汽轮发电机组的故障诊断与状态维修

叶荣学1,孙伟1,张敏全1,李建平2,于长奇2,戴春喜2,魏民2

（1.东北电力学院   132013  2.鹤岗发电有限责任公司   104100）

[摘  要]  本文是结合鹤岗发电厂实行状态维修的实践结果而写的文章。实现状态维修必须具备两个条件：首先必须建立起科学的管理体系，即建立保证电厂设备可靠性高而维修成本又低的集约型管理体系；其次根据设备实际情况建立准确可靠的监测诊断系统，通过该系统，管理人员可以根据实际状态进行状态维修，又使设备在最佳工况下运行。

[关键词]  状态监测  故障诊断   状态维修

一、按状态维修方式建立管理体系

设备状态维修是一种先进的新的管理方式，与定期检修有很大差别，为了实现状态维修必须建立起一套新的办法，建立新的管理体系。

（一）厂级状态维修中心主要任务

由主管生产的副厂长或总工程师任主任，下设副主任1人。状态维修中心主要任务：

1、制定本厂状态维修目的：提高设备可靠性，使故障率下降75%～80%，按最优化方式维修减少维修费用40%～50%，先在主要转机上实现状态维修，逐渐扩大状态维修的设备。

2、制定状态维修制度：定人，定设备，定诊断时间，汽轮发电机组每周诊断两次，送引风机每周诊断一次，发现异常的设备每天诊断一次。

3、建立状态维修决策中心，由各专业专工组成：汽机专工2人，锅炉专工2人，电气专工2人，热工专工2人，其中诊断组长一人。设若干点检人员（点检员根据离线监测设备而定）。

4、审批状态维修方案，由状态维修决策中心提出状态维修方案召开专门会议审批，也可借助专家协助诊断。

5、评估状态维修实施的效果，每次状态维修后进行总结：哪些成功经验，哪些教训，同时找出改进办法。

（二）状态维修决策中心主要任务

决策中心是状态维修的技术参谋部，根据厂状态维修中心总的目标与规划，实时诊断设备状态，提出状态维修方案。

1、对全厂设备进行评估：把全厂设备分成三大类：现在可以实现状态维修设备有：两台汽轮机，送引风机及其电动机，循环水泵及其电动机，给水泵及其小汽机等。现在按定期大修设备有：磨煤机、灰浆泵及锅炉，但是也要监测诊断。现在按故障后维修的设备有：小型生水泵，小型油泵等。

2、确定状态维修设备的状态监测参数

汽轮机发电机状态监测参数：振动信号并形成六种特征曲线：频谱图、轴心轨迹图、波德图、瀑布图、轴心位置图与极座标图。汽轮机热力性能监测：汽轮机各效率，热耗率，凝汽器清洁度，给水泵效率，各种换热器损失。

主要辅机监测参数：振动信号及频谱分析，轴瓦摩擦声发射监测，电动机除了监测电流外，还要进行电流频谱分析。

3、状态分析与故障诊断

汽轮发电机组诊断：根据6种特征曲线可以诊断故障有：初始不平衡、动叶飞出、轴弯曲、轴承摩擦、轴承钨金损坏、联轴器不对中、轴瓦松动、轴承座变形或下沉、轴承箱松动、转子热不平衡与热弯曲、发电机转子热不平衡、热弯曲、密封摩擦等。

根据汽轮机热力系统状态参数诊断：汽封间隙通流部分结垢，汽轮机缸内漏汽，凝汽器结垢，给水泵效率，换热器损坏等。

主要辅机诊断故障：初始不平衡、不对中、轴承损坏、转动部件松动、地脚螺栓松动，根据声发射信号诊断摩擦情况，根据电动机频谱特征诊断转子断条，端环损坏，气隙间隙不均，静子线圈松动。三相电流不平衡。

4、点检制:

电厂小型设备很多，这些设备采用离线检查，即采用点检制办法，点检制必须实行四定办法：定设备、定人员、定时间、定指标。

5、制定状态维修计划的基本办法及原则

   制定状态维修计划时综合考虑7种基本因素：主机DM2000提供特征曲线及诊断结果。eMD提供的三缸效率及其它性能指标。MD3000提供辅机监测结果。RMS可靠性寿命管理（寿命管理暂未考虑）提供数据。CMMS设备档案资料。FMS设备缺欠管理资料。点检制提供数据。综合分析这些资料后再根据两个原则，设备有最大可靠性和最小维修成本，确定维修时间和维修办法。

（三）数据网络化管理

    实现状态维修要求调用很多数据及决策软件，为了完成这个任务，必须实现网络化管理，如下图所示：

中心计算机内装有专家诊断系统及决策软件，将各种特征参数调入后进行综合决策。

（四）远程诊断

远程诊断中心设在东北电力学院诊断中心（也可设在其它诊断中心），由中心计算机通过Modem用长途电话线或者Internet与远程诊断中心相连，通过远程诊断可以充分利用诊断中心积累的丰富诊断信息为电厂诊断特殊的故障原因，诊断中心根据电厂的要求及时将诊断结果传给电厂。

（五）状态维修培训制度

1、决策层领导人员培训内容：状态维修的基本概念，实现状态维修是管理方式由粗放型管理向集约型管理的转化，实现状态维修要建立相应机构及制度，实现状态维修可以提高电厂安全性与经济性的理论根据及实例。

2、诊断人员培训内容：状态维修基本概念，状态维修监测基本原理及办法，故障诊断原理及办法，数据采集、信号处理、故障诊断及远程诊断。

3、操作人员培训内容：状态维修基本概念，传感器及仪表使用办法，计算机使用办法，数据整理与分析。

二、根据设备的特点建立监测诊断系统

   实现状态维修必须实时掌握设备的状态，从而根据设备状态决定维修办法，不同的设备有不同的特征，要求有不同的监测诊断系统。

1、汽轮机组轴系监测诊断系统

1.1振动监测诊断系统，如图一所示（用状态维修方案内容）

振动监测系统组成：振动传感器、数据采集、信号处理与故障诊断。

用电涡流传感器监测轴振，两个传感器互相垂直，振动监测仪表及保护装置同前一样。数据采集系统用于采集正常稳定状态和启停机过程数据。这些信号和数据可以暂时存于采集器的存贮器中也可以周期地传送到分析诊断系统中，计算机信号处理和故障诊断系统是本系统核心部分，它起到状态监测、故障诊断、报警处理、数据分析作用。

通过信号处理形成6种特征曲线：幅值频谱图、轴心轨迹图、轴心位置图、波德图、瀑布图、极座标图。由这些特征曲线诊断故障原因。

1.2由频谱图中不同倍频下的振动幅值，计算出故障隶属度。

        （1）

其中：R：诊断系数矩阵    ：故障隶属度     ：症兆隶属度

根据故障隶度大小决定故障原因，在一般情况下>0.5，便可以认为出现相应故障。

1.3由多种特征曲线图进行决断

由计算机自动计算出故障隶属度虽然能给出故障原因，但是缺少唯一性，必须由其它特征曲线进行决断，最后确定故障原因，例如：#1机1瓦轴振动频谱图中有7个倍频幅值，经计算得到不平衡故障隶属度， =0.48，机座变形，故障隶属度=0.46，摩擦故障隶属度=0.32，引起不平衡的原因有三种：初始不平衡、动叶脱落及热弯曲。经过用多种特征曲线分析得到结论：由于前轴承箱变形，使轴承松动，从而使轴径与轴瓦摩擦（诊断过程从略）经过解体检查发现前轴承下降0.95㎜，进行相应处理，启机后运行正常。

2、汽轮机热力性能指标监测诊断系统

根据汽轮机通流部分热力参数可以实时监测汽轮机三缸内效率，再根据热力系统参数可以计算出热耗率等性能指标，根据这些性能指标同样可以诊断汽轮机状态。例如：在额定功率下测得汽轮机效率下降，表明通流部分有故障，例如汽封间隙损坏、喷嘴与动叶结垢等。如果用一些参数判断排除结垢原因，主要是由于汽封间隙增加引起效率下降，根据经验积累，给出效率变化与汽封间隙变化之间关系。

    （2）

其中：——原设计与当前实测效率。

——用于国产300MW机组经验系数。

根据热力性能指标监测同样可以诊断汽轮机内漏情况，凝汽器清洁程度等。

3、轴振信号与效率的综合诊断

汽轮机振动特性好坏是汽轮机稳定性主要指标，除此之外，振动特性好坏还与效率有关。

3.1轴振的特征参数与汽封间隙变化关系。

为了实时分析汽封间隙变化，这里采用动态汽封间隙计算公式：

   （3）

其中：—安装时汽封间隙            —轴承座与汽缸径向胀差，高中缸=0

     —油膜最小厚度           —轴单向最大振幅

     —轴心位置波动值

当>0时，汽封与轴颈没发生摩擦， <0汽封与轴颈已发生摩擦，综合式（2）和（3）不难看出，当轴系不稳，轴心位置波动大，轴振幅大时，可能发生汽封与轴颈磨损，使汽封间隙增加，从而使汽轮机效率下降。也就是说轴系稳定程度与汽轮机效率之间有一定关系。

3.2振动与效率综合诊断

鹤岗发电有限责任公司#2机组，同时具有振动小、效率高的优点，根据电厂#2机安装总结材料，安装时严把质量关，轴系对中好。轴承间隙及紧力均符合制造厂标准，各汽缸轴端汽封间隙及隔板汽封间隙均很小，保证了轴系稳定，振幅很小，通过临界转速时振幅也很小，如下表所示：

㎜（轴承座与汽缸胀差按最大温差℃计算，㎜），>0汽封没有发生磨损。2001年8月份小修时揭低压外缸测得汽封间隙如下：

低压缸轴端外汽封间隙

三缸效率实测值基本接近设计值如下表所示：

高压缸：

㎜

中压缸：

㎜

低压缸：

㎜

估算汽机内部汽封间隙变化很小，虽然是近似计算，但是这个结果与振动监测结果完全一致。通过以上计算得出如下结论：轴系平稳，振幅小，汽封间隙小，过临界时振幅很小，汽轮机效率高。只要振动幅值小，汽轮机效率高，该机组状态一定很好。又根据可靠性管理数据及历史资料综合分析，决定不进行大修只进行小修，经过小修后启机一切正常，又运行了一年后，于2002年4月12日又进行诊断，再次取消了大修。

   鹤岗电厂2号机组2002年4月12日振动值如表一所示：

表一  轴振幅值（）

    4月12日，N=300MW工况下的效率及抽汽点

温度值如表二所示：

表二  效率与抽汽点温度

高压缸与中压缸出口温度接近设计值，内效率也接近设计值。低压缸5、6、7抽汽温度较大，而8抽及排汽温度接近设计值。经过分析认为，由于低压缸导汽槽漏汽进入5、6、7抽汽管而使温度升高而通流部分总体汽流温度保持正常，因此低压缸内效率也接近设计值。

由表一与表二提供的振动信号与效率进行综合诊断可以得出如下结论：轴系稳定性较好，像这样机组不应揭缸大修，只应进行局部小修。

4、主要辅机状态监测诊断系统

电厂辅机种类数量均很多，不可能也没必要都采用在线监测，应根据辅机对生产影响程度决定是否在线监测。在大电厂送引风机、给水泵、循环水泵应用在线监测，其它辅机应用离线监测。

4.1主要辅机状态监测与故障诊断系统

a、监测诊断系统

多台辅机进行集中监测，即用一台工控机同时监测多台辅机，对于大型机组可以在一个单元设置一台工控机，对于小型机组可用一台工控机同时监测两个单元辅机，具体方案根据实际情况决定。

b、故障诊断专家系统

根据频谱分析、电流频谱图、声响信号可以诊断以下故障：初始不平衡、不对中、轴承摩擦、机械松动、机座松动、滚珠损坏、滚架损坏、电机气隙间隙不均，电机转子笼条断裂等。

c、信号处理

显示棒形图、时域波形图、频谱分析图、历史曲线、事故储存、超限报警、打印。

4.2振动监测与诊断

用速度型传感器监测瓦振，由下位机采集信号并储存，由一台下位机同时监控多台辅机，按指令送入上位机进行处理并进行故障诊断，故障诊断软件存于上位机中。

4.3电机电流信号监测，根据电流信号频谱特征诊断电机故障，转子铸条断裂，电机转子与静子间隙变化。

用温度传感器和温度采集模块实时采集温度，数据通过串形通讯送入下位机，然后由下位机进行分析处理后送到上位机，作为故障诊断的辅助数据。如有必要用声发射传感器监测轴瓦摩擦。

4.4辅机离线监测与诊断

小型转机轴承故障诊断用手提仪表定期检查，根据振动频谱分析故障原因，根据声发射仪表诊断轴承故障程度，（用手提表定期检查）。漏真空、阀门内漏、加热器内漏等用超声波仪表检查，电动机故障用手提仪表检查，铸条断裂、端环断裂、转子与定子偏心等故障。

三、主要结论

1、状态维修是根据设备的实际状态进行检修，因此必须实时监测分析设备状态，在故障发生前的潜伏期便可根据状态检修使设备缺欠及时得到处理。因此基本上消除一般性故障。

2、由于按实际需要进行检修，防止了检修过剩，从而消除了由于多余检修而带来的新的故障。

3、由于根据状态进行检修，检修工作重点突出，可以集中人力、物力进行精修，从而提高了检修质量，提高了设备可靠性，因此从总体上提高了设备“健康”水平，减少了故障率，下降75%～85%。

4、按实际状态进行检修，减少了不必要的多余的检修工作，从而减少了检修工作量，减少了检修费用，下降50%～60%。

5、由于按设备实际状态进行维修，保证设备运行时工况最佳，检修时间最短，从而提高了设备利用率。

6、由于按设备实际状态进行检修，减少了不必要的拆卸工作，减少了因拆卸工作对设备的损害，从而延长了设备的使用寿命。

7、在实践中不断总结经验，开发新的状态监测系统，不断扩大状态维修设备的比例。

8、在管理工作中，科学的处理状态维修、定期维修与事后维修三者之间的关系。

四、主要参考文献

1、J．莫布雷著，石磊等译 《以可靠性为中心的维修》   机械工业出版社  1995.10

2、韩捷  张瑞标《旋转机械故障机理及诊断技术》  机械工业出版社  1997.8

3、董雅罗等《发电设备状态检修》  中国电力出版社  2000.2

4、《机器状态监测和诊断国际标准》 全国机械振动与冲击标准化技术委员会（文件译2000年）。

5、EPRI：Predictive Maintenance Primer, Report: 9104

6、EPRI：Predictive Maintenance June 20. 1996(EPRI search)

7、EPRI：Monitoring and Diagnostic- Reports June 28.1996[EPRI Home Search]