大型火電廠主要設(shè)備包括鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)等 完成從熱能到機(jī)械能再到電能的轉(zhuǎn)換過程。設(shè)備與設(shè)備之間的耦合性、系統(tǒng)的復(fù)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(gè)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(jì)損失和社會(huì)后果。因此 通過先進(jìn)的技術(shù)手段 對設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和分析 來判斷設(shè)備是否存在異常或故障、故障的部位和原因、故障的劣化趨勢 以確定合理檢修時(shí)機(jī)很有必要。
    一、火電廠主要設(shè)備的典型故障及其診斷方法
    1.鍋爐的主要故障及診斷方法
    (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 特別是在穿墻管、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 灰粒的粒度較大 含塵濃度大 排煙溫度低于露點(diǎn)溫度等。
    (2)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(jìn)行辨別與控制、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)行診斷與評(píng)價(jià)、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(shí)進(jìn)行吹灰操作 保持鍋爐良好的運(yùn)行性能 監(jiān)視爐膛各個(gè)燃燒器區(qū)域附近煙氣溫度 有助于識(shí)別和清除燃燒器故障導(dǎo)致的燃燒工況異常 同時(shí)可對污染物生成有重要影響的溫度的優(yōu)化控制 實(shí)現(xiàn)清潔燃燒；無損傷檢測技術(shù)是指對材料、部件進(jìn)行的非破壞檢測 以期發(fā)現(xiàn)表面和內(nèi)部缺陷的一項(xiàng)技術(shù)。數(shù)學(xué)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(xué)研究開發(fā)的大型電站鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng) 華中科技大學(xué)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(jī)組的主要故障及診斷方法
    (1)汽輪機(jī)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(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)整不當(dāng) 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。主要是由于設(shè)計(jì)的強(qiáng)度不足 蒸汽參數(shù)波動(dòng)較大 機(jī)組在電網(wǎng)周波變化較大和低負(fù)荷下長期運(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(biāo)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)。
    (2)發(fā)電機(jī)的主要故障
    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 并且三軸楔瓦穩(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。主要是由于磨損、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。
    ③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。
    ④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(huì)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(dòng)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。
    (3)診斷方法
    在汽輪機(jī)組故障診斷中 振動(dòng)法是應(yīng)用最普遍也比較成熟的一種方法。應(yīng)用熱力學(xué)分析診斷汽輪機(jī)組性能故障也是一個(gè)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(dòng)靜碰磨故障檢測、泄漏檢測等。日立公司在350MW汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子上設(shè)置試片 在兩端軸承的軸瓦處進(jìn)行聲發(fā)射和記錄 診斷轉(zhuǎn)子的碰磨。在汽輪機(jī)組壽命診斷中 無損檢測技術(shù)應(yīng)用相當(dāng)重要 目前用到的非破壞性評(píng)價(jià)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(jī)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(jī)組振動(dòng)診斷用專家系統(tǒng) 西屋公司的汽輪發(fā)電機(jī)組故障診斷系統(tǒng) Bendy公司的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)。國內(nèi)主要有上海大學(xué)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(jī)組的運(yùn)行可靠性 同時(shí)能夠優(yōu)化運(yùn)行方案、提高運(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)測與故障診斷專家系統(tǒng) 可全面監(jiān)測診斷機(jī)械振動(dòng)故障、氣隙振動(dòng)故障、熱因素引起的故障、機(jī)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
        (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期過負(fù)荷 由于短路電動(dòng)力損傷匝間絕緣 繞組的材料或工藝方面的缺陷 進(jìn)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(dòng)力使線圈斷線 焊接不良 匝間短路。
        ③繞組對地?fù)舸?。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(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。主要原因與對地?fù)舸┫嗨?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(yán)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(dòng)觸頭彈簧壓力不夠 有載調(diào)壓裝置安裝調(diào)整不當(dāng)。
    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(yán) 呼吸器配置不當(dāng)。
    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)診斷方法
    在變壓器故障診斷中 常用的方法有振動(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(xué)者和研究單位在這方面進(jìn)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(yàn)研究所開發(fā)研究的電力變壓器故障診斷微機(jī)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(shí)際應(yīng)用時(shí)也存在著不少的問題 主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
    1.檢測手段
    故障診斷的推理機(jī)制已經(jīng)達(dá)到很高的水平 但征兆的獲取成為了一個(gè)瓶頸 即最大的問題是檢測手段不能滿足診斷的需要 不能真實(shí)地反應(yīng)故障的特征。
    2.復(fù)雜的故障機(jī)理
    對故障機(jī)理的了解是準(zhǔn)確診斷故障的前提。目前 對電廠某些設(shè)備的復(fù)雜故障 很難從理論上給出解釋 對其機(jī)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(shí)的表達(dá)與獲取、自學(xué)習(xí)、智能辨識(shí)、信息融合等。
    4.診斷方法的單一性
    當(dāng)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(dá)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(jìn)行到故障類型識(shí)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(jìn)行預(yù)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(jī)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(fù)責(zé)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 給出最終結(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(shí)性好的特點(diǎn)。

   (2)集成式故障診斷系統(tǒng)
    由于當(dāng)前的診斷系統(tǒng)在推理方法上的單一性 在求解復(fù)雜系統(tǒng)的診斷問題時(shí)受到很大的限制。未來的火電機(jī)組故障診斷系統(tǒng) 將根據(jù)不同子系統(tǒng)的特點(diǎn)采用不同的推理模型 甚至采用幾種不同推理模型進(jìn)行混合推理 各種推進(jìn)模型的優(yōu)勢將得到充分發(fā)揮 從而提高推理速度和準(zhǔn)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(jī)組在同時(shí)運(yùn)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：①便于集中保存機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)和機(jī)組健康狀況的資料；②便于多臺(tái)機(jī)組之間、多個(gè)電廠之間共享已有的知識(shí) 便于知識(shí)庫的完善化；③有利于機(jī)組的負(fù)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(jī)組施加適當(dāng)?shù)目刂?。要?shí)現(xiàn)自主閉環(huán)診斷 必須要有成熟和先進(jìn)的診斷技術(shù)。診斷系統(tǒng)的知識(shí)庫必須完備 診斷系統(tǒng)應(yīng)有學(xué)習(xí)機(jī)制 能診斷不可預(yù)知的故障。
    (5)基于Internet的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)
    隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 使得基于Internet的遠(yuǎn)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(yàn) 同時(shí)能夠共享診斷資源 實(shí)現(xiàn)專家異地會(huì)診 提高故障診斷水平。