汽轮机防进水在线监测与故障智能预警系统

华电湖北襄阳发电有限公司 北京必可测科技股份有限公司 王平波 张海 吴幼文 王波 刘磊

1 前言

汽轮机作为火电厂运营关键设备之一，长期工作在高温、高压蒸汽环境中，是高转速重型设备。一旦发生汽轮机进水或冷汽，由于高温金属部件遇冷急剧收缩，导致热变形，引起转子弯曲、动静间隙消失等，将造成机组强烈振动、跳机甚至严重的设备损坏。

结合国内外《DL/T834-2003火力发电厂汽轮机防进水和冷蒸汽导则》、《火力发电厂汽轮机防进水和冷蒸汽措施》、《ASMETDP-1-2006发电用蒸汽轮机防水损坏的推荐实施规程（美国标准）》和汽轮发电机组振动故障诊断规则，深入分析汽轮机进水的原因，以及汽轮机进水后产生的振动特征，开发出一套能够识别进水或冷汽特征故障智能预警系统，进而提供处置建议和方法，对于汽轮机组乃至电网的安全稳定运行具有重要的意义和价值。

2 火电厂汽轮机防进水DCS保护设计

汽轮机运行规程对预防进水事故有较为严格的规定，例如，当主、再热蒸汽温度10分钟内急剧下降达50℃以上时，应立即停机；主机ETS中规定主汽阀入口汽温低跳机（按蒸汽过热度函数曲线图，调节压力压力三取中，调节压力压力大于1兆帕保护才有效）

1 5 13 16 18 20.5 455 465 523 542 542 540 440 450 510 530 530 520

某超超临界机组，主汽压23兆帕，主汽温下降60℃/10分钟；再热汽压3.7兆帕，再热汽温下降20℃/10分钟。按照规定，主汽温下降速率已经超过规定值，应采取打闸停机措施。参照DL/T834-2003《火力发电厂汽轮机防进水和冷蒸汽导则》5.7.1规定（在额定转速或者带负荷运行时，汽轮机发生进水，主要控制指标振动、差胀、推力、推力瓦温度突然超过制造厂规定的允许限值时，应立即停机，迅速找出并切断水源）。

现场遇到这样的工况，参照导则规定，还需要综合整机工况，结合汽轮机振动、汽轮机上下缸温差、推力瓦温、水煤比、中间点温度等参数综合判断，并不能直接打闸，必须根据实际情况采取合理措施。但由于事故现场运行人员的主观因素，很难深刻掌握“10分钟”和“50℃”这些技术指标，同时要在短时间内查阅和综合分析大量的关联参数，及时得出汽轮机进水结论也比较困难。

3 早期大型汽轮机组防进水保护监测诊断系统

大型汽轮机组防进水保护监测诊断系统的研制，包括：专家系统设计和硬件设计，其中专家系统的设计：根据用户提供的数据、信息，运用诊断系统中存储的专家经验或知识进行推理判断，最后得出汽轮机是否进水的结论供电厂运行人员决策之用。

该系统功能构成由以下几部分组成：知识库、推理机、综合数据库、解释接口和知识获取模块。图2为汽轮机防进水在线监测诊断专家系统的功能结构图。

图1 主蒸汽系统正常或启停运行工况防进水诊断逻辑图

知识库是专家系统的核心之一，主要功能是存储和管理汽轮机进水后应指导运行人员紧急处理的知识，它包括存在的事实、判断条件、遵守的规则、经验以及数学模型。

推理机是一组计算机程序，主要起到在知识之间进行逻辑推理及知识库匹配，并决定控制过程策略的作用。

综合数据库是专家系统中用于存放反映系统当前汽轮机状态的实时数据。

知识获取模块是将专家系统汽轮机运行应遵守的运行规则和专家所掌握的特有经验性知识转化为计算机可以利用的形式并送入知识库功能模块。

硬件设计：采用“工控机+测量前端”的形式。信号处理、逻辑运算、画面显示等功能由工控机实现，而温度、压力、功率、转速等信号的采集由测量前端实现。图3为系统硬件结构示意图。

现有技术的缺点：

用于汽轮机进水判断逻辑仅考虑温度单参数变化，诊断规则缺乏合理且符合现场设备实际情况的全面性考虑，容易发生误诊断；

温度、压力、功率、转速等信号的采集需要通过新增硬件设备才能实现，实施环节繁琐。

4 汽轮机防进水在线监测与故障智能预警系统

与汽轮机相关的蒸汽系统主要有锅炉及主蒸汽系统、再热蒸汽系统、轴封系统、凝汽器真空系统及回热抽汽系统，任一系统进水或冷蒸汽皆有可能造成汽轮机进水。由于涉及制造、安装、检修和运行等诸多环节，设备和热力系统出现故障，造成汽轮机进水故障风险依旧存在。

图2 汽轮机防进水保护监测诊断系统功能结构图

图3 汽轮机防进水保护在线监测诊断系统硬件结构示意图

4.1 汽轮机进水通常有以下现象

高中压缸上、下缸温差明显增大，或增大趋势加快。正常情况下，高中压缸上、下缸温差都应该在42℃之内，同时差值的变化速率一般会小于5℃/分钟，因此在运行人员监盘时要时刻注意这两个限制，如果超出就应该考虑是汽轮机进水了。

主、再热蒸汽温度突降，过热度减小。主汽温度和再热蒸汽温度过热度都要大于50℃，同时主蒸汽温度下降速率应该小于5℃/分钟，同时还要注意，机侧主蒸汽温度不得低于炉侧10℃等。

汽轮机振动增大。当汽轮机进水时，因处于运行中的汽轮机金属温度很高，这些金属部件遇冷后发生剧烈收缩，从而导致热变形，导致转子热弯曲甚至动静部件碰磨故障，引起机组强烈振动。

前两个现象主要体现在汽轮机本体相关系统温度参数变化特征，在火电厂汽轮机防进水DCS保护设计和早期汽轮机防进水在线系统中均已设计，对于第三条中碰磨故障判断，需要专业的振动数据（包括幅值、相位、频率，相关波形、趋势信息）分析才能准确诊断。

图4 基本结构图

汽轮机防进水在线监测与故障智能预警系统，基于必可测公司《BCT101汽轮发电机组轴系可视化智能运行实时监控系统》的专利技术基础上进行的技术创新，该系统分析汽轮机进水/冷汽各类型故障主要因素，逐一提取各个因素、各个环节参数、初期特征，初期发生的判据，当判据充分时则发出报警，提示运行人员按照所提供的建议进行故障处理。该系统的结构框架如图4所示。

通过SIS系统实时数据库与B/S版BCT101系统数据库数据通讯对接，将对象层的汽轮机各类运行参数和振动数据，引入到参数分析系统，转换为计算机语言，通过特征分离提取系统进行不同位置和不同性质的故障特征分，将典型故障特征在故障评判系统中进行判断，若符合故障发生条件，则输出信号通知运行人员，同时根据各类型的故障特征给出处置建议。

4.2 故障特征分析模块

该模块是对汽轮机组进水或冷汽实现预警的基础，是研究的核心目标。本模块将根据汽轮机侧不同设备、不同位置处热电偶测点各时刻的温度变化率和对应转轴振动变化特征作为输入，通过数学计算和变换形成故障特征，并对比专家系统数据进行评判，做定性和定量分析。

4.3 故障处置建议模块

基于故障诊断结果，结合汽轮机组运行状态和进水、冷汽的原因进行分析，提出具有针对性的故障处置建议。

4.4 用户输出端口

人机友好界面的开发。

图5 汽轮机防进水在线监测与故障智能预警系统逻辑图1

图6 汽轮机防进水在线监测与故障智能预警系统逻辑图2

4.5 逻辑控制

汽轮机进水故障多发生在机组启停、负荷大幅度变化这些非稳定工况下，根据汽轮机进水/冷汽特征量进行逻辑组态，以最先能反映特征量的作为预警先导。以主蒸汽带水诊断逻辑和一段抽汽管道积水为例，逻辑图如图5、图6所示。

绿色表示汽轮发电机组工艺量参数，数据来源电厂SIS系统。

紫色表示汽轮发电机组振动量参数，数据来源于必可测公司BCT101系统。

棕色表示计算量，在计算引擎模块配置计算公式，实时计算工艺量和振动量变化速率。

参照以上逻辑组态，其一考虑汽轮机相关系统，包括锅炉及主蒸汽系统、再热蒸汽系统、轴封系统、凝汽器真空系统及回热抽汽系统。根据各个系统特点，配置所需的工艺量、振动量、计算量和进水或冷汽故障预警诊断规则；其二考虑在不同的工况下（汽轮机升降速阶段或汽轮机在额定转速或者带负荷阶段），同一系统、相同的工艺量和振动量变化特征，应采取不同的处置措施。

结合上述两方面因素，灵活配置不同系统多种工况下的预警诊断逻辑规则，若某一部位的特征量达到限制，则以时间为基准优先给出进水或冷汽部位，并根据预警系统提供的故障处置数据库给出具有针对性的建议。

该系统输出在B/S版BCT101系统界面展示，提醒运行人员，并在屏幕上形象的显示出进水部位和目前危害程度，保证工作人员能有足够的时间予以控制。

5 小结

汽轮机进水事故，轻则发生动静碰磨，振动恶化；重则造成汽轮机转子永久弯曲，设备报废，及时智能预警汽轮机进水故障，可有效降低机组非停次数，预防恶性事故发生，提高设备可靠度，延长设备寿命，为电厂和社会带来巨大的经济效益。

[1]国电热工研究院，DL/T834-2003火力发电厂汽轮机防进水和冷蒸汽导则[S]北京：中国电力出版社.

[2]张建玲，刘武林，黄丕维.大型汽轮机组防进水保护监测诊断系统的研制[J].自动化博览.

[3]欧阳宏.300MW汽轮机组防进水在线监测及诊断系统的研制[D].武汉大学.

[4]卫国涛，郭玉杰，谭士森.大型汽轮机进水事故的调查分析[J].河南电力.