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大型火電廠主要設(shè)備包括鍋爐、汽輪機和發(fā)電機等,完成從熱能到機械能再到電能的轉(zhuǎn)換過程。設(shè)備與設(shè)備之間的耦合性、系統(tǒng)的復雜性,以及設(shè)備在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的特殊工作環(huán)境下,決定了火電廠是一個高故障率和故障危害性很大的生產(chǎn)場所,這些故障都將造成重大的經(jīng)濟損失和社會后果。因此,通過先進的技術(shù)手段,對設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測和分析,來判斷設(shè)備是否存在異?;蚬收?、故障的部位和原因、故障的劣化趨勢,以確定合理檢修時機很有必要。
一、火電廠主要設(shè)備的典型故障及其診斷方法
1、鍋爐的主要故障及診斷方法
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,特別是在穿墻管、爐墻漏風和彎頭處為常見。
(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,灰粒的粒度較大,含塵濃度大,排煙溫度低于露點溫度等。
診斷方法
在鍋爐故障診斷中,物理診斷方法有:紅外測溫技術(shù),具體應(yīng)用范圍有鍋爐火焰和燃燒狀態(tài)進行辨別與控制、熱力設(shè)備疲勞損傷、熱力設(shè)備熱機械學特征規(guī)律、熱力系統(tǒng)漏熱及保溫進行診斷與評價、鍋爐熱污染控制等;超聲波診斷方法,它可用來監(jiān)視爐膛上部區(qū)域的煙氣溫度,決定何時進行吹灰操作,保持鍋爐良好的運行性能,監(jiān)視爐膛各個燃燒器區(qū)域附近煙氣溫度,有助于識別和清除燃燒器故障導致的燃燒工況異常,同時可對污染物生成有重要影響的溫度的優(yōu)化控制,實現(xiàn)清潔燃燒;無損傷檢測技術(shù)是指對材料、部件進行的非破壞檢測,以期發(fā)現(xiàn)表面和內(nèi)部缺陷的一項技術(shù)。數(shù)學診斷方法有故障樹診斷法、模糊診斷方法等。在診斷系統(tǒng)方面,主要有清華大學研究開發(fā)的大型電站鍋爐遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng),華中科技大學研究開發(fā)的循環(huán)流化床鍋爐在線監(jiān)測與狀態(tài)診斷專家系統(tǒng)等。
2、汽輪機組的主要故障及診斷方法
汽輪機的主要故障
(1)不平衡。主要是由于轉(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)缺陷而引起的熱撓曲等造成的。
(2)不對中。主要原因是滑銷系統(tǒng)卡澀,汽缸溫差超限,機組升速太快,真空下降過大,基礎(chǔ)不均勻下沉等,使機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)計和調(diào)整不當,汽缸膨脹不暢,汽缸熱變形過大,機組振動過大和軸向位移增大等。
(4)葉片脫落。主要是由于設(shè)計的強度不足,蒸汽參數(shù)波動較大,機組在電網(wǎng)周波變化較大和低負荷下長期運行,以及機組在小于額定轉(zhuǎn)速以下某轉(zhuǎn)速停留時間過長等。
(5)蒸汽激振。主要原因是由于高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速較低,并且高中壓轉(zhuǎn)子熱態(tài)下?lián)隙茸兓^大,軸承標高變化較大,接長軸的加工和安裝質(zhì)量不良,聯(lián)軸器中心徑向或軸向誤差太大,軸系平衡和對中狀態(tài)惡化等,使高中壓轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。
發(fā)電機的主要故障
(1)油膜振蕩。主要是因為發(fā)電機轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速過低,并且三軸楔瓦穩(wěn)定性差,在載荷減輕時,其失穩(wěn)轉(zhuǎn)速過低。
(2)定子線圈絕緣故障。主要是由于磨損、老化、污染及腐蝕等原因使絕緣失效,造成局部放 (3)電和溫度升高,以及由于綁扎不緊、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。
(4)定子線圈過熱。主要是由于制造或安裝過程中某些缺陷使匝間短路,造成局部過熱。
轉(zhuǎn)子繞組故障。包括接地、匝間短路和斷線故障。接地和匝間短路障礙主要是由于絕緣降低和損壞引起的,接頭開焊和熱變形會引起斷線。
(5)冷卻水系統(tǒng)故障。主要是由于冷卻水泄漏、管道異物堵塞、誤動作等使冷卻水流量降低和中斷,以及由于材料和安裝缺陷引起定子漏水。
診斷方法
在汽輪機組故障診斷中,振動法是應(yīng)用普遍也比較成熟的一種方法。應(yīng)用熱力學分析診斷汽輪機組性能故障也是一個重要手段,另外還有油液分析、聲發(fā)射法、無損檢測技術(shù)等。聲發(fā)射法主要用于動靜碰磨故障檢測、泄漏檢測等。日立公司在350MW汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子上設(shè)置試片,在兩端軸承的軸瓦處進行聲發(fā)射和記錄,診斷轉(zhuǎn)子的碰磨。在汽輪機組壽命診斷中,無損檢測技術(shù)應(yīng)用相當重要,目前用到的非破壞性評價法主要包括硬度測定法、電氣抵抗法、超聲波法、組織對比法、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組的故障診斷系統(tǒng)。國外主要有美國Radial公司開發(fā)的汽輪發(fā)電機組振動診斷用專家系統(tǒng),西屋公司的汽輪發(fā)電機組故障診斷系統(tǒng),Bendy公司的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷系統(tǒng)。國內(nèi)主要有上海大學研制的熱力參數(shù)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)TPD,該系統(tǒng)可以提高汽輪機組的運行可靠性,同時能夠優(yōu)化運行方案、提高運行效率、延長運行壽命。由清華大學、華中理工大學、哈爾濱工業(yè)大學、哈爾濱電工儀表所等院所聯(lián)合研制200MM、300MW汽輪發(fā)電機組工況監(jiān)測與故障診斷專家系統(tǒng),可全面監(jiān)測診斷機械振動故障、氣隙振動故障、熱因素引起的故障、機電耦合軸系扭振故障以及調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)故障。
3.變壓器的主要故障及診斷方法
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期過負荷,由于短路電動力損傷匝間絕緣,繞組的材料或工藝方面的缺陷,進水受潮,大氣或操作過電壓的襲擊。
(2)繞組斷線。主要原因有短路電動力使線圈斷線,焊接不良,匝間短路。
(3)繞組對地擊穿。主要原因有主絕緣的老化,絕緣油受潮,繞組內(nèi)有雜質(zhì)進入,過電壓短路時線圈變形損壞,因冷卻系統(tǒng)故障、冷卻油道堵塞、保護失靈從而產(chǎn)生整體或局部過熱以致絕緣損壞。
(4)繞組相間短路。主要原因與對地擊穿相似,也可能是引線間或套管間短路,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的螺桿絕緣損壞,故障處有金屬片使鐵芯片短路,片間絕緣損壞嚴重,接地方法不正確構(gòu)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)裝配上存在缺陷,切換分接頭后,接觸不可靠,動觸頭彈簧壓力不夠,有載調(diào)壓裝置安裝調(diào)整不當。
(7)套管對地閃絡(luò)或爆炸。主要原因是表面積灰,臟污,裂紋,密封不嚴,呼吸器配置不當。
(8)負荷正常油溫升高。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。
診斷方法
在變壓器故障診斷中,常用的方法有振動分析法、油中氣體分析法、局部放電法、恢復電壓法、頻率響應(yīng)分析法以及紅外診斷技術(shù)等。目前應(yīng)用較多的主要是紅外診斷技術(shù)。在診斷系統(tǒng)方面,國內(nèi)外學者和研究單位在這方面進行了大量的工作,已經(jīng)研制出了具有故障檢測和初步診斷功能的專家系統(tǒng),如河南電力試驗研究所開發(fā)研究的電力變壓器故障診斷微機專家系統(tǒng)。此外,國內(nèi)有許多著名高校正在從事這方面的研究,取得了巨大的理論成果。
二、目前火電廠設(shè)備故障診斷存在的問題
目前雖然有許多診斷方法和診斷系統(tǒng)應(yīng)用于火電廠設(shè)備的故障診斷,并取得了很好的應(yīng)用效果,但在實際應(yīng)用時也存在著不少的問題,主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
1、檢測手段
故障診斷的推理機制已經(jīng)達到很高的水平,但征兆的獲取成為了一個瓶頸,即大的問題是檢測手段不能滿足診斷的需要,不能真實地反應(yīng)故障的特征。
2、復雜的故障機理
對故障機理的了解是準確診斷故障的前提。目前,對電廠某些設(shè)備的復雜故障,很難從理論上給出解釋,對其機理的了解并不深刻。
3、人工智能應(yīng)用
專家系統(tǒng)作為人工智能在電廠主要設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用已獲得成功,但仍有一些關(guān)鍵的人工智能應(yīng)用問題需要解決,主要有知識的表達與獲取、自學習、智能辨識、信息融合等。
4、診斷方法的單一性
當前火電廠設(shè)備的故障診斷系統(tǒng)所用的診斷方法有模糊邏輯法、故障樹分析法、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。但是單一的診斷方法往往難以達到期望的診斷效果。
5、故障定位
目前的故障診斷系統(tǒng)常常只是進行到故障類型識別這一部分,不能確定故障的具體位置,且對設(shè)備的狀態(tài)進行預測的功能研究不夠。
三、火電廠設(shè)備故障診斷的發(fā)展
1、故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
(1)分層分布式結(jié)構(gòu)的故障診斷系統(tǒng)
火電機組的各子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能是分布式和多層次的,這種結(jié)構(gòu)上的層次關(guān)系,要求其診斷系統(tǒng)是分布式和多層次的,由全局診斷系統(tǒng)和子診斷系統(tǒng)組成。全局診斷系統(tǒng)負責診斷任務(wù)的管理,包括將總體任務(wù)分解成子任務(wù)和向各子診斷系統(tǒng)分配任務(wù),這些任務(wù)往往是相互耦合的。診斷子系統(tǒng)完成以后,通過對各子診斷系統(tǒng)結(jié)論的綜合,給出終結(jié)論。分布式故障診斷專家系統(tǒng)具有推理效率高,診斷速度快,系統(tǒng)可靠,適時性好的特點。
(2)集成式故障診斷系統(tǒng)
由于當前的診斷系統(tǒng)在推理方法上的單一性,在求解復雜系統(tǒng)的診斷問題時受到很大的限制。未來的火電機組故障診斷系統(tǒng),將根據(jù)不同子系統(tǒng)的特點采用不同的推理模型,甚至采用幾種不同推理模型進行混合推理,各種推進模型的優(yōu)勢將得到充分發(fā)揮,從而提高推理速度和準確性。
(3)構(gòu)造大型監(jiān)測診斷中心
在同一電網(wǎng)中,有許多同類型的火電機組在同時運行。構(gòu)造大型監(jiān)測診斷中心所帶來的好處是非常明顯的:便于集中保存機組的運行數(shù)據(jù)和機組健康狀況的資料;便于多臺機組之間、多個電廠之間共享已有的知識,便于知識庫的完善化;有利于機組的負荷調(diào)度。
(4)自主閉環(huán)診斷系統(tǒng)
全自主、閉環(huán)故障診斷系統(tǒng)能夠在人員不參與的情況下完成持續(xù)的故障診斷,形成決策,再由診斷系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的控制命令,對機組施加適當?shù)目刂?。要實現(xiàn)自主閉環(huán)診斷,必須要有成熟和先進的診斷技術(shù)。診斷系統(tǒng)的知識庫必須完備,診斷系統(tǒng)應(yīng)有學習機制,能診斷不可預知的故障。
基于Internet的遠程故障診斷系統(tǒng)
隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,使得基于Internet的遠程應(yīng)用系統(tǒng)成為可能。將故障診斷系統(tǒng)與Internet相結(jié)合不但能夠獲取大量的故障案例與診斷經(jīng)驗,同時能夠共享診斷資源,實現(xiàn)專家異地會診,提高故障診斷水平。