎng)周波變化較大和低負(fù)荷下長(zhǎng)期運(yùn)行，以及機(jī)組在小于額定轉(zhuǎn)速以下某轉(zhuǎn)速停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等。
        ⑤蒸汽激振。主要原因是由于高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速較低，并且高中壓轉(zhuǎn)子熱態(tài)下?lián)隙茸兓^大，軸承標(biāo)高變化較大，接長(zhǎng)軸的加工和安裝質(zhì)量不良，聯(lián)軸器中心徑向或軸向誤差太大，軸系平衡和對(duì)中狀態(tài)惡化等，使高中壓轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。
        (2)發(fā)電機(jī)的主要故障
        ①油膜振蕩。主要是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速過(guò)低，并且三軸楔瓦穩(wěn)定性差，在載荷減輕時(shí)，其失穩(wěn)轉(zhuǎn)速過(guò)低。
        ②定子線圈絕緣故障。主要是由于磨損、老化、污染及腐蝕等原因使絕緣失效，造成局部放電和溫度升高，以及由于綁扎不緊、冷卻水泄漏、疲勞磨損等原因使絕緣層損壞，造成線棒位移和匝間短路。
        ③定子線圈過(guò)熱。主要是由于制造或安裝過(guò)程中某些缺陷使匝間短路，造成局部過(guò)熱。
        ④轉(zhuǎn)子繞組故障。包括接地、匝間短路和斷線故障。接地和匝間短路障礙主要是由于絕緣降低和損壞引起的，接頭開焊和熱變形會(huì)引起斷線。
        ⑤冷卻水系統(tǒng)故障。主要是由于冷卻水泄漏、管道異物堵塞、誤動(dòng)作等使冷卻水流量降低和中斷，以及由于材料和安裝缺陷引起定子漏水。
        (3)診斷方法
        在汽輪機(jī)組故障診斷中，振動(dòng)法是應(yīng)用最普遍也比較成熟的一種方法。應(yīng)用熱力學(xué)分析診斷汽輪機(jī)組性能故障也是一個(gè)重要手段，另外還有油液分析、聲發(fā)射法、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等。聲發(fā)射法主要用于動(dòng)靜碰磨故障檢測(cè)、泄漏檢測(cè)等。日立公司在350MW汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子上設(shè)置試片，在兩端軸承的軸瓦處進(jìn)行聲發(fā)射和記錄，診斷轉(zhuǎn)子的碰磨。在汽輪機(jī)組壽命診斷中，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用相當(dāng)重要，目前用到的非破壞性評(píng)價(jià)法主要包括硬度測(cè)定法、電氣抵抗法、超聲波法、組織對(duì)比法、結(jié)晶粒變形法、顯微鏡觀察測(cè)定法和X射線分析法等。
        現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制開發(fā)出了幾十種用于汽輪機(jī)組的故障診斷系統(tǒng)。國(guó)外主要有美國(guó)Radial公司開發(fā)的汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)診斷用專家系統(tǒng)，西屋公司的汽輪發(fā)電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)，Bendy公司的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)主要有上海大學(xué)研制的熱力參數(shù)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)TPD，該系統(tǒng)可以提高汽輪機(jī)組的運(yùn)行可靠性，同時(shí)能夠優(yōu)化運(yùn)行方案、提高運(yùn)行效率、延長(zhǎng)運(yùn)行壽命。由清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱電工儀表所等院所聯(lián)合研制200MM、300MW汽輪發(fā)電機(jī)組工況監(jiān)測(cè)與故障診斷專家系統(tǒng)，可全面監(jiān)測(cè)診斷機(jī)械振動(dòng)故障、氣隙振動(dòng)故障、熱因素引起的故障、機(jī)電耦合軸系扭振故障以及調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)故障。
        3.變壓器的主要故障及診斷方法
        (1)主要故障
        ①線圈匝間短路。主要原因是絕緣老化或散熱不良或長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷，由于短路電動(dòng)力損傷匝間絕緣，繞組的材料或工藝方面的缺陷，進(jìn)水受潮，大氣或操作過(guò)電壓的襲擊。
        ②繞組斷線。主要原因有短路電動(dòng)力使線圈斷線，焊接不良，匝間短路。
        ③繞組對(duì)地?fù)舸Ｖ饕蛴兄鹘^緣的老化，絕緣油受潮，繞組內(nèi)有雜質(zhì)進(jìn)入，過(guò)電壓短路時(shí)線圈變形損壞，因冷卻系統(tǒng)故障、冷卻油道堵塞、保護(hù)失靈從而產(chǎn)生整體或局部過(guò)熱以致絕緣損壞。
        ④繞組相間短路。主要原因與對(duì)地?fù)舸┫嗨疲部赡苁且€間或套管間短路，油面過(guò)低。
        ⑤鐵芯片局部短路或局部融毀。主要原因是鐵芯或扼鐵的螺桿絕緣損壞，故障處有金屬片使鐵芯片短路，片間絕緣損壞嚴(yán)重，接地方法不正確構(gòu)成電流環(huán)路。
        ⑥分接開關(guān)接觸不良，觸頭表面熔化。主要原因是結(jié)構(gòu)裝配上存在缺陷，切換分接頭后，接觸不可靠，動(dòng)觸頭彈簧壓力不夠，有載調(diào)壓裝置安裝調(diào)整不當(dāng)。
        ⑦套管對(duì)地閃絡(luò)或爆炸。主要原因是表面積灰，臟污，裂紋，密封不嚴(yán)，呼吸器配置不當(dāng)。
        ⑧負(fù)荷正常油溫升高。主要原因是繞組匝間短路，損耗增加，大電流連接處接觸不良，油位過(guò)低，冷卻效果差。
        (2)診斷方法
        在變壓器故障診斷中，常用的方法有振動(dòng)分析法、油中氣體分析法、局部放電法、恢復(fù)電壓法、頻率響應(yīng)分析法以及紅外診斷技術(shù)等。目前應(yīng)用較多的主要是紅外診斷技術(shù)。在診斷系統(tǒng)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究單位在這方面進(jìn)行了大量的工作，已經(jīng)研制出了具有故障檢測(cè)和初步診斷功能的專家系統(tǒng)，如河南電力試驗(yàn)研究所開發(fā)研究的電力變壓器故障診斷微機(jī)專家系統(tǒng)。此外，國(guó)內(nèi)有許多著名高校正在從事這方面的研究，取得了巨大的理論成果。
        二、目前火電廠設(shè)備故障診斷存在的問(wèn)題
        目前雖然有許多診斷方法和診斷系統(tǒng)應(yīng)用于火電廠設(shè)備的故障診斷，并取得了很好的應(yīng)用效果，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也存在著不少的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
        1.檢測(cè)手段
        故障診斷的推理機(jī)制已經(jīng)達(dá)到很高的水平，但征兆的獲取成為了一個(gè)瓶頸，即最大的問(wèn)題是檢測(cè)手段不能滿足診斷的需要，不能真實(shí)地反應(yīng)故障的特征。
        2.復(fù)雜的故障機(jī)理
        對(duì)故障機(jī)理的了解是準(zhǔn)確診斷故障的前提。目前，對(duì)電廠某些設(shè)備的復(fù)雜故障，很難從理論上給出解釋，對(duì)其機(jī)理的了解并不深刻。
        3.人工智能應(yīng)用
        專家系統(tǒng)作為人工智能在電廠主要設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用已獲得成功，但仍有一些關(guān)鍵的人工智能應(yīng)用問(wèn)題需要解決，主要有知識(shí)的表達(dá)與獲取、自學(xué)習(xí)、智能辨識(shí)、信息融合等。
        4.診斷方法的單一性
        當(dāng)前火電廠設(shè)備的故障診斷系統(tǒng)所用的診斷方法有模糊邏輯法、故障樹分析法、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。但是單一的診斷方法往往難以達(dá)到期望的診斷效果。
        5.故障定位
        目前的故障診斷系統(tǒng)常常只是進(jìn)行到故障類型識(shí)別這一部分，不能確定故障的具體位置，且對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)的功能研究不夠。
        三、火電廠設(shè)備故障診斷的發(fā)展
        1.故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
        (1)分層分布式結(jié)構(gòu)的故障診斷系統(tǒng)
        火電機(jī)組的各子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能是分布式和多層次的，這種結(jié)構(gòu)上的層次關(guān)系，要求其診斷系統(tǒng)是分布式和多層次的，由全局診斷系統(tǒng)和子診斷系統(tǒng)組成。全局診斷系統(tǒng)負(fù)責(zé)診斷任務(wù)的管理，包括將總體任務(wù)分解成子任務(wù)和向各子診斷系統(tǒng)分配任務(wù)，這些任務(wù)往往是相互耦合的。診斷子系統(tǒng)完成以后，通過(guò)對(duì)各子診斷系統(tǒng)結(jié)論的綜合，給出最終結(jié)論。分布式故障診斷專家系統(tǒng)具有推理效率高，診斷速度快，系統(tǒng)可靠，適時(shí)性好的特點(diǎn)。
        (2)集成式故障診斷系統(tǒng)
        由于當(dāng)前的診斷系統(tǒng)在推理方法上的單一性，在求解復(fù)雜系統(tǒng)的診斷問(wèn)題時(shí)受到很大的限制。未來(lái)的火電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)，將根據(jù)不同子系統(tǒng)的特點(diǎn)采用不同的推理模型，甚至采用幾種不同推理模型進(jìn)行混合推理，各種推進(jìn)模型的優(yōu)勢(shì)將得到充分發(fā)揮，從而提高推理速度和準(zhǔn)確性。
        (3)構(gòu)造大型監(jiān)測(cè)診斷中心
        在同一電網(wǎng)中，有許多同類型的火電機(jī)組在同時(shí)運(yùn)行。構(gòu)造大型監(jiān)測(cè)診斷中心所帶來(lái)的好處是非常明顯的：①便于集中保存機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)和機(jī)組健康狀況的資料；②便于多臺(tái)機(jī)組之間、多個(gè)電廠之間共享已有的知識(shí)，便于知識(shí)庫(kù)的完善化；③有利于機(jī)組的負(fù)荷調(diào)度。
        (4）自主閉環(huán)診斷系統(tǒng)
        全自主、閉環(huán)故障診斷系統(tǒng)能夠在人員不參與的情況下完成持續(xù)的故障診斷，形成決策，再由診斷系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的控制命令，對(duì)機(jī)組施加適當(dāng)?shù)目刂啤Ｒ獙?shí)現(xiàn)自主閉環(huán)診斷，必須要有成熟和先進(jìn)的診斷技術(shù)。診斷系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)必須完備，診斷系統(tǒng)應(yīng)有學(xué)習(xí)機(jī)制，能診斷不可預(yù)知的故障。
        (5)基于Internet的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)
        隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得基于Internet的遠(yuǎn)程應(yīng)用系統(tǒng)成為可能。將故障診斷系統(tǒng)與Internet相結(jié)合不但能夠獲取大量的故障案例與診斷經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)能夠共享診斷資源，實(shí)現(xiàn)專家異地會(huì)診，提高故障診斷水平。