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电厂设备诊断系统的发展趋势与研究方向

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2009/6/26 11:31:22   

摘    要:介绍了火电厂主要设备的典型故障以及采用的故障诊断方法,阐述了现有的故障诊断系统和火电厂设备故障诊断中存在的问题,并指出了故障诊断系统的发展趋势,提出了研究方向。
    大型火电厂主要设备包括锅炉、汽轮机和发电机等,完成从热能到机械能再到电能的转换过程。设备与设备之间的耦合性、系统的复杂性,以及设备在高温、高压、高速旋转的特殊工作环境下,决定了火电厂是一个高故障率和故障危害性很大的生产场所,这些故障都将造成重大的经济损失和社会后果。因此,通过先进的技术手段,对设备状态参数进行监测和分析,来判断设备是否存在异常或故障、故障的部位和原因、故障的劣化趋势,以确定合理检修时机很有必要。
    一、火电厂主要设备的典型故障及其诊断方法
    1.锅炉的主要故障及诊断方法
    (1)主要故障
    ①过热器泄漏。过热器泄漏爆管区集中在高温过热器下弯头外圈向火侧,主要原因是炉膛高度偏低,使该处出现过热,此处也有选材裕度不足及焊接质量问题。
    ②省煤器泄漏。主要原因是飞灰磨损造成管壁减薄,特别是在穿墙管、炉墙漏风和弯头处为常见。
    ③水冷壁泄漏。主要原因是局部过热和腐蚀,局部过热是水循环破坏和管内结垢造成,而火焰偏斜或燃烧区烟温过高则使水冷壁高温腐蚀。
    ④除尘器故障。主要原因有烟气流速太快,灰粒的粒度较大,含尘浓度大,排烟温度低于露点温度等。
    (2)诊断方法
    在锅炉故障诊断中,物理诊断方法有:红外测温技术,具体应用范围有锅炉火焰和燃烧状态进行辨别与控制、热力设备疲劳损伤、热力设备热机械学特征规律、热力系统漏热及保温进行诊断与评价、锅炉热污染控制等;超声波诊断方法,它可用来监视炉膛上部区域的烟气温度,决定何时进行吹灰操作,保持锅炉良好的运行性能,监视炉膛各个燃烧器区域附近烟气温度,有助于识别和清除燃烧器故障导致的燃烧工况异常,同时可对污染物生成有重要影响的温度的优化控制,实现清洁燃烧;无损伤检测技术是指对材料、部件进行的非破坏检测,以期发现表面和内部缺陷的一项技术。数学诊断方法有故障树诊断法、模糊诊断方法等。在诊断系统方面,主要有清华大学研究开发的大型电站锅炉远程监测与故障诊断系统,华中科技大学研究开发的循环流化床锅炉在线监测与状态诊断专家系统等。
    2.汽轮机组的主要故障及诊断方法
    (1)汽轮机的主要故障
    ①不平衡。主要是由于转子存在加工误差和永久弯曲、叶片脱落、联轴器漂偏、接长轴制造不良、受热不均匀或材质缺陷而引起的热挠曲等造成的。
    ②不对中。主要原因是滑销系统卡涩,汽缸温差超限,机组升速太快,真空下降过大,基础不均匀下沉等,使机组膨胀不畅和轴承座膨胀不均匀,以及联轴器偏心等。
    ③转子碰摩。主要原因有汽封间隙设计和调整不当,汽缸膨胀不畅,汽缸热变形过大,机组振动过大和轴向位移增大等。
    ④叶片脱落。主要是由于设计的强度不足,蒸汽参数波动较大,机组在电网周波变化较大和低负荷下长期运行,以及机组在小于额定转速以下某转速停留时间过长等。

    ⑤蒸汽激振。主要原因是由于高中压转子临界转速较低,并且高中压转子热态下挠度变化较大,轴承标高变化较大,接长轴的加工和安装质量不良,联轴器中心径向或轴向误差太大,轴系平衡和对中状态恶化等,使高中压转子失稳。
    (2)发电机的主要故障
    ①油膜振荡。主要是因为发电机转子一阶临界转速过低,并且三轴楔瓦稳定性差,在载荷减轻时,其失稳转速过低。
    ②定子线圈绝缘故障。主要是由于磨损、老化、污染及腐蚀等原因使绝缘失效,造成局部放电和温度升高,以及由于绑扎不紧、冷却水泄漏、疲劳磨损等原因使绝缘层损坏,造成线棒位移和匝间短路。
    ③定子线圈过热。主要是由于制造或安装过程中某些缺陷使匝间短路,造成局部过热。
    ④转子绕组故障。包括接地、匝间短路和断线故障。接地和匝间短路障碍主要是由于绝缘降低和损坏引起的,接头开焊和热变形会引起断线。
    ⑤冷却水系统故障。主要是由于冷却水泄漏、管道异物堵塞、误动作等使冷却水流量降低和中断,以及由于材料和安装缺陷引起定子漏水。
    (3)诊断方法
    在汽轮机组故障诊断中,振动法是应用最普遍也比较成熟的一种方法。应用热力学分析诊断汽轮机组性能故障也是一个重要手段,另外还有油液分析、声发射法、无损检测技术等。声发射法主要用于动静碰磨故障检测、泄漏检测等。日立公司在350MW汽轮机高中压转子上设置试片,在两端轴承的轴瓦处进行声发射和记录,诊断转子的碰磨。在汽轮机组寿命诊断中,无损检测技术应用相当重要,目前用到的非破坏性评价法主要包括硬度测定法、电气抵抗法、超声波法、组织对比法、结晶粒变形法、显微镜观察测定法和X射线分析法等。
    现今国内外已经研制开发出了几十种用于汽轮机组的故障诊断系统。国外主要有美国Radial公司开发的汽轮发电机组振动诊断用专家系统,西屋公司的汽轮发电机组故障诊断系统,Bendy公司的旋转机械故障诊断系统。国内主要有上海大学研制的热力参数监测和故障诊断系统TPD,该系统可以提高汽轮机组的运行可靠性,同时能够优化运行方案、提高运行效率、延长运行寿命。由清华大学、华中理工大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨电工仪表所等院所联合研制200MM、300MW汽轮发电机组工况监测与故障诊断专家系统,可全面监测诊断机械振动故障、气隙振动故障、热因素引起的故障、机电耦合轴系扭振故障以及调节控制系统故障。
        3.变压器的主要故障及诊断方法
        (1)主要故障
        ①线圈匝间短路。主要原因是绝缘老化或散热不良或长期过负荷,由于短路电动力损伤匝间绝缘,绕组的材料或工艺方面的缺陷,进水受潮,大气或操作过电压的袭击。
        ②绕组断线。主要原因有短路电动力使线圈断线,焊接不良,匝间短路。
        ③绕组对地击穿。主要原因有主绝缘的老化,绝缘油受潮,绕组内有杂质进入,过电压短路时线圈变形损坏,因冷却系统故障、冷却油道堵塞、保护失灵从而产生整体或局部过热以致绝缘损坏。
        ④绕组相间短路。主要原因与对地击穿相似,也可能是引线间或套管间短路,油面过低。

    ⑤铁芯片局部短路或局部融毁。主要原因是铁芯或扼铁的螺杆绝缘损坏,故障处有金属片使铁芯片短路,片间绝缘损坏严重,接地方法不正确构成电流环路。
    ⑥分接开关接触不良,触头表面熔化。主要原因是结构装配上存在缺陷,切换分接头后,接触不可靠,动触头弹簧压力不够,有载调压装置安装调整不当。
    ⑦套管对地闪络或爆炸。主要原因是表面积灰,脏污,裂纹,密封不严,呼吸器配置不当。
    ⑧负荷正常油温升高。主要原因是绕组匝间短路,损耗增加,大电流连接处接触不良,油位过低,冷却效果差。
    (2)诊断方法
    在变压器故障诊断中,常用的方法有振动分析法、油中气体分析法、局部放电法、恢复电压法、频率响应分析法以及红外诊断技术等。目前应用较多的主要是红外诊断技术。在诊断系统方面,国内外学者和研究单位在这方面进行了大量的工作,已经研制出了具有故障检测和初步诊断功能的专家系统,如河南电力试验研究所开发研究的电力变压器故障诊断微机专家系统。此外,国内有许多著名高校正在从事这方面的研究,取得了巨大的理论成果。
    二、目前火电厂设备故障诊断存在的问题
    目前虽然有许多诊断方法和诊断系统应用于火电厂设备的故障诊断,并取得了很好的应用效果,但在实际应用时也存在着不少的问题,主要表现在以下几个方面。
    1.检测手段
    故障诊断的推理机制已经达到很高的水平,但征兆的获取成为了一个瓶颈,即最大的问题是检测手段不能满足诊断的需要,不能真实地反应故障的特征。
    2.复杂的故障机理
    对故障机理的了解是准确诊断故障的前提。目前,对电厂某些设备的复杂故障,很难从理论上给出解释,对其机理的了解并不深刻。
    3.人工智能应用
    专家系统作为人工智能在电厂主要设备故障诊断中的应用已获得成功,但仍有一些关键的人工智能应用问题需要解决,主要有知识的表达与获取、自学习、智能辨识、信息融合等。
    4.诊断方法的单一性
    当前火电厂设备的故障诊断系统所用的诊断方法有模糊逻辑法、故障树分析法、专家系统、人工神经网络等。但是单一的诊断方法往往难以达到期望的诊断效果。
    5.故障定位
    目前的故障诊断系统常常只是进行到故障类型识别这一部分,不能确定故障的具体位置,且对设备的状态进行预测的功能研究不够。
    三、火电厂设备故障诊断的发展
    1.故障诊断系统的发展趋势
    (1)分层分布式结构的故障诊断系统
    火电机组的各子系统的结构和功能是分布式和多层次的,这种结构上的层次关系,要求其诊断系统是分布式和多层次的,由全局诊断系统和子诊断系统组成。全局诊断系统负责诊断任务的管理,包括将总体任务分解成子任务和向各子诊断系统分配任务,这些任务往往是相互耦合的。诊断子系统完成以后,通过对各子诊断系统结论的综合,给出最终结论。分布式故障诊断专家系统具有推理效率高,诊断速度快,系统可靠,适时性好的特点。

   (2)集成式故障诊断系统
    由于当前的诊断系统在推理方法上的单一性,在求解复杂系统的诊断问题时受到很大的限制。未来的火电机组故障诊断系统,将根据不同子系统的特点采用不同的推理模型,甚至采用几种不同推理模型进行混合推理,各种推进模型的优势将得到充分发挥,从而提高推理速度和准确性。
    (3)构造大型监测诊断中心
    在同一电网中,有许多同类型的火电机组在同时运行。构造大型监测诊断中心所带来的好处是非常明显的:①便于集中保存机组的运行数据和机组健康状况的资料;②便于多台机组之间、多个电厂之间共享已有的知识,便于知识库的完善化;③有利于机组的负荷调度。
    (4)自主闭环诊断系统
    全自主、闭环故障诊断系统能够在人员不参与的情况下完成持续的故障诊断,形成决策,再由诊断系统发出相应的控制命令,对机组施加适当的控制。要实现自主闭环诊断,必须要有成熟和先进的诊断技术。诊断系统的知识库必须完备,诊断系统应有学习机制,能诊断不可预知的故障。
    (5)基于Internet的远程故障诊断系统
    随着计算机网络技术的发展,使得基于Internet的远程应用系统成为可能。将故障诊断系统与Internet相结合不但能够获取大量的故障案例与诊断经验,同时能够共享诊断资源,实现专家异地会诊,提高故障诊断水平。
    参考文献
    1 阮跃,黄雅萍.大型电站状态监测与故障诊断专家系统的研究.电站系统工程,1997(5)
    2 李录平,韩西京等.火电机组故障诊断技术的现状与展望.电力情报,1997(3)
    3 刘峻华,黄树红等.汽轮机故障诊断技术的发展与展望.汽轮机技术,2000(2)
    4 陈维荣,宋永华等.电力系统设备状态监测的概念及现状.电网技术,2000(11)
    5 徐敏等主编.设备故障诊断手册.西安交通大学出版社,1998
    6 宋斌,安魁君.汽轮发电机组振动故障诊断技术概述.山东电力技术,2001(10)

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