第一講汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展

1、第一講汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展、特點、任務(wù)和方法第一節(jié)汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展歷史一、故障診斷技術(shù)的發(fā)展歷史設(shè)備故障診斷技術(shù)的歷史可以追溯到 19 世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命時期， 主要依賴于該 領(lǐng)域個體專家單純 依靠感官 獲取設(shè)備的狀態(tài)信息， 憑經(jīng)驗作出直接的判斷 ，這是 最原始、最簡單的診斷技術(shù)。真正意義上的診斷技術(shù)產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 60 年代初期。 1961 年，美國開始執(zhí) 行阿波羅計劃，出現(xiàn)了一系列嚴(yán)重的設(shè)備故障， 67 年美國海軍主持成立了 美國 機(jī)械故障預(yù)防小組 ，下設(shè)故障機(jī)理研究、檢測、診斷和預(yù)測技術(shù)、可靠性設(shè)計和 材料耐久性評價四個小組。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方面， 美國西屋公司 于與 76

2、年 研制，到 1990 年已發(fā)展成網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)組智能化故障診斷專家系統(tǒng)。此外 本特利 公司也推出了 DDM、 ADER系統(tǒng)為代表的多種機(jī)組在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)等。英國在 20 世紀(jì) 60 年代末， 70 年代初，成立了 英國機(jī)械保健中心 ；日本密 切關(guān)注世界動向，積極引進(jìn)、消化最新技術(shù)，努力發(fā)展自己的診斷技術(shù)，研制診 斷儀器，在民用工業(yè)中的故障診斷技術(shù)發(fā)展占有一定的優(yōu)勢。1987年 5月，中國振動工程學(xué)會故障診斷學(xué)會 成立。1987年 10月，由振動 工程學(xué)會、故障診斷學(xué)會和轉(zhuǎn)子動力學(xué)學(xué)會聯(lián)合召開了全國第一屆旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障 診斷對策研討會。北京、沈陽、天津、上海等省 （ 市） 先后成立了機(jī)械設(shè)備故障診

3、 斷技術(shù)委員會或研究開發(fā)中心。 與此同時， 中國機(jī)械工程學(xué)會成立了 失效分析工 作委員會 ，建立了全國性的專家?guī)旌褪Х治鼍W(wǎng)， 用于協(xié)調(diào)全國的失效分析和故 障預(yù)防研究工作。現(xiàn)代設(shè)備診斷技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了兩個主要階段。第一個階段是以計算機(jī)技術(shù)、 傳感技術(shù)和動態(tài)測試技術(shù)為基礎(chǔ)， 以信號處理 技術(shù)為手段的常規(guī)診斷技術(shù)發(fā)展階段。 這一階段， 設(shè)備診斷技術(shù)融合并吸收了大 量的現(xiàn)代科技成果， 各種先進(jìn)理論、 方法和技術(shù)在設(shè)備診斷領(lǐng)域中都找到了用武 之地。如：振動診斷技術(shù)、振聲診斷技術(shù)、聲發(fā)射診斷技術(shù)、光譜診斷技術(shù)、鐵 譜診斷技術(shù)、 紅外和熱成像診斷技術(shù)、 核輻射診斷技術(shù)等， 都是這一階段取得的 成果。計算機(jī)

4、技術(shù)的迅速發(fā)展，使得各種信息處理方法應(yīng)運而生，如邏輯診斷、 統(tǒng)計診斷、故障樹診斷、模糊診斷等。各種新技術(shù)的應(yīng)用，使得對設(shè)備的在線監(jiān) 測與診斷成為可能。但是，在這一發(fā)展階殷。各種新技術(shù)和新方法的應(yīng)用，僅僅 只是延長了人的感官功能。第二個階段人工智能技術(shù)的應(yīng)用 標(biāo)志著現(xiàn)代設(shè)備診斷技術(shù)進(jìn)入了第二個階 段智能診斷階段。 智能診斷技術(shù)的應(yīng)用， 不但延長了人的感官功能， 而且延 長了人的大腦功能。 診斷技術(shù)發(fā)展到這一階段， 其研究內(nèi)容與實現(xiàn)方法已發(fā)生了 且正在繼續(xù)發(fā)生著重大的變化。 原來以數(shù)值計算和信號處理為核心的診斷技術(shù)將 被以知識處理和知識推理為核心的診斷技術(shù)代替，形成基于知識的設(shè)備診斷技 術(shù)。對診斷

5、技術(shù)的研究也不再是各種方法的“堆積” ，而是從知識的角度出發(fā)， 系統(tǒng)地研究診斷技術(shù)。 現(xiàn)在，故障診斷技術(shù)在機(jī)械、電子、能源、化工、交通運輸、航空航天、軍 事等各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 應(yīng)用的對象包括旋轉(zhuǎn)機(jī)械、 往復(fù)機(jī)械、流程工業(yè)、 加工過程、儀器儀表等。 由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械是各行各業(yè)用得最多的一類機(jī)械設(shè)備， 所 以，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷問題始終是設(shè)備診斷技術(shù)研究的熱門課題。 汽輪機(jī)組是 大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，而且用途非常廣泛， 其故障診斷問題引起了有關(guān)單位和人員的高 度重視。二、汽輪機(jī)組故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀1信號采集與信號分析(1) 傳感技術(shù)。由于汽輪機(jī)組工作環(huán)境的特殊性 ( 高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、高應(yīng) 力)

6、 ，所以在汽輪機(jī)組故障診斷系統(tǒng)中，對傳感器的性能要求很高。目前，對傳感器的研究， 主要是提高傳感器性能的可靠性、 開發(fā)新型傳感器， 以及研究如何 診斷傳感器故障以減少誤診率和漏診率等方面的問題。 當(dāng)前，許多學(xué)者正在研究 利用多傳感器信息融合技術(shù)來診斷故障。提高對故障的分辨率。(2) 信號分析與處理。在信號分析與處理研究領(lǐng)域中，最具有吸引力的是振 動信號的分析與處理。 汽輪機(jī)組故障診斷系統(tǒng)中的振動信號處理大多采用快速傅 立葉變換 (FFT) 。FFT 的思想在于將一般時域信號表示為具有不同頻率的諧波函 數(shù)的線性疊加， 它認(rèn)為信號是平穩(wěn)的。 所以分析出的頻率具有統(tǒng)計不變性。 FFT 對很多平穩(wěn)信號

7、的情況具有適用性， 因而得到了廣泛的應(yīng)用。 但是，實際中的很 多信號是非線性、 非平穩(wěn)的， 所以為了提高分辨精度， 新的信號分析與處理方法 成為該領(lǐng)域的重要研究課題。 目前，正在研究的信號分析與處理的方法有變時基 FFT、短時基 FFT、時頻分析、 Winger 變換、小波變換、全息譜分析、延時嵌 陷分析、信號的分維數(shù)計算等。2 故障機(jī)理 故障機(jī)理研究是故障診斷領(lǐng)域中的一個非常基礎(chǔ)而又必不可少的工作。目 前，對汽輪機(jī)組故障機(jī)理的研究主要從故障規(guī)律、 故障征兆和故障模型等方面進(jìn) 行。汽輪機(jī)組是大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械， 振動信號是其主要也是非常重要的特征信號。 因 此，汽輪機(jī)組的故障研究總是從振動信號人手，

8、 并從振動信號中提取故障征兆 從 而建立起故障征兆集合和故障集合之間的映射關(guān)系。目前，研究汽輪機(jī)組故障機(jī)理方法有現(xiàn)場試驗法、 實驗室模擬研究法和計算 機(jī)仿真法?，F(xiàn)場試驗方法是在實際機(jī)組上模擬具體的故障，對故障信號進(jìn)行在線檢測， 提取故障的征兆。 這種研究方法具有征兆一故障關(guān)系明確、 故障狀態(tài)的逼真度高 等優(yōu)點。但是，這種研究方法也有其不足之處，如信號的背景噪聲大、危險性大 和費用高等。實驗室模擬研究方法是先建立機(jī)組的物理模型， 即模擬實驗臺。 然后在模擬 實驗臺上人為地模擬出機(jī)組的故障， 在模擬故障狀態(tài)下檢測故障信號， 提取故障 特征，從而建立起故障征兆與故障之間的映射關(guān)系。 該方法克服了現(xiàn)場

9、實驗法的 缺點，是目前廣泛采用的故障研究方法。但是，該方法也有其缺點，主要表現(xiàn)在 故障狀態(tài)的逼真度有所降低、 模擬的故障范圍受到限制、 實驗臺的造價高等方面。計算機(jī)仿真法目前是研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障機(jī)理和故障行為的常用方法。 該方法 是先建立描述設(shè)備狀態(tài)和行為的數(shù)學(xué)模型， 再開發(fā)出相應(yīng)的仿真軟件， 然后對一 些典型故障進(jìn)行數(shù)值仿真。 其優(yōu)點為： 不受現(xiàn)場和實驗室的條件限制； 能定量地 建立故障狀態(tài)和故障特征之間的關(guān)系；能反復(fù)模擬不同的邊界條件 (環(huán)境條件 ) 和初始條件下的故障形態(tài)和故障特征。 該方法的困難之處是數(shù)學(xué)模型的建立以及 如何驗證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。3 診斷策略汽輪機(jī)組是一個復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，

10、 其故障特征集合與故障集合之間的映射關(guān) 系非常復(fù)雜。機(jī)組在運行過程中，可能出現(xiàn)多個故障。所以，如何根據(jù)檢測到的 故障特征來診斷出機(jī)組的故障是研究人員非常關(guān)心的問題， 這個問題也就是診斷 策略。在汽輪機(jī)組故障診斷領(lǐng)域中， 常用的診斷策略有對比診斷、 邏輯診斷、 統(tǒng)計 診斷、模式識別、基于灰色理論的診斷、模糊診斷、專家系統(tǒng)和基于人工神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的診斷。 目前研究比較多的是后幾種診斷策略。 其中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系 統(tǒng)的應(yīng)用研究是這一領(lǐng)域的研究熱點。4 診斷方法診斷方法的研究一直是故障診斷領(lǐng)域的重點。 目前，在汽輪機(jī)組故障診斷領(lǐng) 域中，主要的診斷方法有振動診斷法、 噪聲診斷法、 熱力學(xué)診斷法、 紅外

11、診斷法、 聲發(fā)射診斷法和無損檢測診斷法等。汽輪機(jī)組是大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，振動是其重要的 (也是主要的 )特征信號。因此， 振動診斷法是汽輪機(jī)組的常用診斷方法。 機(jī)械振動勢必會產(chǎn)生噪聲， 噪聲信號中 包含了機(jī)組的豐富的狀態(tài)信息， 因此。噪聲診斷法也可用于診斷汽輪機(jī)組的故障。 汽輪機(jī)組熱力性能方面的故障， 用熱力學(xué)診斷方法來診斷。 機(jī)組動靜碰磨、 轉(zhuǎn)子 裂紋等故障可用聲發(fā)射診斷法進(jìn)行診斷。在診斷機(jī)組剩余壽命和部件缺陷時， 主要用無損檢測診斷法。 目前用到的無 損檢測技術(shù)主要包括硬度測定法、電氣阻抗法、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。5 在線診斷系統(tǒng)的研制與開發(fā)

12、 在線診斷系統(tǒng)的研制與開發(fā)，實際上是對上述各研究領(lǐng)域的成果進(jìn)行集成， 這種集成， 既包括硬件方面的集成， 又包括軟件方面的集成。 在線診斷系統(tǒng)在現(xiàn) 場投入使用后，可對汽輪機(jī)組的狀態(tài)和故障進(jìn)行在線診斷與分析。三、汽輪機(jī)組故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢 在汽輪機(jī)組故障診斷領(lǐng)域里，已取得了一些重要的理論和應(yīng)用成果。但是， 當(dāng)前汽輪機(jī)組故障診斷技術(shù)的研究還存在以下幾個方面的不足：(1) 在診斷方法和診斷系統(tǒng)的開發(fā)研究方面投入的精力較多，而對故障機(jī)理 的研究投入的精力相對來說少了一些， 專家系統(tǒng)知識庫中存放的知識不豐富 。所 以，所開發(fā)出來的診斷系統(tǒng)難以對被診斷對象做出準(zhǔn)確有效的診斷。(2) 國內(nèi)在診斷系統(tǒng)軟件

13、開發(fā)方面 “百花齊放”，沒有統(tǒng)一、規(guī)范的軟件標(biāo)準(zhǔn)， 沒有標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)環(huán)境；診斷系統(tǒng)的硬件沒有標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。 因此，開發(fā)一套診 斷系統(tǒng)要花費巨大的人力、物力和財力。(3) 開發(fā)出來的診斷系統(tǒng)的 功能比較單一 。目前已有的診斷系統(tǒng)大多數(shù)只能 診斷出故障的名稱，對故障機(jī)理的分析不夠透徹，缺少對設(shè)備狀態(tài)的綜合評價、 故障趨勢的預(yù)測、 設(shè)備運行指導(dǎo)和維修決策等方面的綜合功能。 診斷系統(tǒng)的自學(xué) 習(xí)功能沒有達(dá)到實用化。(4) 現(xiàn)有診斷系統(tǒng)的診斷過程是非 “自主” 的。目前已開發(fā)出來的診斷系統(tǒng)， 大多數(shù)是在人工參與下的輔助診斷系統(tǒng) 其診斷過程需要人員的參與和照料， 因 此，這樣的診斷系統(tǒng)是非“自主”系統(tǒng)。 正

14、因為診斷過程的非自主性，大大降低 了診斷系統(tǒng)的實用性。大型汽輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點和運行條件特點， 決定了汽輪機(jī)組的故障診斷要快 速、準(zhǔn)確、高效和實時。為了滿足上述要求，汽輪機(jī)組診斷技術(shù)的研究應(yīng)在如下 幾個方面取得突破。1 分布式結(jié)構(gòu)的故障診斷系統(tǒng)的研究與開發(fā) 汽輪機(jī)組各子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能是分布式和多層次的。 這種結(jié)構(gòu)上的層次歡 關(guān)系，要求其診斷系統(tǒng)也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)兩方面內(nèi)容， 這些子任務(wù)往往是相互耦合的。 診斷子任務(wù)完成 以后，通過對各子診斷系統(tǒng)結(jié)論的綜合， 最終得出結(jié)論

15、。 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、實時性好的特點。2 集成式故障診斷系統(tǒng)的研究與開發(fā) 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 受到很大的限制。 未來的汽輪機(jī)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(jìn)行混合推理。 例如， 在同一個診 斷系統(tǒng)中， 同時集成了基于規(guī)則的推理模型、 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理模型、 基 本事例的推理模型等等。 在一個集成式診斷系統(tǒng)中， 各種推理模型的優(yōu)勢將得到 充分發(fā)揮，從而達(dá)到提高推理速度和解的準(zhǔn)確性的目的。 有關(guān)專家認(rèn)為， 人工智 能研究的下一階段將是綜合集成

16、的時代， 所以，集成式故障診斷專家系統(tǒng)的研究 與開發(fā)將成為一個研究熱點。3 構(gòu)造大型監(jiān)測診斷中心在同一個電廠或在一個區(qū)域內(nèi)， 有許多同類型 (或不同類型 ) 的汽輪發(fā)電機(jī)組 在同時運轉(zhuǎn)， 可構(gòu)造一個大型監(jiān)測診斷中心， 對這些汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行集中監(jiān)測 和管理。構(gòu)造大型監(jiān)測診斷中心所帶來的好處主要有： 便于集中保存設(shè)備的運 行數(shù)據(jù)和健康狀況資料；便于多個機(jī)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；便于根據(jù)各機(jī)組的狀況對機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷調(diào)度。4 自主閉環(huán)診斷系統(tǒng)的研究與開發(fā) 全自主閉環(huán)故障診斷系統(tǒng)能夠在人員不參與和不照料的情況下完成持續(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

17、制指令， 對機(jī)組施加適當(dāng)?shù)目?制。要實現(xiàn)自主閉環(huán)診斷， 必須要有成熟和先進(jìn)的診斷技術(shù)。 自主閉環(huán)診斷系統(tǒng) 應(yīng)滿足如下幾個基本條件： 診斷系統(tǒng)的知識庫必須完備； 診斷系統(tǒng)能夠有自 學(xué)機(jī)制，能診斷不可預(yù)知的故障；診斷系統(tǒng)要能自動、快速、完整和準(zhǔn)確地提 取故障特征；診斷系統(tǒng)需有規(guī)劃系統(tǒng)的協(xié)同合作； ) 診斷系統(tǒng)的硬件和軟 件具有非常高的可靠性，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。5 故障診斷的相關(guān)技術(shù)研究 故障診斷技術(shù)是以現(xiàn)代傳感技術(shù)、信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、可靠性技術(shù)、軟 件工程及人工智能為基礎(chǔ)的高新技術(shù)。 為了發(fā)展汽輪機(jī)組的故障診斷技術(shù)， 我們 還必須研究如下相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)：(1) 專家系統(tǒng)開發(fā)工具的研究與開發(fā)

18、。 利用專家系統(tǒng)開發(fā)工具，可大大縮短 專家系統(tǒng)的開發(fā)周期， 節(jié)約大量的時間和資金。 現(xiàn)在，國外診斷系統(tǒng)的開發(fā)基本 上都已采用專家系統(tǒng)工具。但是，這方面的工作在國內(nèi)還處于空白狀態(tài)。(2) 人工智能理論的研究。 未來的診斷系統(tǒng)，都是具有智能的。人工智能理 論研究所取得的新成果應(yīng)用于故障診斷系統(tǒng)后， 將使診斷系統(tǒng)的智能化程度大大 提高，從而大大提高診斷的自主性。為了提高故障診斷系統(tǒng)的實用性、可靠性、 靈活性和自主性，加強(qiáng)人工智能基礎(chǔ)理論 ( 如知識獲取、知識表示、知識處理、 機(jī)器學(xué)習(xí)、推理技術(shù) ) 的研究是很有必要的。(3) 傳感技術(shù)的研究。 目前，故障診斷系統(tǒng)所用的傳感器都是常規(guī)的傳感器， 檢測診

19、斷對象的動態(tài)信號主要有振動、 溫度、壓力、流量、噪聲、應(yīng)力和位移等。 各種新型傳感器 (如光學(xué)傳感器、光纖傳感器、化學(xué)傳感器等 )的應(yīng)用，特別是各 種多功能集成式傳感器和智能化傳感器的應(yīng)用， 將大大提高診斷對象狀態(tài)信息的 識辨力，提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確率。第二節(jié) 設(shè)備故障診斷技術(shù)產(chǎn)生的影響設(shè)備診斷技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了如下幾個方面的變化。一、促進(jìn)了設(shè)備維修方式的變化從 20 世紀(jì) 70 年代以來，由于設(shè)備診斷技術(shù)的出現(xiàn)和迅速推廣應(yīng)用， 促使設(shè) 備的維修體制開始進(jìn)入了一種新的方式狀態(tài)維修方式。 從工業(yè)化大生產(chǎn)出現(xiàn) 至今，設(shè)備維修大致經(jīng)歷了下列三種方式：(1) 事后維修 (Breakdown Mainte

20、nance) ；(2) 預(yù)防維修 (Preventive Maintenance) ；(3) 預(yù)知維修或狀態(tài)維修 (Condition Maintenance 0r Predictive Maintenance) 。到 19 世紀(jì)，由于蒸汽機(jī)和電動機(jī)的出現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)完成了手工作坊到大機(jī) 器的工業(yè)革命。但是，由于當(dāng)時生產(chǎn)規(guī)模不是很大，機(jī)器設(shè)備比較簡單，技術(shù)水 平也比較低， 所以設(shè)備利用率和設(shè)備的維修費用不是突出問題， 并不引起人們的 注意，對設(shè)備的故障也缺乏認(rèn)識， 設(shè)備管理意識比較淡薄 只是在壞了以后再進(jìn) 行修理。這種維修方式叫事后維修， 是最早出現(xiàn)的維修方式。 隨著社會化大生產(chǎn) 的發(fā)展，出現(xiàn)了流

21、水線生產(chǎn)方式和流程生產(chǎn)工藝， 采用的機(jī)器設(shè)備中技術(shù)的先進(jìn) 性和復(fù)雜程度有了很大提高， 機(jī)器運行節(jié)奏加快， 設(shè)備故障對生產(chǎn)的影響顯著增 加。為了防止事故發(fā)生，維修部門預(yù)先制定計劃，定期進(jìn)行檢修和更換零部件， 這種維修方式叫定期維修或稱預(yù)防維修。計算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展， 促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展， 生產(chǎn) 裝備、航空航天裝備越來越先進(jìn)和復(fù)雜， 沒有故障監(jiān)測和診斷的先進(jìn)手段， 就很 難預(yù)防各種隨機(jī)因素引起的故障， 也很難避免產(chǎn)生過剩維修。 美國開始從可靠性 工程研究人手。通過應(yīng)用概率統(tǒng)計方法定量地監(jiān)測機(jī)器零部件的可靠度和故障 率，來確定機(jī)器的維修方式。 這種方法提高了設(shè)備運行的可靠性， 減

22、少了不必要 的過剩維修，降低了維修成本，取得了良好的效果。在此基礎(chǔ)上，一些發(fā)達(dá)的工 業(yè)國家將新的故障診斷技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備的管理和維修， 根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故 障診斷預(yù)知設(shè)備狀態(tài)，確定設(shè)備維修工作的內(nèi)容和時間，制定維修方案，這種 維修方式叫狀態(tài)維修或稱預(yù)知維修。二、提高設(shè)備運行的可靠性，延長設(shè)備的壽命所有設(shè)備在整個服役期限內(nèi)， 故障發(fā)生的次數(shù)和使用時間是有規(guī)律的， 雖然 對每一臺設(shè)備來說， 出現(xiàn)故障的次數(shù)和使用壽命各不相同， 但其發(fā)展規(guī)律都是一 致的，這個發(fā)展規(guī)律就是著名的“浴盆”曲線。當(dāng)設(shè)備進(jìn)入劣化期后， 故障就會逐漸增加。 設(shè)備劣化度的變化可通過其狀態(tài) 信息反映出來。 如果使用故障診斷技術(shù)對

23、設(shè)備實施在線狀態(tài)監(jiān)測和診斷， 就能動 態(tài)地監(jiān)視設(shè)備劣化程度的變化， 診斷出早期故障 并預(yù)測故障的發(fā)展趨勢， 確定 合理的維修措施，避免設(shè)備的永久失效和重大設(shè)備事故的發(fā)生。這不但能提高 設(shè)備運行的可靠性，減少設(shè)備故障的停機(jī)時間，而且還可以延長設(shè)備壽命。三、帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益 故障診斷技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用， 改變了維修方式， 由于了解和掌握了設(shè)備運行的 狀態(tài)，減少了突發(fā)性的事故停機(jī)，減少了過剩維修，降低了維修費用，提高了設(shè)備的可用率，其經(jīng)濟(jì)效益是顯著的。例如，美國一公司的統(tǒng)計資料表明，該公司 在應(yīng)用了故障診斷技術(shù)后，每年可節(jié)約設(shè)備維修費用 22一 30，與振動有關(guān) 的故障減少 62，主要設(shè)備的大修周

24、期從 3 年延長到 78 年。又據(jù)美國 Pekrul 發(fā)電廠的統(tǒng)計分析， 該廠在采用了故障診斷技術(shù)后， 獲得了顯著的經(jīng)擠效益， 診 斷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益系數(shù) （ 因采用診斷技術(shù)而節(jié)約的費用與診斷成本之比） 達(dá)到36，詳見表 11。由此可知，設(shè)備診斷技術(shù)帶來的經(jīng)濟(jì)效益是非?？捎^的。表 1-1 美國 Pekrul 發(fā)電廠故障診斷的經(jīng)濟(jì)效益分析第三節(jié) 汽輪機(jī)組故障診斷技術(shù)的特點汽輪機(jī)組故障診斷技術(shù)是設(shè)備診斷技術(shù)的一部分。 作為機(jī)械設(shè)備的一種， 其 診斷技術(shù)與一般設(shè)備的故障診斷技術(shù)具有某些共同之處。 但是，由于汽輪機(jī)組的 結(jié)構(gòu)、原理和工作環(huán)境的特殊性， 決定了其診斷方法和采用的檢測技術(shù)與其他設(shè) 備的診斷有

25、所不同。一、涉及較多的知識領(lǐng)域汽輪機(jī)組的功能是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。 為了實現(xiàn)能量轉(zhuǎn) 換，汽輪機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上必須有固定部分和旋轉(zhuǎn)部分。 其中， 固定部分實現(xiàn)對高 溫高壓蒸汽的膨脹加速， 將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為蒸汽的動能； 轉(zhuǎn)動部分實現(xiàn)將蒸汽 的動能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。 而轉(zhuǎn)動部分通常與轉(zhuǎn)軸一起支承在汽缸上或基 礎(chǔ)上。為了使汽輪機(jī)輸出的機(jī)械功率與發(fā)電機(jī)應(yīng)發(fā)出的電功率平衡， 汽輪機(jī)安裝了 先進(jìn)的控制系統(tǒng)； 為了確保機(jī)組運行的安全性， 汽輪機(jī)還安裝了保護(hù)系統(tǒng)； 為了 提高熱力循環(huán)的熱效率， 機(jī)組配置了回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)和凝汽系統(tǒng)。 另外，汽輪機(jī)的 轉(zhuǎn)軸與發(fā)電量的轉(zhuǎn)軸直接相連， 在運行過程中，

26、 汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)相互作用、 相互 影響。所以，汽輪機(jī)組在運行過程中出現(xiàn)的故障， 將會涉及上述各個獨立的系統(tǒng)， 因而汽輪機(jī)組的診斷比一般設(shè)備診斷涉及的技術(shù)領(lǐng)域要廣一些。 汽輪機(jī)組診斷涉 及的知識領(lǐng)域有轉(zhuǎn)子動力學(xué)、熱力學(xué)和傳熱學(xué)、機(jī)械故障診斷學(xué)、知識工程學(xué)、 信息工程學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、控制理論與控制工程、材料工程學(xué)等。二、故障征兆的提取比較困難 汽輪機(jī)組在故障診斷過程中，要提取的故障征兆較多。主要包括瞬時值型征 兆、變化率型征兆、 圖形征兆、集成型征兆、 開關(guān)型征兆、頻譜型征兆等。 其中， 有些征兆可以用常規(guī)的檢測和分析手段來提取， 而有些征兆目前尚無可靠的手段 來提取。三、故障征兆與故障之間映射關(guān)

27、系復(fù)雜汽輪機(jī)組的故障與故障征兆之間的映射關(guān)系很復(fù)雜。 首先，汽輪機(jī)組的任何 一個故障都對應(yīng)有多個故障征兆， 在故障演變過程的不同階段， 各個征兆的明顯 程度是不一樣的；其次，一個故障征兆可能對應(yīng)了多個故障；再次，由于汽輪機(jī) 組是一個復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)， 子系統(tǒng)之間相互耦合、 相互作用， 這就決定了汽輪機(jī) 組可能同時發(fā)生多個故障。 這樣一來，使得故障與故障征兆之間的映射關(guān)系更加 錯綜復(fù)雜。四、故障演變過程的漸變性和突發(fā)性在汽輪機(jī)組的常見故障中， 有些故障的演變過程是漸進(jìn)性的。 這些漸進(jìn)性的 故障在發(fā)生和發(fā)展過程中所表現(xiàn)出來的若干征兆可以用相應(yīng)的檢測儀器檢測出 來。不過，在故障演變的不同階段。這些征兆

28、的表現(xiàn)有強(qiáng)弱之分。但是，有些故 障是突發(fā)性的， 這些故障在發(fā)生之前沒有任何 “先兆”，或者說，即使有“先兆”， 現(xiàn)有的檢測儀器也難以檢測出來。 要想對這些突發(fā)性故障進(jìn)行在線實時診斷， 目 前有較大的難度。第四節(jié)汽輪機(jī)組故障診斷的目的、任務(wù)和方法一、汽輪機(jī)組故障診斷的目的 隨著汽輪機(jī)組朝著高參數(shù)、大容量、高自動化方向發(fā)展，系統(tǒng)越來越復(fù)雜， 設(shè)備出現(xiàn)故障的可能性越來越大， 故障的危害性也越來越大。近幾十年來，國 內(nèi)外已發(fā)生多起汽輪發(fā)電機(jī)組整機(jī)毀壞事故， 因設(shè)備故障而導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失和 人員傷亡的事件時有發(fā)生。因此， 保證汽輪機(jī)組的安全運行是十分重要的 。汽輪機(jī)組運行的安全性和可靠性取決于兩個方面：

29、 一是設(shè)備設(shè)計與制造的各項技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)； 二是設(shè)備安裝、 運行、管理、維修和診斷措施的實施。 其中，監(jiān)測和診斷是確保汽輪機(jī)組安全運行的重要手段。 汽輪機(jī)組故障診斷的目的是 ：(1) 及時地、正確地對各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷， 預(yù)防或消除故障， 對設(shè)備的運行進(jìn)行必要的指導(dǎo)， 提高設(shè)備的可靠性、 安全性和有效性， 從而將故 障損失降低到最低水平。(2) 保證機(jī)組發(fā)揮最大的設(shè)計能力，制定合理的維修制度，以便在允許的條 件下充分挖掘設(shè)備潛力，延長服役期限和使用壽命， 降低設(shè)備全壽命的周期費用。(3) 預(yù)報機(jī)組潛在的故障，避免經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡事故。二、汽輪機(jī)組故障診斷的任務(wù) 汽輪機(jī)組故障診斷的

30、任務(wù)是： 監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)， 對設(shè)備的狀態(tài)作出準(zhǔn)確的 評價；預(yù)測和診斷設(shè)備的故障并提出消除故障的技術(shù)措施； 指導(dǎo)設(shè)備的管理 和維修。1 機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測 狀態(tài)監(jiān)測是診斷系統(tǒng)最基本的任務(wù)。 狀態(tài)監(jiān)測的目的是了解和掌握設(shè)備的運 行狀態(tài)，包括采用各種檢測、測量、監(jiān)視、分析和判斷方法，向用戶及時報告設(shè) 備當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)，并對設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行顯示和記錄， 對異常狀態(tài)作出報警。2 機(jī)組的狀態(tài)評價所謂狀態(tài)評價， 就是根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)， 結(jié)合其歷史狀態(tài)， 考慮到設(shè) 備當(dāng)前所處的環(huán)境因素， 對設(shè)備當(dāng)前所處的狀態(tài)進(jìn)行評判， 向用戶提供設(shè)備整體 劣化情況的信息。狀態(tài)評價對指導(dǎo)設(shè)備的運行和維護(hù)具有重要的意義。 眾

31、所周知， 對一個復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)而言， 其中的一個子系統(tǒng) ( 或一個機(jī)件 )出現(xiàn)故障， 不等于 說整個機(jī)械系統(tǒng)的壽命已終結(jié)； 反之，沒有一個子系統(tǒng) ( 或沒有一個機(jī)件 ) 出現(xiàn)故 障，不等于說整個機(jī)械系統(tǒng)就處于良好狀態(tài)，不需要維修。所以，狀態(tài)評價為設(shè) 備的運行和制定維修計劃提供了重要依據(jù)。3 機(jī)組的故障診斷 故障診斷的任務(wù)是根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測所獲得的信息，結(jié)合已知的結(jié)構(gòu)特性和參 數(shù)、環(huán)境條件和設(shè)備的運行歷史 ( 包括運行記錄和曾發(fā)生過的故障及維修記錄 等) ，對設(shè)備可能發(fā)生的或已發(fā)生的故障進(jìn)行分析、判斷，確定故障的性質(zhì)、類 別、程度、原因和部位。4 機(jī)組的狀態(tài)趨勢預(yù)報 狀態(tài)和故障趨勢預(yù)報的任務(wù)就是利用設(shè)備狀態(tài)和故障的變化規(guī)律， 結(jié)合設(shè)備 當(dāng)前的環(huán)境條件， 對設(shè)備的狀態(tài)劣化趨勢進(jìn)行預(yù)報， 或?qū)σ寻l(fā)生的故障的發(fā)展趨 勢及其后果進(jìn)行預(yù)報。5 機(jī)組運行和維修指導(dǎo) 對機(jī)組實施狀態(tài)監(jiān)測、 狀態(tài)評價、故障診斷和趨勢預(yù)報的最終目的就是指導(dǎo) 機(jī)組的運行和維護(hù)。 所謂運行指導(dǎo)， 就是根據(jù)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)， 給用戶提供設(shè)備 的最優(yōu)運行方式， 以減緩設(shè)