火電廠主要設(shè)備故障診療現(xiàn)實(shí)狀況及發(fā)展研究

摘要：介紹了火電廠主要設(shè)備經(jīng)典故障以及采取故障診療方法，闡述了現(xiàn)有故障診療系統(tǒng)和火電廠設(shè)備故障診療中存在問題，并指出了故障診療系統(tǒng)發(fā)展趨勢，提出了研究方向。

大型火電廠主要設(shè)備包含鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)等，完成從熱能到機(jī)械能再到電能轉(zhuǎn)換過程。設(shè)備與設(shè)備之間耦合性、系統(tǒng)復(fù)雜性，以及設(shè)備在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)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生產(chǎn)場所，這些故障都將造成重大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)后果。所以，經(jīng)過先進(jìn)技術(shù)伎倆，對(duì)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和分析，來判斷設(shè)備是否存在異?；蚬收稀⒐收喜课缓驮?、故障劣化趨勢，以確定合理檢修時(shí)機(jī)很有必要。

一、火電廠主要設(shè)備經(jīng)典故障及其診療方法

1.鍋爐主要故障及診療方法

(1)主要故障

①過熱器泄漏。過熱器泄漏爆管區(qū)集中在高溫過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)過熱，此處也有選材裕度不足及焊接質(zhì)量問題。

②省煤器泄漏。主要原因是飛灰磨損造成管壁減薄，尤其是在穿墻管、爐墻漏風(fēng)和彎頭處為常見。

③水冷壁泄漏。主要原因是局部過熱和腐蝕，局部過熱是水循環(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，灰粒粒度較大，含塵濃度大，排煙溫度低于露點(diǎn)溫度等。

(2)診療方法

在鍋爐故障診療中，物理診療方法有：紅外測溫技術(shù)，詳細(xì)應(yīng)用范圍有鍋爐火焰和燃燒狀態(tài)進(jìn)行分辨與控制、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)行診療與評(píng)價(jià)、鍋爐熱污染控制等；超聲波診療方法，它可用來監(jiān)視爐膛上部區(qū)域煙氣溫度，決定何時(shí)進(jìn)行吹灰操作，保持鍋爐良好運(yùn)行性能，監(jiān)視爐膛各個(gè)燃燒器區(qū)域附近煙氣溫度，有利于識(shí)別和去除燃燒器故障造成燃燒工況異常，同時(shí)可對(duì)污染物生成有主要影響溫度優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)清潔燃燒；無損傷檢測技術(shù)是指對(duì)材料、部件進(jìn)行非破壞檢測，以期發(fā)覺表面和內(nèi)部缺點(diǎn)一項(xiàng)技術(shù)。數(shù)學(xué)診療方法有故障樹診療法、含糊診療方法等。在診療系統(tǒng)方面，主要有清華大學(xué)研究開發(fā)大型電站鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診療系統(tǒng)，華中科技大學(xué)研究開發(fā)循環(huán)流化床鍋爐在線監(jiān)測與狀態(tài)診療教授系統(tǒng)等。

2.汽輪機(jī)組主要故障及診療方法

(1)汽輪機(jī)主要故障

①不平衡。主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)子存在加工誤差和永久彎曲、葉片脫落、聯(lián)軸器漂偏、接長軸制造不良、受熱不均勻或材質(zhì)缺點(diǎn)而引發(fā)熱撓曲等造成。

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)整不妥，汽缸膨脹不暢，汽缸熱變形過大，機(jī)組振動(dòng)過大和軸向位移增大等。

④葉片脫落。主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，蒸汽參數(shù)波動(dòng)較大，機(jī)組在電網(wǎng)周波改變較大和低負(fù)荷下長久運(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)間過長等。

⑤蒸汽激振。主要原因是因?yàn)楦咧袎恨D(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速較低，而且高中壓轉(zhuǎn)子熱態(tài)下?lián)隙雀淖冚^大，軸承標(biāo)高改變較大，接長軸加工和安裝質(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)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)速過低，而且三軸楔瓦穩(wěn)定性差，在載荷減輕時(shí)，其失穩(wěn)轉(zhuǎn)速過低。

②定子線圈絕緣故障。主要是因?yàn)槟p、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，以及因?yàn)榻壴痪o、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定子線圈過熱。主要是因?yàn)橹圃旎虬惭b過程中一些缺點(diǎn)使匝間短路，造成局部過熱。

④轉(zhuǎn)子繞組故障。包含接地、匝間短路和斷線故障。接地和匝間短路障礙主要是因?yàn)榻^緣降低和損壞引發(fā)，接頭開焊和熱變形會(huì)引發(fā)斷線。

⑤冷卻水系統(tǒng)故障。主要是因?yàn)槔鋮s水泄漏、管道異物堵塞、誤動(dòng)作等使冷卻水流量降低和中止，以及因?yàn)椴牧虾桶惭b缺點(diǎn)引發(fā)定子漏水。

(3)診療方法

在汽輪機(jī)組故障診療中，振動(dòng)法是應(yīng)用最普遍也比較成熟一個(gè)方法。應(yīng)用熱力學(xué)分析診療汽輪機(jī)組性能故障也是一個(gè)主要伎倆，另外還有油液分析、聲發(fā)射法、無損檢測技術(shù)等。聲發(fā)射法主要用于動(dòng)靜碰磨故障檢測、泄漏檢測等。日立企業(yè)在350MW汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子上設(shè)置試片，在兩端軸承軸瓦處進(jìn)行聲發(fā)射和統(tǒng)計(jì)，診療轉(zhuǎn)子碰磨。在汽輪機(jī)組壽命診療中，無損檢測技術(shù)應(yīng)用相當(dāng)主要，現(xiàn)在用到非破壞性評(píng)價(jià)法主要包含硬度測定法、電氣抵抗法、超聲波法、組織對(duì)比法、結(jié)晶粒變形法、顯微鏡觀察測定法和X射線分析法等。

現(xiàn)今國內(nèi)外已經(jīng)研制開發(fā)出了幾十種用于汽輪機(jī)組故障診療系統(tǒng)。國外主要有美國Radial企業(yè)開發(fā)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)診療用教授系統(tǒng)，西屋企業(yè)汽輪發(fā)電機(jī)組故障診療系統(tǒng)，Bendy企業(yè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診療系統(tǒng)。國內(nèi)主要有上海大學(xué)研制熱力參數(shù)監(jiān)測和故障診療系統(tǒng)TPD，該系統(tǒng)能夠提升汽輪機(jī)組運(yùn)行可靠性，同時(shí)能夠優(yōu)化運(yùn)行方案、提升運(yùn)行效率、延長運(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)測與故障診療教授系統(tǒng)，可全方面監(jiān)測診療機(jī)械振動(dòng)故障、氣隙振動(dòng)故障、熱原因引發(fā)故障、機(jī)電耦合軸系扭振故障以及調(diào)整控制系統(tǒng)故障。

3.變壓器主要故障及診療方法

(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久過負(fù)荷，因?yàn)槎搪冯妱?dòng)力損傷匝間絕緣，繞組材料或工藝方面缺點(diǎn)，進(jìn)水受潮，大氣或操作過電壓攻擊。

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?。主要原因有主絕緣老化，絕緣油受潮，繞組內(nèi)有雜質(zhì)進(jìn)入，過電壓短路時(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)生整體或局部過熱以致絕緣損壞。

④繞組相間短路。主要原因與對(duì)地?fù)舸┫嗤部赡苁且€間或套管間短路，油面過低。

⑤鐵芯片局部短路或局部融毀。主要原因是鐵芯或扼鐵螺桿絕緣損壞，故障處有金屬片使鐵芯片短路，片間絕緣損壞嚴(yán)重，接地方法不正確組成電流環(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)裝配上存在缺點(diǎn)，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)整不妥。

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)，呼吸器配置不妥。

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，油位過低，冷卻效果差。

(2)診療方法

在變壓器故障診療中，慣用方法有振動(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)分析法以及紅外診療技術(shù)等。現(xiàn)在應(yīng)用較多主要是紅外診療技術(shù)。在診療系統(tǒng)方面，國內(nèi)外學(xué)者和研究單位在這方面進(jìn)行了大量工作，已經(jīng)研制出了具備故障檢測和初步診療功效教授系統(tǒng)，如河南電力試驗(yàn)研究所開發(fā)研究電力變壓器故障診療微機(jī)教授系統(tǒng)。另外，國內(nèi)有許多著名高校正在從事這方面研究，取得了巨大理論結(jié)果。

二、現(xiàn)在火電廠設(shè)備故障診療存在問題

現(xiàn)在即使有許多診療方法和診療系統(tǒng)應(yīng)用于火電廠設(shè)備故障診療，并取得了很好應(yīng)用效果，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也存在著不少問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.檢測伎倆

故障診療推理機(jī)制已經(jīng)達(dá)成很高水平，但征兆獲取成為了一個(gè)瓶頸，即最大問題是檢測伎倆不能滿足診療需要，不能真實(shí)地反應(yīng)故障特征。

2.復(fù)雜故障機(jī)理

對(duì)故障機(jī)理了解是準(zhǔn)確診療故障前提?，F(xiàn)在，對(duì)電廠一些設(shè)備復(fù)雜故障，極難從理論上給出解釋，對(duì)其機(jī)理了解并不深刻。

3.人工智能應(yīng)用

教授系統(tǒng)作為人工智能在電廠主要設(shè)備故障診療中應(yīng)用已取得成功，但仍有一些關(guān)鍵人工智能應(yīng)用問題需要處理，主要有知識(shí)表示與獲取、自學(xué)習(xí)、智能辨識(shí)、信息融合等。

4.診療方法單一性

當(dāng)前火電廠設(shè)備故障診療系統(tǒng)所用診療方法有含糊邏輯法、故障樹分析法、教授系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。不過單一診療方法往往難以達(dá)成期望診療效果。

5.故障定位

現(xiàn)在故障診療系統(tǒng)經(jīng)常只是進(jìn)行到故障類型識(shí)別這一部分，不能確定故障詳細(xì)位置，且對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測功效研究不夠。

三、火電廠設(shè)備故障診療發(fā)展

1.故障診療系統(tǒng)發(fā)展趨勢

(1)分層分布式結(jié)構(gòu)故障診療系統(tǒng)

火電機(jī)組各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功效是分布式和多層次，這種結(jié)構(gòu)上層次關(guān)系，要求其診療系統(tǒng)是分布式和多層次，由全局診療系統(tǒng)和子診療系統(tǒng)組成。全局診療系統(tǒng)負(fù)責(zé)診療任務(wù)管理，包含將總體任務(wù)分解成子任務(wù)和向各子診療系統(tǒng)分配任務(wù)，這些任務(wù)往往是相互耦合。診療子系統(tǒng)完成以后，經(jīng)過對(duì)各子診療系統(tǒng)結(jié)論綜合，給出最終止論。分布式故障診療教授系統(tǒng)具備推理效率高，診療速度快，系統(tǒng)可靠，適時(shí)性好特點(diǎn)。

(2)集成式故障診療系統(tǒng)

因?yàn)楫?dāng)前診療系統(tǒng)在推理方法上單一性，在求解復(fù)雜系統(tǒng)診療問題時(shí)受到很大限制。未來火電機(jī)組故障診療系統(tǒng)，將依照不一樣子系統(tǒng)特點(diǎn)采取不一樣推理模型，甚至采取幾個(gè)不一樣推理模型進(jìn)行混合推理，各種推進(jìn)模型優(yōu)勢將得到充分發(fā)揮，從而提升推理速度和準(zhǔn)確性。

(3)結(jié)構(gòu)大型監(jiān)測診療中心

在同一電網(wǎng)中，有許多同類型火電機(jī)組在同時(shí)運(yùn)行。結(jié)構(gòu)大型監(jiān)測診療中心所帶來好處是非常顯著：①便于集中保留機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和機(jī)組健康情況資料；②便于多臺(tái)機(jī)組之間、多個(gè)電廠之間共享已經(jīng)有知識(shí)，便于知識(shí)庫完善化；③有利于機(jī)組負(fù)荷調(diào)度。

(4）自主閉環(huán)診療系統(tǒng)

全自主、閉環(huán)故障診療系統(tǒng)能夠在人員不參加情況下完成連續(xù)故障診療，形成決議，再由診療系統(tǒng)發(fā)出對(duì)應(yīng)控制命令，對(duì)機(jī)組施加適當(dāng)控制。要實(shí)現(xiàn)自主閉環(huán)診療，必須要有成熟和先進(jìn)診療技術(shù)。診療系統(tǒng)知識(shí)庫必須完備，診療系統(tǒng)應(yīng)有學(xué)習(xí)機(jī)制，能診療不可預(yù)知故障。

(5)基于Internet遠(yuǎn)程故障診療系統(tǒng)

伴隨計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，使得基于Internet遠(yuǎn)程應(yīng)用系統(tǒng)成為可能。將故障診療系統(tǒng)與Internet相結(jié)合不但能夠獲取大量故障案例與診療經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)能夠共享診療資源，實(shí)現(xiàn)教授異地會(huì)診，提升故障診療水平。

參考文件

1阮躍，黃雅萍．大型電站狀態(tài)監(jiān)測與故障