基于特征通流面积法的汽轮机故障诊断研究.ppt

,基于特征通流面积法的汽轮机故障诊断研究 尹金亮，陈长利， 高文松，潘富亭，王晓峰，邓德兵 2015年7月,2020/9/11,结垢、磨损、汽封漏汽等是汽轮机通流部分最常见的故障，这些故障发生时总是会引起一些热力参数的变化，因而可以通过监视热力参数的变化，利用热力参数变化与通流部分故障之间的关系，进行汽轮机通流部分的故障诊断。 汽轮机级组的特征通流面积在通流部分尺寸不发生变化时数值保持不变，可以作为机组通流能力及通流部分故障诊断的准则参数，为机组通流部分的状态监测与故障精确诊断提供依据。 通过汽轮机通流能力（VWO）试验和计算，比较特征通流面积的设计工况理论值、性能考核工况试验值和机组运行工况实际值，并且综合考虑相对内效率和特征通流面积两个特征值，进行机组实际运行状态判断，将其进行分析对比，就可得出解决问题。 通过实际火电机组案例验证了特征通流面积理论的正确性，计算结果满足工程计算精度和大型机组故障诊断具有强烈时间性和准确性的要求，对于汽轮机通流能力的表征及汽轮机运行时的安全即时监视有重要的意义。,摘要,2020/9/11,汽轮机的热力性能有两大重要指标:效率和通流能力，效率要求越高越好；而通流能力则要求最佳匹配。 汽轮机特征通流面积具有两个重要特点:只要相应级段的几何参数不变，特征通流面积在不同工况下保持常数，且有较高的精确度；反之，如果特征通流面积改变，原因一定来自级段几何参数的变化，采用特征通流面积可对汽轮机通流部分进行性能分析，建立机组的精确热力性能档案和实现精确的变工况计算，还可将其用于汽轮机的运行监测与诊断等。 我下面分别五个部分分别介绍我们的研究工作。,摘要,0 概述 1.大型汽轮机通流部分典型故障介绍 2.特征通流面积法在常规汽轮机故障诊断研究 3.特征通流面积法在运行监测与诊断中的应用研究 4.特征通流面积在某135MW汽轮机故障诊断中应用 5.特征通流面积在某600MW汽轮机故障诊断中应用 6.初步的结论,目 录,2020/9/11,2020/9/11,大型汽轮机组通流部分的故障诊断研究，我国从上个世纪80年代末就开始了。结垢、磨损、汽封漏汽是汽轮机通流部分最常见的故障，这些故障发生时总是会引起一些热力参数的变化，因而可以通过监视热力参数的变化，利用热力参数变化与通流部分故障之间的关系，进行汽轮机通流部分的故障诊断。 上海交通大学的忻建华、叶春等人1997年对电站汽轮机通流部分故障特征规律进行了研究，提出了热力参数故障诊断，并分析了热力参数诊断的方法，给出了高压缸通流部分的部分故障与热力参数的对应关系。,0.概述,0.概述,2020/9/11,华北电力大学杨勇平教授在1999 年提出过一个“当量通流面积”的概念，可以通过监测某级组的“当量通流面积”的变化，诊断出其通流面积的改变。 利用“当量通流面积”进行汽轮机通流部分的故障诊断时，可以直接得出到底通流面积是增加(磨损)还是减少(结垢)。并通过一个实例计算了“当量通流面积”的值。 清华大学的江宁博士2004年提出了通流能力的概念和公式。 中国广东核电集团有限公司的徐大懋院士，结合多年的实践经验，2010年在弗留格尔公式的基础上提出了“特征通流面积”的概念，并提出了如何利用“特征通流面积”的概念去检测和诊断汽轮机故障的设想。,0.概述,2020/9/11,特征通流面积理论是在弗留格尔公式的基础上推导而来的，它的提出能很好的解决相对内效率、火用效率等单独作为热力判据在诊断方面存在的弊端，基于特征通流面积的汽轮机通流部分故障诊断方法的提出，经过徐大懋、邓德兵团队的研究和工程应用，主要表现在汽轮机机组的运行性能分析、建立机组热力性能数据库、机组运行监测与诊断，在核电行业得到广泛的应用，徐院士在核电汽轮机组的热力性能试验中进行了验证，在机组性能偏离分析方面取得了良好效果。但在火电机组方面还没有验证。,0.概述,2020/9/11,大型机组的通流故障诊断具有强烈的时间性和准确性要求，但是目前在火电机组方面还没有一个经过验证的可以应用到工程实际的特征值作为机组故障的判据。 我们在徐院士研究的基础上，验证了“特征通流面积”的概念应用于火电机组的精度，并通过进行汽轮机通流能力试验、机组的精确热力性能档案（性能试验），综合考虑相对内效率和特征通流面积两个特征值，进行机组实际运行状态判断，并应用于实际火电机组。对于汽轮机通流能力的表征及汽轮机运行时的安全即时监视具有重要的意义。,1.核电厂特征面积法计算及应用,2020/9/11,目前国内核电厂汽轮机热力性能试验多采用ASME PTC-6简化规程试验方法，但存在以下技术难题：蒸汽湿度无法测量或抽汽焓值不能精确确定；机组实际热平衡计算有困难；汽轮机通流能力特性不能量化，无法获得汽轮机实际特性。针对上述技术难题提出解决方案，必须另辟蹊径寻找汽轮机通流的其他特征量。ASME PTC6标准中用以下式来描述过热蒸汽区通流级段在变工况时的恒定特性： 以式（2）来描述湿蒸汽区通流级段变工况时的特性：,1.核电厂特征面积法计算及应用,2020/9/11,清华大学的江宁博士提出了通流能力的概念，从弗留格尔公式出发推导出下式，作为通流能力的特征表达式： 文献基于大量的核电汽轮机设计数据，对弗留格尔公式在变工况时的稳定性进行了验证.事实证明，其稳定性非常有限，尤其是高压级段和低压高湿度区，且负荷越低、变化越大，不能满足工程要求，为此，尝试将弗留格尔公式中的T0以p0和v0替换，得到式,1.核电厂特征面积法计算及应用,2020/9/11,然后，代入大量的设计数据进行验算.计算结果表明，上式在级段变工况时稳定性良好。该概念称为特征通流面积（简称CFA），将其作为通流级段性能的表征并用于运行监测与诊断。 通过国内多家核电站汽轮机性能试验进行验证表明，该方法计算结果精确、可靠。 本研究成果对国内外汽轮机性能试验及计算方法的原有理论进行了发展，为汽轮机运行阶段的性能监测和故障诊断奠定了基础。 本研究成果不仅适用于核电厂汽轮机组热力性能试验，也可推广至火电机组。,2.特征面积法在常规汽轮机故障诊断研究,2020/9/11,2.1 相对内效率法在汽轮机故障诊断中的不足 常规火电厂汽轮机性能验收试验通常采用ASME PTC-6 规程全范围试验方法。汽轮机进汽参数为过热蒸汽，通过测量蒸汽压力、温度、主凝结水流量等大量参数，可准确地获得汽轮机的热力性能数据，以进行准确的实际热平衡计算，但汽轮机通流能力还是无法进行量化计算。 目前，文献6中指出机组运行过程中，现场工作人员主要通过在同一主蒸汽流量下，通过判断监视段压力变化是否超过10%来判断通流部分结垢情况，该方法的特点是方便直观；缺点是仅从监视段压力这一个状态参数去判断结垢是不全面的。,2.特征面积法在常规汽轮机故障诊断研究,2020/9/11,2.1 相对内效率法在汽轮机故障诊断中的不足 文献7中通流部分故障诊断确定法的相对内效率法虽然有计算简单监测容易等优点，但不能诊断出故障的种类及本质；文献2中当量通流面积法却可以实现这一功能，但同时又具有计算复杂等不足之处； 汽轮机通流部分腐蚀、积垢、磨损，是汽轮机最常见的故障，并且这些故障的发生总是伴随着一些热力参数的变化。 从故障诊断的角度，可以将汽轮机通流部分的参数分成两大类：一类是可以测量的热力参数，称为征兆参数，如各处的蒸汽压力、蒸汽温度、蒸汽流量等；另一类是不可测量的，代表着部件的某一类特性，称为特征参数，如汽轮机各级（级组）有效通流面积、级（级组）的效率、功率等。,2.特征面积法在常规汽轮机故障诊断研究,2020/9/11,2.1 相对内效率法在汽轮机故障诊断中的不足 特征参数值可由征兆参数计算得到。一般说来，参数的异常代表了故障的现象，而特征参数的异常代表了故障的本质。对事物的分析应该透过现象抓住本质，所以，特征参数应该作为故障诊断的重要依据8。 火电汽轮机的相对内效率是汽轮机的一个重要技术指标，通过对它的监测及时了解通流部分的工作情况，内效率反映汽轮机通流部分的完善程度，将实际内效率与设计内效率相比较，反映汽轮机通流部分的完善程度8，从而确定设备偏离最佳运行工况的程度及由此造成的经济损失，为运行参数的调整和设备的维护提供定量的依据。 实践表明，汽轮机内效率受汽缸进、排汽温度影响较为突出，难以准确测量，且一般会随工况变化而改变，另外，内效率变化只是通流性能改变的一种表象，不是根本原因，不能作为诊断准则。,2.特征面积法在常规汽轮机故障诊断研究,2020/9/11,2.1 相对内效率法在汽轮机故障诊断中的不足 此外，实测部分阶段效率常常超出合理范围（特别是故障时），分析认为，通流级段出口抽汽量一般占级段通流量的58，当汽缸中分面、汽封、隔板持环漏汽时，进入抽汽口的蒸汽以漏汽为主，这样测得蒸汽温度将高于级段排汽温度，导致本级段的效率偏低，下一级段的效率偏高。因此，内效率未必能够真实反映级段的通流性能状况。 2.2 常规火电汽轮机通流特征面积提取方法 汽轮机厂家提供不同工况热平衡图的热力性能数据为设计值，电厂多数机组的运行参数和设计值的差别可达2%以上，根据可靠的运行数据而建立的热力性能数据称为精确热力性能档案，是进行性能分析、变工况计算、运行监测和诊断的基础9。获得精确特征通流面积和简易特征通流面积计算及应用的方法如下： 2.2.1 建立汽轮机的精确特征通流面积档案 通常制造厂提供给电厂的热力性能数据是设计值，根据可靠的运行数据而建立的热力性能数据称精确热力性能档案，它是进行性能分析、变工况计算及运行监测和诊断的基础，下面是获得机组精确热力性能档案的程序：,2.特征面积法在常规汽轮机故障诊断研究,2020/9/11,2.2.1 建立汽轮机的精确特征通流面积档案 计算设计工况下的特征通流面积。 性能考核试验前，根据设计数据计算各级段的特征通流面积。 计算实际运行特征通流面积，检查测量系统。 根据考核试验前的机组运行数据计算试验工况特征通流面积（因为流量尚未精确测量和计算，不能计算特征通流面积），并与设计值进行对比，目的是核查各级段测量系统是否正常，如有问题，及时处理。 热平衡与功率平衡。(质量平衡与能量平衡) 根据性能试验预测量数据，计算考核工况热平衡,求出各段抽汽量和通流部分流量，计算F和电功率。如电功率的计算值和表上的读数有差异，首先应检查测量系统，尤其是流量测量系统。如确认测量无误，而功率仍有差别，则平均修正各级段及各缸效率7,8，直至功率偏差和给水流量偏差均在允许范围内为止。本节的核心是调整效率，达到功率平衡和流量平衡。如果是在过热区，效率的测量值应作为调整效率的重要参考；,2.特征面积法在常规汽轮机故障诊断研究,2020/9/11,2.2.1 建立汽轮机的精确特征通流面积档案 建立机组精确性能档案.按正式性能试验数据，重复上述工作，最后,完成精确性能档案，包括热平衡、功率平衡及按精确数据计算的各段特征通流面积值。 通过机组运行工况的实际值与设计工况理论值、性能考核工况的试验值进行分析对比，通常就可得出解决问题的办法或结论。 2.2.2 简易特征通流面积计算及应用 通过计算汽轮机组各段抽汽参数，可以得到特征通流面积，与设计工况下的通流面积进行比较，可以确定汽轮机通流部分的运行状态，并判断通流通面积的变化是否在正常范围内，若超出正常范围，则可以认为出现或者将要出现故障，此时可设置系统报警，然后再进一步分析，给出具体的故障信息，包括故障的位置和故障的程度等，具体流程如图1所示。,2.特征面积法在常规汽轮机故障诊断研究,2020/9/11,2.2.2 特征通流面积计算及应用 可通过该级组的蒸汽参数求得特征通流面积，不需要确定通流部分几何尺寸。由于计算过程中需要用到压差、焓值、比容等水蒸汽热力特性参数，在求取该参数的过程中存在误差，从而导致抽汽系数、主蒸汽量、比容计算值产生一定的误差。 常规火电汽轮机供货商考虑到设备的老化、设计与制造误差，一般会预留一定的通流面积裕量(通常为3%-5%)7，汽轮机各级段的实际通流面积和设计通流面积存在一定偏差。为此，在机组投产时进行全面热力试验，计算出汽轮机各级段的特征通流面积，为机组日后运行的性能监测与诊断提供各级段通流面积的基准值。 2.3 特征通流面积法在汽轮机的运行监测与诊断中分析研究 既然特征通流面积（以下简称CFA）在任何工况下均可保持常数，因此完全可用于运行监测与诊断。在运行期间影响级段效率的因素均可影响到CFA：如叶片型面的积垢、冲蚀或机械损伤，异物阻塞隔板喷嘴，隔板汽封和叶顶汽封的磨损，汽缸中分面或隔板持环的漏汽以及级段后阀门非正常开度等。,2.特征面积法在常规汽轮机故障诊断研究,2020/9/11,2.2.2 特征通流面积计算及应用 可通过该级组的蒸汽参数求得特征通流面积，不需要确定通流部分几何尺寸。由于计算过程中需要用到压差、焓值、比容等水蒸汽热力特性参数，在求取该参数的过程中存在误差，从而导致抽汽系数、主蒸汽量、比容计算值产生一定的误差。 常规火电汽轮机供货商考虑到设备的老化、设计与制造误差，一般会预留一定的通流面积裕量(通常为3%-5%)7，汽轮机各级段的实际通流面积和设计通流面积存在一定偏差。为此，在机组投产时进行全面热力试验，计算出汽轮机各级段的特征通流面积，为机组日后运行的性能监测与诊断提供各级段通流面积的基准值。 2.3 特征通流面积法在汽轮机的运行监测与诊断中分析研究 既然特征通流面积（以下简称CFA）在任何工况下均可保持常数，因此完全可用于运行监测与诊断。在运行期间影响级段效率的因素均可影响到CFA：如叶片型面的积垢、冲蚀或机械损伤，异物阻塞隔板喷嘴，隔板汽封和叶顶汽封的磨损，汽缸中分面或隔板持环的漏汽以及级段后阀门非正常开度等。,2.特征面积法在常规汽轮机故障诊断研究,2020/9/11,2.3 特征通流面积法在汽轮机的运行监测与诊断中分析研究 若某级段的CFA出现超限变化，问题即产生在该级段，可根据相关数据进行分析，提出可能的解决方案，如故障在过热蒸汽区，则可用级段效率作为辅助参数进行诊断。某些机械故障也能导致CFA出现偏差：例如大机组断落一只短叶片对轴系振动影响微软，有时甚至大修时才能发现，以致造成较大损失；如采用CFA进行诊断，叶片断落后通流面积增大，CFA即发生改变4。应用CFA进行监测与诊断具有2个显著特点：诊断参数明确；诊断结果精确。 2.3.1 某125MW汽轮机出力不足及热耗高故障诊断验证计算10 江苏协联热电集团有限公司5号汽轮机及6号机汽轮机均由上海汽轮机有限公司制造，分别于2004年12月及2005年7月投产运行，投产后5号机热耗一直高于6号机150g/KWH左右。为此，几年来该公司组织大量人力、物力、财力对5号机组进行全面分析和检查，机组投产以来共进行了4次开缸检查。于2011年5月终于找出真正原因，最终判定为调节级喷嘴供货时出错。,2.特征面积法在常规汽轮机故障诊断研究,2020/9/11,2.3.1 某125MW汽轮机出力不足及热耗高故障诊断验证计算10 由于喷嘴组的制造周期需要一年，通过和制造厂家的沟通和商量，兼顾电厂的实际情况，经过制造厂家设计人员的计算和强度核对，提供了喷嘴临时处理方案。将喷嘴拆下返厂，由制造厂对喷嘴的宽度进行电脉冲扩大，将喷嘴尺寸改为157.6mm，以增大通流面积，制造厂加工标准新喷嘴后更换。 通过特征面积法计算验证进行验证，因为供货原因调节级喷嘴尺寸由176.7mm变化为156.7mm，实际喷嘴面积减少1447.2 mm2，特征面积法计算减少1993.11 mm2，尺寸改为157.6mm喷嘴面积恢复，特征面积法计算减少357.29 mm2，可能为电脉冲扩大以增大通流面积，制造厂加工精度问题。 2.3.2 国投钦州600MW汽轮机通流结垢11 大修揭缸后，发现调速级和第一级为叶片黑灰色，从第二级至第七级颜色灰转逐渐为褐色，积垢量也随之逐级增加，垢的厚度0.10.2mm，局部最有0.3mm，叶片背面垢量比正面多。 中压缸叶片从第1级至第5级黑灰色至灰色；叶片的背面从第二级起积有少量的垢，垢量逐级增加，最后一级垢的厚度约0.020.1mm ，局部有0.2mm。,国投钦州电厂汽轮机叶片结垢情况,2020/9/11,国投钦州电厂汽轮机叶片结垢情况,2020/9/11,图5 中压缸叶片,图6 中压缸第5级叶片背面,3.特征面积法在常规汽轮机故障诊断研究,2020/9/11,2.3.2 国投钦州600MW汽轮机通流结垢 （1）HPTFS2和IPTFS2大修前结垢非常突出； （2）调节级通流面积裕量过大，超设计约9%； （3）调节级没结垢，大修前后通流面积也无明显差异。,2.3.1 某125MW汽轮机出力不足及热耗高故障诊断验证计算10,3.CFA在某135MW汽轮机故障诊断中应用,2020/9/11,山西某发电有限责任公司（以下简称A电厂）#2汽轮机为南京汽轮机厂生产的NZK135-13.24/535/535型超高压、一次中间再热、单轴、双缸双排汽型，共有7段非调整抽汽、直接空冷凝汽式汽轮机。 3.1设计的特征通流面积的计算和大修前后测量情况 额定负荷工况下，将大修后的内效率与大修前进行比较得出：高压缸内效率下降0.78个百分点，中压缸内效率提高0.98个百分点，低压缸内效率降低2.76个百分点。 以汽缸进、排汽口和抽汽口为边界，将汽轮机通流分为8个通流级段：高压缸（HPT）2个、中压缸（IPT）3个和低压缸（LPT）3个，共六个工作在过热蒸汽区的级段。 通过试验计算，求得各级段内效率，如表2所示。 将设计工况和试验工况下的特征通流面积值进行对比，以此分析汽轮机通流能力。试验工况和设计工况汽轮机特征通流面积如下表2所示。各级段的特征通流面积试验值与设计值的偏差如图2所示，各级段的压比的偏差如图3所示。,3.特征面积法在常规汽轮机故障诊断研究,2020/9/11,3.特征通流面积在某135MW汽轮机故障诊断中应用 表1. 各级段通流效率,3. CFA法在某135MW汽轮机故障诊断中应用,2020/9/11,表2. 级段特征通流面积与压比（修前）,4. CFA法在某135MW汽轮机故障诊断中应用,2020/9/11,级段特征通流面积与设计值偏差情况（修前）,4. CFA法在某135MW汽轮机故障诊断中应用,2020/9/11,各级段压比试验值与设计值的偏差（修前）,4. CFA法在某135MW汽轮机故障诊断中应用,2020/9/11,4.2 利用特征通流面积法分析汽轮机故障 由以上表和图的数据对比分析可知，高压缸和中压缸各特征通流面积的试验值均高于设计值，偏差最大的为中压缸第一级，偏大8.13%，超出了设计与制造误差5%的裕量范围。中压缸第二级亦偏大6.09%，高压缸第一级偏大5.09%，偏差亦较大。通流面积较大，引起各段抽汽压力比设计值偏高，这从上表中的高压缸第二段抽汽压力和中压缸各段抽汽压力可以明显看出。 100%负荷工况下三段抽汽压力为0.902，除氧器进汽压力为0.744Mpa，超过了辅助设备技术规范中的最高工作压力0.6943Mpa的要求，因此运行中须将除氧器进汽门关小。电动门关小之后，不但增加节流损失，降低运行经济性，而且如果机组长期高负荷运行，也存在相应的安全隐患。,4. CFA法在某135MW汽轮机故障诊断中应用,2020/9/11,4.2 利用特征通流面积法分析汽轮机故障 此外，压比通常也可简单的用来判断机组通流状况。对比分析表1和图2中压比数据，高压缸各级段压比均较设计值偏大，第二级偏大了5.21%。这与特征通流面积的变化规律较为类似，说明机组实际通流能力是比设计值要偏大的。将大修前后试验获得的特征通流面积值进行对照，可定量判断大修后通流面积的变化和汽封间隙调整效果，对比分析如表3、图4。,4. CFA法在某135MW汽轮机故障诊断中应用,2020/9/11,表3. 大修前后汽轮机级段特征通流面积变化,4. CFA法在某135MW汽轮机故障诊断中应用,2020/9/11,图4. 大修前后3VWO工况特征通流面积变化对比,4. CFA法在某135MW汽轮机故障诊断中应用,2020/9/11,由表和图的数据对比分析可知，高缸调节级、第一压力级和第二压力级特征通流面积的试验值分别减少了10.56%、15.56%和13.12%；中压缸第一压力级和第二压力级特征通流面积的试验值分别减少了12.48%和6.31%，均超出了安装误差5%的裕量范围。 由于大修前调节级温度测点异常，故无法进行高压缸内调节级及压力级效率对比，但通过大修后试验值与设计值的比较，可推断出高压缸内效率偏低为调节级效率偏低所致。可以判断汽轮机高中缸通流部分存在异常，根据运行时间和蒸汽品质可以排除结垢的可能，汽轮机通流部分动静叶片存在变形使通流面积减少的可能性，可能存在调节级和第一压力级通流异常，可能存在汽轮机静叶和动叶变形，问题建议停机揭缸检查。检查发现调节级动叶出汽边均存在卷边现象，相当一部分卷边超过90度。,4. CFA法在某135MW汽轮机故障诊断中应用,2020/9/11,图4. 大修前后3VWO工况特征通流面积变化对比,5 初步 结 论,2020/9/11,国内外目前对汽轮机的通流能力的研究较多，但没有形成公认的理论、试验方法来进行分析汽轮机的通流能力。要对汽轮机通流部分的运行状况进行判断，就必须有一些特征量，即热力判据。基于特征通流面积的汽轮机通流部分故障诊断方法的提出，是将特征通流面积理论应用到实践的一种探索和尝试。通过对该机组检修前的热力数据的计算并与热力档案进行对比分析，对各级组特征通流面积与热力档案值产生偏差的原因进行了分析，通过后期检修验证了特征通流面积理论的正确性。计算结果满足工程计算精度和大型机组的故障诊断具有强烈的时间性和准确性要求，对于汽轮机通流能力的表征及汽轮机运行时的安全即时监视有重要的意义。 参考文献 1 忻建华,叶春.300MW汽轮机高压缸通流部分故障的热参数模糊诊断J.动力工程,1997, 17(3):5-8. 2 杨勇平,杨昆.汽轮机通流部分故障诊断的热力判断研究J.热能动力工程,1999，14(5):347-349. 3 江宁，李政.核电汽轮机通流部分性能监测与故障诊断J.核动力工程,2004, 25(1):4-7. 4 徐大懋,邓德兵,王世勇,陈伟.汽轮机的特征通流面积及弗留格尔公式改进J.动力工程学报,2010,30(7):473-477. 5 ASME PTC6. 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