第九講汽輪機輔助設備及系統的故障分析與診斷第一節回熱系統的故障特性分析一、給水回熱加熱與火力發電廠安全經濟運行回熱加熱系統是現代化火電機組主要熱力系統之一，它由高壓加熱器、除氧器、低壓加熱器及連接管道和閥門組成。其中的高壓加熱器在高溫、高壓條件下工作。長期以來，由于設計、制造、安裝和運行等各方面的原因，高壓加熱器系統的故障頻繁出現、投人率低，已成為影響大機組等效可用系數的第二位因素，僅次于鍋爐爆管。就是在高壓加熱器的有限的投入率下，由于給水側短路現象的存在，給水溫度也會嚴重偏離對應負荷下的給水溫度，嚴重影響了大機組高效低耗優越性的正常發揮，甚至威脅主機或其他設備的安全運行，引起嚴重的設備損壞故障。對于發電廠的鍋爐來說，給水溫度是其設計的重要參數之一。進人鍋爐的給永溫度的變化會影響鍋爐水冷壁、過熱器、再熱器等各部位的吸熱量分配，同時也影響鍋爐內各部位的溫度分布，影響鍋爐的燃燒情況。如果給永加熱的一部分不能投人運行(如高加停運)，就會影響鍋爐的正常運行，甚至導致鍋爐故障。很多發電廠的汽輪機，其隔板、噴嘴、葉片等，是按有抽汽供給給水加熱器的情況設計的。在一定負荷下．如果給水加熱器的一部分停運，減少了抽汽，就可能造成汽輪機一部分隔板、葉片等部件所受的力超過設計允許值。所以，有些汽輪機對停用加熱器時的機組發電出力有所限制，如國產125MW和200MW機組在高壓加熱器停用時要限制負荷10％。但也有一些機組，加熱器停用時機組發電出力不受限制，甚至有的機組還允許在停用加熱器時超出力運行。給水加熱器不能正常運行，還常常威脅主機或其他設備的安全運行，甚至引起嚴重的設備損壞事故。給水加熱器管系泄漏或其他原因引起加熱器汽側滿水，使水經過抽汽管道進人汽輪機，造成汽輪機汽缸變形，脹差變化，機組振動，動靜碰磨，大軸彎曲，甚至葉片斷裂等事故。這類由于加熱器故障而引起汽輪機進水的事故，在國內外發生過多起。在國內，發生過因加熱器故障，給水聯動裝置失靈，引起鍋爐斷永停爐的事故；發生過高壓加熱器的蒸汽冷卻器內部鋼管泄漏，引起高壓加熱器汽側滿水，而危急疏水門、電動進汽門、給水旁路聯成閥均失靈，汽側安全閥設置不合理，以致高壓加熱器汽側殼體爆破的事故；發生過給水加熱器疏水管路沖刷泄漏，水噴向發電機，以致發電機出口電壓互感器短路的事故；發生過高壓加熱器疏水系統運行不當，疏水管道劇烈振動，被迫停機的事故；發生過疏水管道彎頭磨薄、爆破，噴出熱水燙死人的事故。有關統計資料表明，回熱系統對電廠效率的影響很大，給水溫度降低10℃，熱耗率增加約0．4％。大容量機組的高壓加熱器若不能投人運行，將使機組出力降低8％～10％，煤耗率增大3％～5二、回熱加熱系統的可靠性模型在火力發電廠中，為了把鍋爐給水的溫度加熱到設計值，需要設置若干臺加熱器串聯運行。例如，在一臺300M我機組的回熱加熱系統中。共設八級加熱。這種串聯系統可簡化成如圖8-l所示的通用模型。二、回熱加熱系統的可靠性模型在火力發電廠中，為了把鍋爐給水的溫度加熱到設計值，需要設置若干臺加熱器串聯運行。例如，在一臺300M我機組的回熱加熱系統中。共設八級加熱。這種串聯系統可簡化成如圖8-l所示的通用模型。很顯然，串聯系統能否正常工作取決于系統中所有設備能否正常地執行其功能。某一設備發生故障，就會使整個系統失效，所以整個系統的可靠度應小于等于系統中各單元可靠度的最小值，即三、影響回熱系統可靠性的因素由于發電廠給水回熱加熱系統是一個串聯系統，其故障率是組成系統的各部件的故障率之和。影響整個回熱系統的可靠性的因素有：(1)系統中單元數的多少。組成系統的單元(部件)數越多．系統的故障率就越高。即使是各單元的可靠度很高，在單元數很多的情況下，系統的可靠度也不高。對于汽輪機組而言，隨著單機容量和主蒸汽參數的提高，回熱級數的增加，回熱系統復雜度的增加，機組可靠性將下降。(2)系統中單元可靠度。在回熱系統中有許多單元，且每一個單元的可靠度是不相同的。有些單元(如低壓加熱器)的可靠度在較長時間內可以維持較高的值，而有些單元(如高壓加熱器)的可靠度隨時間的變化下降得根快。在一個串聯系統中，可靠度最小的單元對整個系統的可靠度的影響最大。事實上，高壓加熱器的可靠性對整個回熱系統的可靠性有著決定性的影響。(3)執行工作任務的時間。對于同一個單元或同一個系統，隨著工作時間的增加，其可靠度是逐步下降的。當可靠度下降到一定值后，系統(或單元)就不能穩定工作，這時需要通過適當的維修來提高系統(或單元)的可靠度。(4)運行操作水平。隨著機組參數的不斷增加，高壓加熱器的單件體積也越來越大，大形鍛件和厚板材的普遍使用，致使限制熱應力沖擊的要求也越來越嚴。為了避免過大的熱應力沖擊加熱器本體，造成不必要的損失，加熱器(特別是高壓加熱器)的起停應嚴格遵守溫升率和溫降率的規定。研究表明，溫升率和溫降率應控制在1．85℃／min之內，最多不超過3．7℃／min四、提高回熱系統可靠性的技術措施為了提高回熱加熱系統的可靠性，可采取如下幾個方面的技術措施：(1)提高系統中的單元可靠度特別是薄弱單元的可靠度。對一個串聯系統而言，系統的可靠度是各單元的可靠度的乘積。所以，整個系統的可靠度肯定小于系統中各單元可靠度的最小值。提高各單元的可靠度就可以提高整個系統的可靠度。特別是，當系統中一個或若干個單元的可靠度明顯小于其他單元的可靠度時，提高這些薄弱單元的可靠度，可大大提高整個系統的可靠度。提高薄弱單元可靠度的方法主要有：①優化單元本身的結構；②選用高強度材料；③提高加工工藝水平。(2)加強對關鍵設備的運行監測與狀態診斷。加強回熱系統中的關鍵單元(如高壓加熱器)的運行監測，實施在線診斷是提高系統可靠度的重要措施。對系統中的關鍵單元進行在線監測和診斷．可以及時了解設備的當前狀態，預測設備狀態的發展趨勢，診斷出設備發生的故障，從而及時采取適當的運行和維修措施，將事故消除在萌芽狀態，達到提高系統可靠度的目的。(3)提高運行水平。運行操作水平是影響系統可靠度的一個重要因素。運行操作水平高，可將加熱器(或閥門、管道)的關鍵零部件的應力水平控制在允許范圍內，延長系統中各單元的壽命，提高系統的可靠度。在運行過程中，應嚴格控制加熱器材料的溫升率和溫降率，其中控制溫升率比控制溫降率對加熱器的可靠性更為重要。控制溫度變化率的可行方法是監視加熱器出口給水溫度的變化。(4)設置性能可靠的保護系統。如果加熱器發生故障或傳熱管泄漏，將使高壓水漏人殼體，使正常水位發生波動，甚至水從抽汽口進人汽輪機，導致汽輪機進水。所以，為了鍋爐的連續供水和確保汽輪機的安全運行，必須對高壓加熱器系統設置保護系統。回熱加熱系統的保護系統主要有：①給水旁路系統。給水旁路系統主要有大旁路和小旁路，其中大旁路系統主要用于小功率機組的高壓加熱器上，而小旁路常用于300MW及以上機組上。②安全閥。當加熱器管系泄漏時，會引起汽側壓力增加，當汽側壓力超過一定值時，安全閥動作，汽側迅速泄壓，可防止加熱器爆炸。第二節高壓加熱器的故障原因分析導致高壓加熱器發生故障而不能正常工作的原因很多，主要體現在以下幾個方面：(1)高壓加熱器內部管系泄漏。內部泄漏是高壓加熱器最為常見的故障之一，在導致高壓加熱器停運的原因當中，內部管系泄漏列在首位。高壓加熱器出現內部泄漏時將嚴重影響汽輪機組的安全運行，如使汽輪機進永、高壓加熱器爆炸等。當高壓加熱器出現內部管系泄漏故障時，若高壓加熱器運行過程中的抽汽參數基本正常，會出現疏水水位升高或疏水調整門開度增大(或二者同時出現)，給水溫升減小，疏水溫度降低，給水進、出口壓差增大等現象。導致高壓加熱器內部管系泄漏的原因主要有管束振動產生裂紋、管子與管板之間連接松動、管子腐蝕、管子磨損、超壓爆管、管子材質差和工藝不良等。(2)疏水調節裝置、熱工自動與熱工保護裝置故障。這與設備的選型、調整、維護水平有關。若疏水調節裝置、熱工自動與熱工保護裝置(或加熱器的疏水閏)出現故障，將導致疏水閥的開度異常，可能出現兩種不同的結果。一種是加熱器滿水，淹沒管束．從而導致給水溫升減小，抽汽量明顯減少，端差增加；另一種是加熱器無水位運行，疏水溫度增加，本級抽汽明顯增加，下一級抽汽量減少，同時，本級抽汽漏人下一級，降低了蒸汽的能量使用品位。(3)排氣管道故障。當排氣管道出現故障時，加熱器內的不凝結氣體增加，傳熱系數降低，致使給水端差增大。如果高壓加熱器運行投有過負荷，且各運行參數基本正常，此時，由于蒸汽的分壓力下降將導致疏水端差(下端差)略有減小。(4)傳熱面結垢。在運行參數基本正常的情況下，當傳熱面結垢時．降低了傳熱系數，致使給水端差增大，疏水端差也有所增大。(5)高壓加熱器內部進出水側短路。當各運行參數及進出水溫度正常時，若高壓加熱器內部進水側與出水側短路，將會出現給水端差增加，給水溫度下降．進、出口給水壓差減小等現象。(6)給水水路管束堵塞。當給水水路管束堵塞時，給水端差將增加，進、出口壓差會明顯增大。(7)抽汽管路異物堵塞。當抽汽管路中有異物時，將使蒸汽的通流面積減少，流動阻力增加，從而出現給水溫升明顯減少．端差顯著增加，疏水流量明顯減小的現象。第三節高壓加熱器管系泄漏的故障機理分析由于內部管系泄漏是高壓加熱器的常見故障，且是造成后果最為嚴重的故障，所以，本節專門討論高壓加熱器內部管系泄漏故障的機理。一、因管束振動引起的管系泄漏1．管束振動損壞的機理具有一定彈性的管束在殼側流體擾動力的作用下會產生振動，當激振力頻率與管柬自然振動頻率或其倍數吻合時，將引起管束共振，使振幅大大增加，造成管束損壞。管束的自然頻率取決于管束的幾何特性、管材、流體介質特性等，而殼側流體的激振頻率又與其流速及流動區域的幾何特性有關。管子的振幅可以看成是沒有振動的管子在流體作用下的靜態變形量與一個放大系數的乘積。而放大系數又和激振頻率、自然頻率的比值及系統的阻尼有關，當頻率比接近1時，就可能出現大的振幅。管束振動損壞的機理主要有：①由于振動而使管子或管子與管板連接處的應力超過材料的疲勞持久極限，使管子疲勞斷裂。②振動的管子在支撐隔板的管孔中與隔板金屬發生摩擦，使管壁變薄，最后導致破裂。@當振幅較大時，在跨度的中間位置相鄰的管子會互相摩擦，使管子磨損或疲勞斷裂。所以，當發現管束在支撐隔板的管孔處發生磨損或在跨度中間位置處磨損或斷裂時，應考慮到管束振動損壞的可能性。2．管束振動的原因管束振動是管殼式加熱器中普遍存在的問題，U形管高壓加熱器也不例外。管束發生振動，在運行過程中必須存在激振源。這一激振源就是流體的流動。在換熱器中，流體分縱向流動和橫向流動，而縱向流動又分為管內縱向流動和管外縱向流動。一般情況下(除非流速極高的場合)，縱向流動所產生的激振作用很小，危害性不大，可以忽略。橫向流動產生的激振作用很大，能產生較大振幅的振動，對管子的危害也最大。因此，下面主要分析換熱器中橫向流動所產生的幾種激振作用。(1)漩渦分離產生的激振力。流體橫向掠過管子時。流體交替地在管子背后脫離，在下游形成卡門渦街，如圖8-2所示。隨著流體雷諾數Re的增大，漩渦的分離頻率增加。加熱器管子的主要激振力來自于漩渦分離。由于管子兩側漩渦的交替產生并分離，導致兩側的流體阻力不相同，并且呈周期性變化。在漩渦形成并長大的一側，流體速度低，靜壓較大，而在漩渦脫離的另—側，流動速度高，靜壓較低，這樣就產生一個由阻力大的一側向阻力小的一側的一個推力，該推力的方向與流動方向垂直。同理，在另半個周期里，又產生了與此相反的推力。在這種方向交替改變的激振力的作用下，使管子在與流體流動方向垂直的平面上發生振動。很顯然，管子振動的頻率與漩渦分離的頻率相等。流體橫向掠過管子時，漩渦分離的頻率可由下式來確定式中——斯脫羅哈(Stroual)數，是與雷諾數有關的無量綱量(見表8—2)；——流體的流動速度，m；——圓管直徑，m。(2)流體的彈性激振。若將管子和流體視為一個振動系統，當流體橫向掠過管子或管束時，由于某種原因使一根管子偏離原來的平衡位置發生位移，此時由于流體的彈性作用使流場發生變化。從而破壞了原來系統的平衡，使其他管子也相應的發生位移，使管子處于振動狀態。當流體的速度達到某一值時，流體彈性力對管子系統所做的功就大于管子系統阻尼作用所消耗的功，振幅逐漸增大，直至發生管子碰撞磨損。實際上，這種振動屬于自激振動。(3)紊流抖振。紊流中，脈動壓力發生變化，速度場不斷供給管子能量，當紊流脈動的主頻率與管子的固有頻率相近時，管子吸收能量并產生振動。(4)聲學激振。當加熱器殼側熱交換介質是蒸汽或其他氣體時，在換熱器內部會產生聲學激振現象。氣(汽)流橫向掠過管束時，漩渦分離，導致氣(汽)流的壓力脈動，由于氣(汽)流的可壓縮性，這種壓力脈動以聲波的形式既可沿管子的軸線又可沿垂直于流動方向傳播，當加熱器的結構滿足一定條件時，就形成駐波。當聲學駐波頻率與管子或殼體的固有頻率接近或相等時，將使加熱器產生劇烈振動，并伴隨著較大的噪聲。3．管束發生振動損壞的重要位置及原因(1)過熱蒸汽冷卻段。過熱蒸汽冷卻段是發生管束振動損壞可能性最大的區域。蒸汽冷卻段殼側是按通過過熱蒸汽來設計的，汽流設計速度比較高，一般為30～40m/s。有兩種情況可能會使汽流速度大幅度增加：一種是高加超負荷，使得蒸汽的流速超過設計值；另一種是蒸汽壓力大幅度降低，蒸汽的比容增加，導致蒸汽的容積流量增加，蒸汽流速超過設計值。(2)主凝結段。主凝結殷內的管束振動可能發生在兩個部位，即U形管彎頭處和直管段。在U形管彎頭處，管子的自由長度一般比直管段大得多，尤其是外層管子。自由長度大，則自然頻率低，容易產生共振。特別是有些臥式高壓加熱器，通常將上級疏水人口設在U形彎頭附近，疏水在那里擴容蒸發，產生很大的擾動。如果疏水人口處的防沖板設計不合適，那么引起管束彎頭部分振動的可能性將更大。振動會使彎頭部分的管子破裂或折斷。直管段的振動損壞一般發生在管束支撐隔板布置不合理、管子跨度較長、殼側汽流速度較大的區域。(3)疏水冷卻段。疏水冷卻段中殼側疏水的紊流比較大，因而產生的激振力也比較大。尤其當低水位或無水位運行時，汽水混合物以比設計值高得多的速度流經疏水冷卻段，更容易引起管束的振動。由于設計或運行上的原因．若在疏水冷卻段內發生閃蒸現象，則同樣也可能引起管束的振動。二、因腐蝕引起的管系泄漏腐蝕損壞是高壓加熱器管束損壞的一種常見形式，尤其對碳鋼管高壓加熱器腐蝕現象更為普追。通過對發電廠中近80臺高壓加熱器的調查，發現有30％的設備損壞事故是由腐蝕引起的。通常所見的腐蝕種類有：(1)電化學腐蝕。換熱器的管子和其他部件均與水、蒸汽和各種介質接觸發生腐蝕，在腐蝕過程中，金屬原子失去電子及其他物質得到電子的氧化還原反應，即構成了原電池，發生電化學腐蝕。在加熱器中，表面質量的差異、內部缺陷、材質不同、所處的環境不同等都會產生金屬間的電位差異，從而引起電化學腐蝕。(2)氧腐蝕。由于給水和蒸汽中都會溶解一定的氧，所以，加熱器在運行過程中和停運過程中都可能發生氧腐蝕。發生氧腐蝕時，金屬表面有鼓疤形成。由于腐蝕產物的不同，鼓疤的大小和顏色有較大的差異。在鼓疤下面，便是由腐蝕而形成的小坑。(3)應力腐蝕。應力腐蝕破裂是指在應力和特定腐蝕介質的共同作用下引起的金屬破壞。其特點是：大部分表面未被破壞，只有部分細裂紋穿透金屬。這種破壞可以發生在設計應力范圍內，因此，后果嚴重。影響應力腐蝕破裂的因素有：溫度、介質成分、金屬成分、應力以及零件的結構。隨著應力的增加，產生破裂的時間縮短。隨著使用溫度的提高，破裂的速度加快。在同樣的應力條件下，在單相水溶液中的腐蝕速度比有相變發生時慢。(4)堿腐蝕。加熱器的堿腐蝕是由于水中存在游離狀態的NaOH，它在水垢或其他附著層中局部濃縮至很高的濃度時，引起了金屬的溶解。(5)酸腐蝕。加熱器運行過程中，工作介質里會夾雜有使pH值降低的雜質，如二氧化碳及有機酸等。酸腐蝕與堿腐蝕的不同之處在于它更容易引發換熱器臂子的脆性破裂，而且脆裂失效一般先于穿孔出現，它引起的損壞范圍大，危險性高。發生酸腐蝕時，管子金屬均勻減薄，無明顯的凹坑。另外，酸腐蝕的附著物很薄，一般不超過1mm，而堿腐蝕則有較厚的貝殼狀附著物。(6)沖刷腐蝕。如果介質中古有固體顆粒或某些部位的流速過高，則會產生沖刷腐蝕。在由腐蝕引起的加熱器故障中，沖刷腐蝕為腐蝕的主要原因。在高壓加熱器殼程蒸汽人口處，由于存在較大的水滴高速沖擊金屬表面，故此處有比較嚴重的沖刷腐蝕。另外，在折流板、支承板處，存在有相當多的冷凝液，此處的管子易產生沖刷腐蝕。研究表明，150～200℃的冷凝液對碳錒的沖刷腐蝕最為嚴重。一般來說，沖刷腐蝕只發生在流動中材料(7)管于人口端侵蝕。管子人口端侵蝕損壞只發生在碳鋼管加熱器中，損壞部位一般限制在管束的給水入口端約200mm的范國內。人口管蠟愎蝕是一種侵蝕和腐蝕共同作用的損壞過程，其機理是管壁金屬在表面形成的氧化膜被高紊流度給水破壞帶走．在這種連續不斷的過程中，金屬材料不斷損失，最終導致管子的破損。有時損壞面可以擴大到管端焊縫甚至管板。影響人口管端侵蝕損壞的主要因素有：給水pH值、臺氧量、溫度和素流度。在流動的水中，pH值上升，材料損耗速度下降。當pH值達到9．6時管端侵蝕現象幾乎消失。較高的溫度有利于磁性氧化鐵的形成，這種磁性氧化鐵在鋼材表面形成保護膜，把腐蝕介質與金屬隔開，起到減輕腐蝕保護金屬材料的作用。因此。一般認為．當給水溫度低于200℃左右時，才會出現明顯的侵蝕。水的紊流引起壓力波動和對管壁的沖擊，是使磁性氧化鐵膜破壞的主要原因。紊流的形成主要來自給水從進水管流入水室時的強大擾動和給水進入管束時在端部出現的收縮和脫離。這種紊流的影響一般可深入到管內約200mm迅速，因而侵蝕速度也越快。三、因磨損引起的管系泄漏導致高壓加熱器零部件磨損的主要原因來自于管子振動。管子發生振動時，如果振幅較大，將使相鄰的管子互相撞擊或管子撞擊殼體。大多數情況下發生在管子跨距中點，此處會產生特殊的菱形磨損。另外，在折流板處，由于管孔的直徑一般比管子外徑大，所以管子可以自由運動，并在振動時產生磨損，使管壁逐漸變薄直至穿孔。四、因超壓引起的管系泄漏對于配用定速驅動給水泵的系統，如果只根據正常運行時的給水壓力來確定加熱器水側的設計壓力，那么，在啟動過程中或低負荷運行時，由于給水流量小，給水泵出口壓力增大，會使管束承受超過設計值的給水壓力而發生爆管。另外，由于水質問題和銅的沉積，引起管內外表面的腐蝕，削弱了管子的強度。若原設計中又沒有考慮腐蝕裕量，更是加大了管系泄漏的可能性。在機組運行中，如高壓加熱器因故停用，給水進出口閥門關閉嚴密，而進汽閥門有泄露時，被封閉在加熱器銅管側的給水將受到漏人的蒸汽的加熱，管束內的水壓將大幅度上升，從而導致加熱器爆管。第四節汽輪機組凝汽系統的故障分析凝汽設備是凝汽式汽輪機的一個重要組成部分。由于設計、安裝、檢修、運行機制等方面的原因，在運行過程中時常會出現凝汽器真空偏低的現象。如果凝汽器真空過低，不僅會引起蒸汽在機組中的有效焓降減小，循環熱效率下降，還會導致汽輪機排汽溫度升高，排汽缸變形和振動等故障。因此，凝汽設備的工作性能直接影響到整個汽輪機組的熱經濟性和安全性，研究凝汽設備的故障診斷具有重要意義。凝汽系統的各種故障最終都會導致真空度的下降。所以，凝汽系統工作狀態的好壞可用真空度這一綜合指標來進行評價。一、凝汽器真空的確定眾所周知，正常運行時，凝汽器的排汽壓力與排汽溫度的關系是飽和蒸汽的壓力和溫度的關系。這樣，實際凝汽器內的排汽壓力可由與其相應的飽和蒸汽溫度來確定，而飽和蒸汽溫度可用下式計算二、凝汽器運行真空偏低的原因及特征導致凝汽器運行真空偏低的原因主要有(參見圖3—1)：(1)當循環水泵出現嚴重故障時，將使循環水中斷。此時，進人凝汽器的少量冷卻水的溫升急劇增大，從而使增加，最終導致。增加，真空下降。主要故障特征為：循環水泵電動機電流為零，水泵出口壓力降至零，抽氣器抽出的空氣溫度與冷卻水進口溫度之差增加。(2)當后軸封供汽突然中斷時，大量空氣將漏入凝汽器，使其真空急劇下降。主要故障特征為：凝汽器端差增加，凝結水過冷度增加，轉子因急劇冷卻而產生負差脹。(3)當凝汽器水位調整失靈等原因引起凝汽器滿水時，排汽與冷卻水之間的熱交換面積將急劇減小，使凝汽器真空急劇下降。主要故障特征為：凝汽器端差增加，凝結水過冷度增加，循環水溫升減小，凝結水泵出口壓力增加，水泵電動機電流增加，抽氣口抽出的空氣溫度與冷卻水進口溫度之差增加。(4)當真空系統管路破裂時，將使凝汽器真空下降。主要故障特征為：凝汽器端差增加，凝結水過冷度增加，真空急劇下降。(5)當真空系統不嚴密時，將使真空下降。主要故障特征為：凝汽器端差增加，凝結水過冷度增加，真空緩慢下降。(6)當凝結水泵工作不正常時，將使真空下降。主要故障特征為：凝汽器水位升高，端差增加，凝結水過冷度增加．凝結水泵出口壓力下降，凝結水泵電動機電流減小。(7)當凝汽器銅管在運行過程中發生部分破裂時，將使凝汽器真空下降。主要故障特征為；凝汽器水位升高，端差增加，凝結水過冷度和導電度增加，凝結水泵出口壓力增加，凝結水泵電動機電流增加。(8)當最后一級低壓加熱器的銅管發生破裂時，將使真空下降。主要故障特征為：凝汽器水位升高，端差增加，凝結水過冷度增加，凝結水泵出口壓力增加，凝結水泵電動機電流增加，低壓加熱器水位增高。(9)當凝汽器銅管臟污時，將使傳熱效果降低，真空下降。主要故障特征為：端差增加，循環水進出口溫升減小，抽氣口抽出的空氣溫度與冷卻水進口溫度之差增加。(10)當凝汽器銅管堵塞(或循環水量不足)時，將使凝汽器真空下降。主要故障特征為：端差增加，循環水進出口溫升增加，抽氣口抽出的空氣溫度與冷卻水進口溫度之差增加。(11)當抽氣器工作不正常時，將使凝汽器真空下降。主要故障特征為：端差增加，凝結水過冷度增加，凝汽器抽氣口至抽氣器進口之問的壓差減小。第一節汽輪機組狀態監測與故障診斷的任務特點汽輪機組屬于大型設備，由于工作環境的復雜性、特殊性，決定了其故障的復雜性和多態性，從而決定了監測與診斷任務的特殊性，具體表現在以下幾個方面：(1)信號監測多元化。其含意是：①信號種類多樣化，不僅對振動信號(快變信號)進行采集，而且還對另外兩類重要信號—工藝量(慢變信號)和開關量信號進行采集；②同一類信號測點分布化，即對重要參量在機組的不同部位布置測點，并在數據采集板上留出足夠的通道數，以保證全面地了解該類信號所反映的機組運行狀況；③不僅對機組的穩態工況進行信號采集，而且還對非穩態工況(瞬態)，比如對啟停過程、過臨界點過程以及異常工況的信號進行采集。(2)信號監測連續化。汽輪機組的工作過程是一個動態過程，為了確保機組安全、可靠地運行，提高其生產效率，必須進行連續監測，使機組存在的隱患及早地發現、處理。(3)采樣方式多樣化。系統應提供等時間間隔和等空間間隔的采樣方式，以滿足不同信號的采集與處理的需要。(4)數據采集與處理的實時化。為保證實時地跟蹤、監測機組的運行變化，數據采集與處理要滿足一定的時間限制。這不僅需要采用高速數據采集部件和微處理器，而且還需要有合適的數據采集策略和系統的總體結構，以協調外圍采集部件的高速可靠運行，完成數據采集與傳輸，提高整個系統的處理速度。(5)數據記錄歷史化。在進行機組故障診斷時不僅需要當前數據，同時也需要歷史數據，從機組的狀態變化趨勢中，確認機組所處的狀態，并對當前數據和歷史數據進行記錄。由于系統每一次獲得的數據量較大，若全部記錄，經過一段時間后，其數據量將是巨大的，因此必須對數據進行壓縮處理，并采用滾動方式進行記錄。(6)監測和診斷的并行與協作。為了提高系統的實時性和模塊性，必須使監測功能和診斷功能并行執行，二者既要相互聯系，又要相對獨立，不能因為診斷而中斷了監測。第二節系統的總體結構、功能及特點一、系統的總體結構汽輪機組狀態監測與故障診斷系統，采用了多級子系統形式的分布式結構，以滿足機組在線實時性的要求。圖9-1是作者所在研究小組開發出來的200MW和300MW汽輪發電機組故障診斷系統的總體結構。該系統由傳感器子系統、監測子系統、數據采集子系統、局域網絡、故障診斷子系統及系統管理子系統等六大部分組成。1．傳感器子系統傳感器子系統是狀態監測與診斷系統的主要信息來源，屬于一次儀表，關系到整個監測、分析和診斷結果的可靠性和準確性。傳感器主要包括：測量振動的電渦流位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器以及汽缸膨脹、脹差、閥位、溫度、壓力、流量等傳感器。本質上所有的故障特征信號都可以用傳感器來監測．但由于對故障的機理了解不夠和現場實際條件所限，目前還僅僅局限于部分工藝參數信號和有限的振動信號，主要包括：①轉于相對軸承座的徑向振動、軸向振動；②軸位移；③轉速及鑒相信號；④機組的熱工參數，如溫度、壓力、流量等；⑤各類開關量信號。2．教據采集子系統數據采集子系統的任務是采集機組運行狀態數據(包括穩態數據和瞬態數據)。另外，數據采集子系統對采得的原始數據還進行預處理，比如FFT譜分析與校正、數字濾波等，同時對采集的數據進行了二次處理，抽取其中的主要特征。執行數據壓縮。3．數據庫子系統數據庫子系統中存有機組的歷史數據和當前數據。這些數據中，既有原始數據，又有經過二次處理后抽取的故障特征數據。還有診斷結論數據。4．局域網絡局域網絡為數據采集子系統、數據庫子系統、監測子系統、故障診斷子系統以及管理子系統之間提供了一個數據傳遞的媒體，并為分布式監測與診斷機制提供了有效的途徑。通過這個局域網絡，使得各個子系統之間能夠互相訪問，并可以與電廠的其他局域網絡相接，實現資源共享。5．監測子系統監測子系統的任務是了解和掌握設備的運行狀態，包括采用各種檢測、測量、監視、分析和判斷方法，向用戶及時報告設備當前的狀態參數。并對設備的狀態參數進行顯示和記錄，對異常狀態做出報警。6．故障診斷子系統故障診斷子系統是整個系統的核心部分，其任務是根據狀態監鍘所獲得的信息，結合已知的結構特性和參數、環境條件和設備的運行歷史(包括運行記錄和曾發生過的故障及維修記錄等)，對設備可能發生的或已發生的故障進行分析、判斷，確定故障的性質、類別、程度、原因和部位。7．系統管理子系統該子系統的任務是對整個系統進行管理和維護。用戶和有關專家通過該子系統實現與整個系統的交互，如對系統進行擴充、修改以及數據的查詢、數據的人工輸人和輸出等。二、系統的主要功能1．數據采集、存儲與顯示系統有數據的采集和存儲等功能，并建立機組的各種數據庫文件。數據的采集方式可由數據采集子系統控制，可實現等時間或等空間采樣，采集好的數據可在監測及診斷子系統上顯示，并且每間隔一定時間刷新一次。顯示方式可采用模擬監視儀表和數字顯示相結合的形式，并通過綠、黃、紅三種顏色給出了正常、異常和危險三級指示。2．信號分析與處理信號分析是對汽輪機組進行狀態監測與故障診斷的重要手段，可以對采集的實時數據進行分析與處理，并以數據或圖形的方式給出分析的結果，主要包括：(1)動態數據分析。對機組穩定運行狀態的動態信號分析和顯示，包括時域波形圖、軸心軌跡圖和幅值頻譜圖等；(2)啟停過程信息分析。對機組啟停機過程中的信號分析和顯示，包括轉速時間曲線、Bode圖、三維頻譜圖以及各種參數隨轉速的變化圖等；(3)趨勢分析。對機組長期運行的各種狀態參數和經過分析處理后的參數進行趨勢分析，做出趨勢圖。可顯示當前趨勢(30min內)或歷史趨勢的所有監測參數及頻率特性參數，包括振動峰—峰值、基頻、各倍頻振動的幅值和相位以及慢變過程信號和開關量信號等，能迅速讀出趨勢圖上任一點所對應的日期、時間及特征參量值。它不僅可以反映特征值的變化過程，確定故障的初發時刻、發展速度和趨向，判斷缺陷發展的程度。而且還可預測早期故障的發生。3．征兆獲取采集的數據經過信號分析與處理后。形成了大量的數據文件．系統可利用征兆獲取程序自動獲取機組運行狀態的有關征兆。能夠自動獲取的征兆主要有：參數型征兆、波形征兆、軌跡型征兆、振動頻譜型征兆等，并將征兆自動轉化為模糊語義形式。4．故障診斷對于汽輪機組來說，故障診斷是一個十分復雜的任務，也是整個系統的核心內容。它主要采用基于知識的診斷方法，根據傳感器子系統和數據采集子系統采集到的機組的各種狀態信息和報警信息．來識別汽輪發電機組的工作狀態，并完成對機組各種常見故障的診斷。診斷過程中利用了多方面的知識，包括診斷對象汽輪發電機組結構、功能、行為方面的知識，監測分析提供的各種信號處理方面的知識，人類領域專家多年積累的故障診斷方面的背景知識和經驗知識等。5．故障處理對策及維修咨詢當系統完成診斷過程后，可通過對策咨詢庫或通過事例獲得處理建議及維修建議。根據機組故障特點，針對常見故障分別提供了維修和處理建議，供用戶參考。此外，還提供了進一步充實完善功能，用戶可不斷輸入專家及技術人員在這方面的經驗，供以后使用。這樣，咨詢功能可不斷得到完善。6．知識蕕取與學習知識獲取與學習功能是獲取知識(包括規則和事例)和知識庫一致性的檢驗與精煉。獲取知識可以由領域專家或知識工程師通過手工方式對規則庫和事例庫進行操作，完成規則或事倒的顯示、編輯、修改、存儲及打印，也可以采用改進決策樹的方法或神經網絡的方法從大量的分類示例中自動地歸納出分類規則，或通過事例學習模塊自動地完成診斷過程中事例的獲取。7．教據及報表的打印報表打印功能可以把機組各個測點振動的峰—峰值、轉速等以報表的形式輸出，便于用戶查看。三、系統的主要技術特點圖9-1所示的診斷系統具有以下技術特點：1．多任務信息處理該系統是一個集信號采集、分析、狀態監測、故障診斷、運行與維修指導、知識獲取與學習為一體的多任務信息處理系統。將常規監測與診斷技術同基于知識的推理技術有機地結合在一起．使數值處理與符號推理兩方面的優勢都得到了發揮。2．監測與診斷的分布式結構該系統采用了分布式結構，把復雜的監測及診斷任務分解到多個子系統中，由各子系統完成各自相應的任務，共同協作完成總的監測與診斷任務。由于充分利用了監測與診斷中的并行性，所以提高了系統的實時性和可靠性。3．網絡結構該系統具有兩級網絡結構，保證系統具有良好的擴充性。PC總線為微機模塊間提供了標準的數據通路，可充分利用軟硬件資源，局域網絡使得系統今后的擴充(特別是在網上增加其他診斷系統)更加容易。4．多種推理機制集成在故障診斷方法上，系統采用了基于框架、規則和事例的知識組織與表達，并提供了不確定性推理、人工神經網絡診斷推理及基于事例的推理，從而增強了系統求解問題的能力。5．多用途的能力系統備有功能豐富的工具庫，不僅可用于汽輪發電機組故障診斷，而且可直接作為一個開發工具來建立其他對象的診斷系統。6．功能易于擴充系統的設計采用了面向對象的機制和模塊化結構的方法，使系統的功能擴充更加容易、方便。在不需要更改程序結構的情況下，很容易增加新的功能。7．操作方便系統具有良好的用戶界面，采用全中文方式工作，通過采用多級菜單、圖標選擇等技術，操作變得十分方便，并具有較強的容錯能力。另外，系統還提供了聯機幫助功能。第三節監測子系統的設計與實現監測于系統的功能包括：完成數據分析、處理、狀態監視、向診斷部分提供必要的信息等。監測部分的結構如圖9-2所示，主要由管理模塊、系統組態模塊、狀態監測模塊、動態分析模塊、瞬態分析模塊及趨勢分析模塊組成。1．系純組態模塊系統組態模塊是對系統、機組和測點進行的初始設置，并形成組態文件，以便使系統能夠適應不同的工作環境和不同配置的需要。它是在系統運行之前通過人機界面進行設置的，其內容主要包括：(1)傳感器的類型、靈敏度、安裝位置等；(2)監測參數的門限值(異常和危險)；(3)數據采集子系統的組態，比如數據采集通道數、狀態、采樣方式等；(4)監視儀表的標定系數等。2．狀態監測模塊(1)數據管理。對采集到的數據根據機組的運行狀態進行合理地分類、存儲，建立一些數據庫。如動態數據文件、瞬態數據文件、趨勢數據文件、報警數據文件等。(2)報警產生。根據各個狀態參數的報警值和機組運行狀態的報警方法，確定機組的工作狀態是正常還是異常，若異常則產生報警信息。(3)實時監視。每隔5s讀取一次原始數據文件，并通過屏幕在線實時地顯示反映機組運行狀態的全都參數，并且視用戶需要可在打印機上作報表輸出。3．動態分析與瞬態分析模塊動態分析模塊和瞬態分析模塊分別完成機組在穩態工作和啟停工作的各種信號的分析與處理．如可完成時域波形分析、軸心軌跡分析、頻譜分析、啟停過程的三維譜分析、Bode圖分析等。4．趨勢分析模塊趨勢分析模塊可對反映機組運行狀態的重要參數作趨勢分析，即根據其歷史數據來推斷缺陷的發展速度與趨勢。確定設備的殘存壽命，其目的是為早期判定故障提供一個有效的手段。趨勢分析可以對當前趨勢(30min內)和歷史趨勢進行分析，如快變信號(振動蜂一峰值、基頻、各倍頻振動的幅值和相位)和慢變信號(熱工參數)及開關量信號等。第四節故障診斷子系統的設計與實現一、故障診斷子系統的結構故障診斷子系統是一個智能診斷專家系統，它由任務管理模塊、動態黑板、知識庫、征兆提取模塊、推理機