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摘 要：状态检修是当前检修工作发展的趋势，状态检修已在汽轮机检修中得到了一定程度上的应用。分析了状态检修的原理，阐述了状态检修的组成结构，提出了汽轮机状态监测的常用技术。
关键词：汽轮机检修 状态检修 专家系统 应用
中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1007—3973（2012）009—026—02
随着我国经济的快速发展及电力改革的深入进行，火力发电厂为了适应当前竞价上网的形势和要求，必须提高设备的使用率及寿命，因此，火电厂设备的检修工作就显得非常重要。作为火电厂的主要设备之一，汽轮机的检修正从传统的定期检修及故障检修向状态检修过渡，本文分析了状态检修在汽轮机检修中的应用。
1 状态检修原理分析
在火电厂内，大部分的设备在发生故障前期都有所征兆来反应，比如故障发生前都会出现一些不同的特征信号量，比如是汽轮机的某个部件发生损坏，就可能在部件故障发生前产生异常的噪声和振动声；如果某处轴承出现损坏，则轴承在损坏前会出现异常的振动或者油温升高等故障信号。从正常状态到故障状态，设备状态发展都是一个动态过程，因此，我们可以通过对这些信号的监测来及时发现故障的部位及故障的性质，并对变化规律有针对性的采取有效的措施进行预防，这是实施状态检修的基础。
通过以上分析我们可以达到如下结论：对汽轮机进行状态监测是汽轮机状态检修的前提，状态监测主要对当前状态与正常运行时的状态进行对比，及时发现系统中的薄弱环节，汽轮机的状态检修与一般意义的故障维修和固定时间维修相比，具备以下优势：（1）经济上节约了故障维修和定期维修费用；（2）增加了相关设备的使用效率及寿命；（3）发电可靠性得到了最大限度地保证；（4）减小了检修成本和风险。
2 状态检修的组成结构
基于信息共享和信息开放的原则，利用在线监测技术构成了状态检修系统，通过分析诊断模块对设备运行状态进行了判断，根据预先设定好的设备的检修任务和设别状态可以完成对设备的超前性检修。所以，状态检修一般包含状态检测系统、故障诊断系统和状态监测系统等。
2.1 状态监测
状态监测包含对设备信号传输和数据收集的监测，所收集的数据由离线数据以及在线数据组成，作为仅次于锅炉的火电厂第二故障多发群，汽轮机及其辅助系统的监测技术及手段已经非常成熟，对于振动信号的获取也非常完善，国内已实现了大型机械的状态监测并将其成功应用于实际生产中。相关科研机构已经开发出了大型的汽轮机振动监测及故障诊断系统，能量损耗管理系统及故障诊断系统等。
2.2 状态信息分析处理系统
信息处理系统的主要作用是处理监测系统所提供的数据，对设备的状态进行分析，提取设备的故障状态。通常的分析方法包括时域分析法、传递函数特性分析法及频域分析法等，同时也采用小波变换及傅里叶变换等多种方法对信号进行处理，经过处理后的信号可以综合显示波形的形状可以直观的表征设备运行状态，技术运行人员可以方便的提取识别。
2.3 设备故障诊断专家系统
安装了状态监测系统的设备，工作人员可以实现对设备的整体状态了解和掌握，通过建立准确可靠的专家诊断系统，实现了对所诊断故障信息的处理，通过对设备运行状态的诊断提取了能够反映其状态变化的征兆量，并实现了对信息的综合处理及判断，确定了可能发生故障的原因、位置及性质，对检修工作形成了指导性意见。一般情况下，专家系统是由推理机、专家知识库及实时动态的数据库所构成的。专家系统根据对实时动态数据库中数据的分析结果来诊断故障，通过专家知识库来分析设备故障情况，以完成对设备状态的全面分析和诊断。采用网络化的诊断技术和相应的软件设计技术实现远程的设备诊断。
3 电站汽机状态监测一般技术
3.1 汽轮机振动的监测
通常设备出现故障其振动幅度会有明显的变化，所以，振动信号蕴含的汽轮机状态信息是很多的，当机组运行情况有变化时其振动时发出的信号同样相应地改变，机组故障的诊断可以利用机组诊断进行监测，相应的结合一定的数学手段也可以有效的分析所监测到的设备状态，达到对设备故障信息充分提取的目的。同时作为一项很成熟的技术，振动监测和分析能够实现较为全面的幅值和相位监测，进而能够有效地诊断振动的原因同时进行一定的事故防范。
3.2 油液污染的监测
油液状态检测是汽轮机运行过程中的一个重要参考标准，检测油液的变化及其所携带的颗粒状物质可以对汽轮机故障进行有效的识别。油液汽轮机中各种设备中油液都会因为磨损和外界的混入而产生污染，被污染的油液携带了大量的信息量，根据这些信息可以判断油液元素的成分及尺寸，进而判别相关机械设备的故障。
3.3 叶片应力监测
叶片故障作为造成汽轮机非计划停电的主要影响因素，应加强对叶片故障的处理，国外已经成功研制了许多评估叶片寿命的软件，实现了基于叶片实时数据分析叶片动力学特性的方案。根据热弹性力学等基础力学研究，对汽轮机发电机转子断裂的应力评估可以完成各种工况时温度和转子应力分布的计算，所以可以指导机组启机和增负荷，与此同时转子的寿命也可以被计算出来。
3.4 机组整体状态监测
对汽轮机的整体状态监测的主要为了达到汽轮机性能的全面监测，达到全面了解汽轮机运行状态的目的，所以可以掌握运行费用波动的规律，提高汽机运行的经济性。此外，汽轮机性能的波动在某种意义上也能反映汽轮机整体的健康程度，利用性能监测和故障诊断能够及时发现汽轮机部分故障，同时通过对汽轮机状态的把握还能够实现汽轮机的经济运行，减小运行中的损失，达到最优化的目的。
4 基于可靠性的汽轮机状态检修
4.1 基于统计分析理论的设备寿命分析
因为产品失效的发生是随机的，因此其寿命也是随机变化的，如果用T表示产品的寿命，而t1，t2，…，tn则是T的一组观测值，通过统计分析理论就可以确定T的分布参数和分布类型。f（t）为产品在寿命T中分布的概率密度函数，所以得出产品的可靠性函数为R（t）、失效性函数为 （t）和平均故障的工作时间MTBF的计算公式为： 4.2 基于可靠性理论的威布尔分析
若f（t）服从两参数的威布尔分布时，则f（t）、R（t）、（t）和MTBF的计算公式分别可以表示为：
式中，表示设备尺度参数，m表示设备形状参数。用形状参数m可以确定汽轮机部件的失效类型。即：当m<1时，失效率为递减型，是早期失效问题。当m=1时，失效率为恒定型，是偶然失效问题。当m>1时，失效率为递增型，是耗损失效问题。
4.3 实例分析
存在轴承振动低频分量是发电机轴承油膜发生振荡的必要条件，所以将轴承的垂直振幅当做轴承油膜振动监测的特征量，并从该特征信号中提取相应的低频分量作为故障的预兆。设故障的判据界限值A0为一个常数，且A0=0.8m，故障判据为A>A0，A服从正态分布。根据统计学的理论确定A的均值和标准差，假设轴承油膜的振荡故障概率的FA分布为：
式中 。
案例1：某汽轮机的发电机轴承中低频分量的统计数据如表1所示，轴承a在导致电站的运行中没有发生过油膜振荡现象，轴承b在运行过程中发生了多次油膜振荡现象，故障的振荡结果同实际情况是基本符合的。
案例2：某型号汽轮机第13级叶片，叶片高132mm，8台机组的该级动叶片在运行过程中发生了10次叶片的故障。10个叶片寿命的数据从小到大的排序分别为：8677，11193，12098，12626，15375，17284，21374，23400，29576，52375。对该级叶片的寿命数据进行分别检验，证实这11个寿命数服从威布尔分布计算，得到=2363，m=1.7843，MTBF=19916h。m>1与实际该级叶片B0型共振引起的疲劳耗损失效的原因一致。
5 结论
相对应于传统周期性的检修与故障检修来说，状态检修具有的优点很明显，即提高汽轮机机组运行可靠性、降低检修成本等，这几个优点体现出显著的经济效益和社会效益。并且随着传感器技术、电脑网络技术、神经网络技术以及信号处理技术等的发展，故障诊断技术和专家诊断技术不断成熟，这些都有利于检修体制的进步和发展。今后应大力发展汽轮机状态监测技术，实现汽轮机的状态检修，给汽轮机设备检修提供高效智能的决策环境。另外状态检修同时也是一项非常具有挑战性的任务，对汽轮机的状态监测和故障诊断是一个长期的过程，专家系统现场经验的积累也是一个非常漫长的过程，所以需要在充分总结汽轮机运行和维修管理经验的基础上，统一进行规划，分阶段实施。本着“经济、实用、可靠”的原则，积极应用在线监测技术，不失时机地开展适合国情、厂情的状态检修工作。
参考文献：
[1] 黄雅罗，黄树红，彭忠泽.发电设备状态检修[M].北京：中国电力出版社，2000.
[2] 郑杰.水电机组的状态监测及状态检修[J].水利科技，2001（3）：61—62.
[3] 李录平.汽轮机组故障诊断技术[M].北京：中国电力出版社，2001.
关键词：汽轮机检修 状态检修 专家系统 应用
中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1007—3973（2012）009—026—02
随着我国经济的快速发展及电力改革的深入进行，火力发电厂为了适应当前竞价上网的形势和要求，必须提高设备的使用率及寿命，因此，火电厂设备的检修工作就显得非常重要。作为火电厂的主要设备之一，汽轮机的检修正从传统的定期检修及故障检修向状态检修过渡，本文分析了状态检修在汽轮机检修中的应用。
1 状态检修原理分析
在火电厂内，大部分的设备在发生故障前期都有所征兆来反应，比如故障发生前都会出现一些不同的特征信号量，比如是汽轮机的某个部件发生损坏，就可能在部件故障发生前产生异常的噪声和振动声；如果某处轴承出现损坏，则轴承在损坏前会出现异常的振动或者油温升高等故障信号。从正常状态到故障状态，设备状态发展都是一个动态过程，因此，我们可以通过对这些信号的监测来及时发现故障的部位及故障的性质，并对变化规律有针对性的采取有效的措施进行预防，这是实施状态检修的基础。
通过以上分析我们可以达到如下结论：对汽轮机进行状态监测是汽轮机状态检修的前提，状态监测主要对当前状态与正常运行时的状态进行对比，及时发现系统中的薄弱环节，汽轮机的状态检修与一般意义的故障维修和固定时间维修相比，具备以下优势：（1）经济上节约了故障维修和定期维修费用；（2）增加了相关设备的使用效率及寿命；（3）发电可靠性得到了最大限度地保证；（4）减小了检修成本和风险。
2 状态检修的组成结构
基于信息共享和信息开放的原则，利用在线监测技术构成了状态检修系统，通过分析诊断模块对设备运行状态进行了判断，根据预先设定好的设备的检修任务和设别状态可以完成对设备的超前性检修。所以，状态检修一般包含状态检测系统、故障诊断系统和状态监测系统等。
2.1 状态监测
状态监测包含对设备信号传输和数据收集的监测，所收集的数据由离线数据以及在线数据组成，作为仅次于锅炉的火电厂第二故障多发群，汽轮机及其辅助系统的监测技术及手段已经非常成熟，对于振动信号的获取也非常完善，国内已实现了大型机械的状态监测并将其成功应用于实际生产中。相关科研机构已经开发出了大型的汽轮机振动监测及故障诊断系统，能量损耗管理系统及故障诊断系统等。
2.2 状态信息分析处理系统
信息处理系统的主要作用是处理监测系统所提供的数据，对设备的状态进行分析，提取设备的故障状态。通常的分析方法包括时域分析法、传递函数特性分析法及频域分析法等，同时也采用小波变换及傅里叶变换等多种方法对信号进行处理，经过处理后的信号可以综合显示波形的形状可以直观的表征设备运行状态，技术运行人员可以方便的提取识别。
2.3 设备故障诊断专家系统
安装了状态监测系统的设备，工作人员可以实现对设备的整体状态了解和掌握，通过建立准确可靠的专家诊断系统，实现了对所诊断故障信息的处理，通过对设备运行状态的诊断提取了能够反映其状态变化的征兆量，并实现了对信息的综合处理及判断，确定了可能发生故障的原因、位置及性质，对检修工作形成了指导性意见。一般情况下，专家系统是由推理机、专家知识库及实时动态的数据库所构成的。专家系统根据对实时动态数据库中数据的分析结果来诊断故障，通过专家知识库来分析设备故障情况，以完成对设备状态的全面分析和诊断。采用网络化的诊断技术和相应的软件设计技术实现远程的设备诊断。
3 电站汽机状态监测一般技术
3.1 汽轮机振动的监测
通常设备出现故障其振动幅度会有明显的变化，所以，振动信号蕴含的汽轮机状态信息是很多的，当机组运行情况有变化时其振动时发出的信号同样相应地改变，机组故障的诊断可以利用机组诊断进行监测，相应的结合一定的数学手段也可以有效的分析所监测到的设备状态，达到对设备故障信息充分提取的目的。同时作为一项很成熟的技术，振动监测和分析能够实现较为全面的幅值和相位监测，进而能够有效地诊断振动的原因同时进行一定的事故防范。
3.2 油液污染的监测
油液状态检测是汽轮机运行过程中的一个重要参考标准，检测油液的变化及其所携带的颗粒状物质可以对汽轮机故障进行有效的识别。油液汽轮机中各种设备中油液都会因为磨损和外界的混入而产生污染，被污染的油液携带了大量的信息量，根据这些信息可以判断油液元素的成分及尺寸，进而判别相关机械设备的故障。
3.3 叶片应力监测
叶片故障作为造成汽轮机非计划停电的主要影响因素，应加强对叶片故障的处理，国外已经成功研制了许多评估叶片寿命的软件，实现了基于叶片实时数据分析叶片动力学特性的方案。根据热弹性力学等基础力学研究，对汽轮机发电机转子断裂的应力评估可以完成各种工况时温度和转子应力分布的计算，所以可以指导机组启机和增负荷，与此同时转子的寿命也可以被计算出来。
3.4 机组整体状态监测
对汽轮机的整体状态监测的主要为了达到汽轮机性能的全面监测，达到全面了解汽轮机运行状态的目的，所以可以掌握运行费用波动的规律，提高汽机运行的经济性。此外，汽轮机性能的波动在某种意义上也能反映汽轮机整体的健康程度，利用性能监测和故障诊断能够及时发现汽轮机部分故障，同时通过对汽轮机状态的把握还能够实现汽轮机的经济运行，减小运行中的损失，达到最优化的目的。
4 基于可靠性的汽轮机状态检修
4.1 基于统计分析理论的设备寿命分析
因为产品失效的发生是随机的，因此其寿命也是随机变化的，如果用T表示产品的寿命，而t1，t2，…，tn则是T的一组观测值，通过统计分析理论就可以确定T的分布参数和分布类型。f（t）为产品在寿命T中分布的概率密度函数，所以得出产品的可靠性函数为R（t）、失效性函数为 （t）和平均故障的工作时间MTBF的计算公式为： 4.2 基于可靠性理论的威布尔分析
若f（t）服从两参数的威布尔分布时，则f（t）、R（t）、（t）和MTBF的计算公式分别可以表示为：
式中，表示设备尺度参数，m表示设备形状参数。用形状参数m可以确定汽轮机部件的失效类型。即：当m<1时，失效率为递减型，是早期失效问题。当m=1时，失效率为恒定型，是偶然失效问题。当m>1时，失效率为递增型，是耗损失效问题。
4.3 实例分析
存在轴承振动低频分量是发电机轴承油膜发生振荡的必要条件，所以将轴承的垂直振幅当做轴承油膜振动监测的特征量，并从该特征信号中提取相应的低频分量作为故障的预兆。设故障的判据界限值A0为一个常数，且A0=0.8m，故障判据为A>A0，A服从正态分布。根据统计学的理论确定A的均值和标准差，假设轴承油膜的振荡故障概率的FA分布为：
式中 。
案例1：某汽轮机的发电机轴承中低频分量的统计数据如表1所示，轴承a在导致电站的运行中没有发生过油膜振荡现象，轴承b在运行过程中发生了多次油膜振荡现象，故障的振荡结果同实际情况是基本符合的。
案例2：某型号汽轮机第13级叶片，叶片高132mm，8台机组的该级动叶片在运行过程中发生了10次叶片的故障。10个叶片寿命的数据从小到大的排序分别为：8677，11193，12098，12626，15375，17284，21374，23400，29576，52375。对该级叶片的寿命数据进行分别检验，证实这11个寿命数服从威布尔分布计算，得到=2363，m=1.7843，MTBF=19916h。m>1与实际该级叶片B0型共振引起的疲劳耗损失效的原因一致。
5 结论
相对应于传统周期性的检修与故障检修来说，状态检修具有的优点很明显，即提高汽轮机机组运行可靠性、降低检修成本等，这几个优点体现出显著的经济效益和社会效益。并且随着传感器技术、电脑网络技术、神经网络技术以及信号处理技术等的发展，故障诊断技术和专家诊断技术不断成熟，这些都有利于检修体制的进步和发展。今后应大力发展汽轮机状态监测技术，实现汽轮机的状态检修，给汽轮机设备检修提供高效智能的决策环境。另外状态检修同时也是一项非常具有挑战性的任务，对汽轮机的状态监测和故障诊断是一个长期的过程，专家系统现场经验的积累也是一个非常漫长的过程，所以需要在充分总结汽轮机运行和维修管理经验的基础上，统一进行规划，分阶段实施。本着“经济、实用、可靠”的原则，积极应用在线监测技术，不失时机地开展适合国情、厂情的状态检修工作。
参考文献：
[1] 黄雅罗，黄树红，彭忠泽.发电设备状态检修[M].北京：中国电力出版社，2000.
[2] 郑杰.水电机组的状态监测及状态检修[J].水利科技，2001（3）：61—62.
[3] 李录平.汽轮机组故障诊断技术[M].北京：中国电力出版社，2001.