汽轮机调节级动叶栅结构性故障分析与诊断

朱 宝，周仁米，顾伟飞，董益华

（浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310003）

汽轮机调节级动叶栅结构性故障分析与诊断

朱 宝，周仁米，顾伟飞，董益华

（浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310003）

准确预测汽轮机通流故障能大幅提高汽轮机运行的安全性。对某600 MW汽轮机调节级动叶栅结构性故障过程中的热力参数、轴系参数、调节级轴向推力进行了详细的分析和计算。在此基础上，提出了诊断调节级动叶结构性故障的方法以及应对措施，可减轻此类故障下汽轮机设备的损坏程度。

汽轮机；调节级 ；动叶栅；通流故障

0 引言

汽轮机是高速旋转机械，通流部分由于长期运行发生连续性变化，或者由于外力的作用发生急剧的变化。前者会导致机组热耗率上升，经济性下降；后者会导致汽轮机结构性的损坏，严重影响机组的安全运行。机组控制系统如果不能及时识别并做出反应，会使汽轮机及附属设备出现更加严重的二次损坏。目前汽轮机通流故障的主要诊断方法主要是热力参数诊断法和振动诊断法[1-2]。近年来相关学者也提出了一些新的诊断方法[3-5]，董晓峰[6]等人从概率分布的角度出发，优化了通流故障诊断函数和规则，提高了诊断的准确性；Karlsson[7]等人应用人工神经网络对汽轮机通流故障进行识别和故障原因查找。

针对汽轮机调节级动叶部分结构性损坏这类故障，在对故障过程中热力和轴系参数实测数据分析的基础上，提出了该类故障的诊断方法和应对措施。

1 调节级动叶栅故障现象

某国产600 MW机组汽轮机调节级后温度测量元件由于长期受到高速汽流的吹蚀作用发生脱落，脱落的元件和高速旋转调节级动叶发生撞击，导致汽轮机调节级动叶部分出现结构性损坏，如图1所示。损坏前后动叶流道发生了剧烈的变化，如图2所示。

图1 调节级动叶栅结构性损坏

机组DCS（分散控制系统）详细记录这次通流事故发生过程中热力和轴系参数的变化趋势。由于本次事故中机组控制系统未能有效识别，导致事故损失进一步扩大，汽轮机的相关附属设备也受到不同程度的损坏。

图2 动叶流道变化示意

2 调节级动叶栅结构性故障过程分析

2.1 热力参数变化趋势

汽轮机调节级动叶栅结构性故障过程中的机组实际负荷、机组负荷需求值、调节级压力、主汽压力、主汽调节阀开度如图3，4所示。

图3 负荷、阀位变化趋势

图4 主蒸汽、调节级压力变化趋势

从图3，4中可得出，在故障过程中，由于动叶流道突然变小，调节级流量相应减小，导致调节级压力在10 s内减小了0.151 MPa。机组负荷也以14.9 MW/min的速率下降。主蒸汽压力也呈现上升的趋势。

从图4中还可得出：在故障过程中，调节阀开度在50 s内增大了14.5%左右，这主要是由于负荷减小和主汽压力增大，机组在滑压控制模式下，控制系统相应增大阀位以将主汽压力和负荷维持在设定值水平，与为减轻事故影响应尽快关闭主汽调节阀刚好相反。

机组再热压力、各抽气口压力在这次通流结构性故障中略有下降，各温度测点的参数基本保持不变。

2.2 轴系参数变化趋势

汽轮机1，2号轴承X，Y方向的振动位移变化趋势如图5所示。

图5 1，2号轴承振动位移变化趋势

从图5中可得出：机组2号轴承X方向的振动位移增大到90 μm左右，1号轴承振动位移没有出现较大变化；1，2号轴承X，Y的振动位移都在正常运行范围内。

汽轮机转子轴向位移和高压缸差胀的变化趋势如图6所示。

图6 转子轴向位移和高压缸胀差变化趋势

从图6中的转子轴向位移和高压缸胀差的变化趋势均可得出：在调节级动叶结构性故障过程中，转子的轴向位移急剧减小。这主要是调节级流道突然变小，调节级流量减小，动叶入口处压力急剧变大，导致沿汽流方向的转子轴向力急剧增大。此外，由于流道急剧变化，导致汽流冲击动叶，也会产生一个冲击力。

2.3 调节级轴向推力的变化趋势

调节级蒸汽流量G可通过式（1）与（2）计算：

式中：An为喷嘴出口截面积；po为调节级入口滞止压力；p1为调节级动叶前压力；vo为调节级入口滞止比热容；k为定熵指数，过热蒸汽取1.3。

在调节级动叶结构性损坏过程中，喷嘴未发生改变，即An没有改变。由式（1）（2）可得出任一时刻的流量Gt与通流部分完好时的流量G0的比值Φ0。

式中：下标t为任一时刻；下标0为通流部分完好时。

由于调节级后的通流部分未发生改变，调节级后的压力和流量成正比，Φ可由式（4）确定：

式中：p2为调节级后压力。

由式（2），（3），（4）可求出调节级动叶结构性故障过程调节级动叶前压力p1。

调节级一般为反动度很小的冲动级，在通流完好时，作用在调节级上的轴向力一般非常小。当动叶栅发生结构性损坏后，调节级动叶前压力p1会上升，调节级反动度会增加，此时会产生一个非常大的轴向力。

作用在调节级动叶上的轴向推力Fz可由式（5）计算：

式中：e为调节级的部分进汽度；dm为调节级的平均直径；lb为动叶高度。

根据调节级动叶结构性损坏过程中的DCS数据，由上述公式计算出的Fz如表1所示。

作用在调节级动叶叶轮上的力也可近似地认为与p1－p2成正比。

通过计算可得出：在调节级通流结构性损坏过程中，转子沿汽流方向的轴向推力会增加很多；调节阀开度的增大会导致作用在调节级上的轴向推力快速上升。

表1 调节级动叶故障前后Fz的比较

3 诊断方法与应对措施

根据以上分析，在调节级动叶结构性损坏这类故障中热力参数和轴系参数主要有2个特征：

（1）在机组负荷需求值没有发生改变时，机组负荷、调节级压力减小，主蒸汽压力和阀位反而增大。

（2）汽轮机转子轴向位移沿汽流方向将突然增大。

机组的运行参数如果同时出现上述2个特征，基本可确定调节级动叶部分发生结构性通流故障。

当检测到这类通流故障，机组控制系统应迅速减小调节阀阀位或直接触发机组MFT（主燃料跳闸）指令，而不是任由汽轮机在原控制方式下开大调节阀，触发轴向位移超过极限值指令而导致机组MFT，这可能会造成更加严重的设备损坏。以本次调节级动叶结构性损坏故障为例，机组出现上述2个故障特征到最后MFT至少有90 s的预警时间。最后，由于转子长时间受到巨大的轴向力，致使油温过高而烧毁推力瓦。

4 结语

在对某600 MW汽轮机调节级动叶结构性故障中的热力参数、轴系参数、轴向推力的变化趋势的分析和计算基础上，提出了诊断这类通流故障的方法。

当调节级动叶结构性故障发生时，机组会出现2个明显的征兆：转子的轴向位移会沿汽流方向快速增大；机组负荷、调节级压力减小，主蒸汽压力和阀位反而会增大。

通过上述征兆可有效识别调节级动叶结构性通流故障。当发生这类通流故障时，机组控制系统可根据诊断结果迅速减小调节阀阀位或直接触发机组MFT指令，这能有效预防更加严重的设备损坏情况发生。

[1]史进渊．汽轮机通流部分故障诊断模型的研究[J]．中国电机工程学报，1997，17（1）∶29-32．

[2]RAY BEEBE.Condition monitoring of steam turbines by performance analysis[J].Journal of Quality in Maintenance Engineering，2003，9（2）∶102-112.

[3]王伟峰，白天.新型RBF网络在汽轮机通流部分故障诊断中的应用[J].热力发电，2011，40（10）∶29-34.

[4]李亮，黄竹青，冯磊华，等.基于加权最小二乘支持向量机改进算法的汽轮机通流部分故障诊断研究[J].汽轮机技术，2012，64（2）∶129-132.

[5]叶军．基于Vague集相似度量的汽轮机故障诊断的研究[J]．中国电机工程学报，2006，26（1）∶16-20．

[6]董晓峰，顾煜炯，杨昆，等.汽轮机通流部分故障诊断方法研究[J]．中国电机工程学报，2010，30（35）∶71-77.

[7]KARLSSON C，ARRIAGADA J，GENRUP M.Detection and interactive isolation of faults in steam turbines to support maintenance decisions[J].Simulation Modeling Practice and Theory，2008，16（10）∶1689-1703.

（本文编辑：陆 莹）

Analysis and Diagnosis on Structural Fault of Steam Turbine Governing Stage Blade Cascade

ZHU Bao，ZHOU Renmi，GU Weifei，DONG Yihua
（Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310003，China）

Operation safety of steam turbine can be improved significantly by accurate forecast of flow path fault.Thermal parameters，shafting parameters and governing stage axial thrust during structural fault of governing stage blade cascade is analyzed and calculated in the paper.On this base，a fault diagnosis method and countermeasures for the structural fault of governing stage blade are proposed to minimize damage of steam turbine in this fault.

steam turbine；governing stage；blade cascade；flow path fault

TK267

B

1007-1881（2015）11-0005-03

2015-09-17

朱 宝（1990），男，从事发电厂热力系统优化工作。