CN109933048A - 汽轮机轴系稳定性评估、风险预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽轮机轴系稳定性监控评估、风险预警系统及方法，增加轴系相关监控测点、重要参数变化速率计算点监控；通过后台监控服务器系统，分析影响汽轮机轴系稳定性及可能导致重大风险的因素，得到关联度高的基本量；将各基本量进行分析，制定汽轮机轴系失稳、风险发生的判断规则；发出超前预警和运行指导建议。本发明提供的汽轮机轴系稳定性诊断方法及风险预警系统，可实现对汽轮机轴系影响参数及变化速率全面、集中监控分析，对振动、瓦温高等轴系失稳故障进行评估，对大轴弯曲、超速等重大风险进行预警，从而提高汽轮机轴系运行可靠性，保证汽轮机安全运行。

Description

汽轮机轴系稳定性评估、风险预警系统及方法

技术领域

本发明涉及汽轮机监测技术领域，具体为一种汽轮机轴系稳定性监测评估、风险预警系统及预警方法。

背景技术

轴系稳定性对汽轮机安全至关重要,一旦失稳轻则造成机组跳闸，严重可导致动静摩擦、大轴弯曲等恶性事故。近年来，因为主油箱油位监视不当、滑销系统卡涩、汽缸进水、轴承振动等原因，国内发生过多起汽轮机断油化瓦、大轴永久性弯曲等事故，造成重大经济损失。

机组在运行工况相对稳定，轴系稳定性较好，发生失稳概率相对较低。在机组启动、停止过程中，由于参数变化大、影响因素多，容易造成轴系稳定性变差，导致重大风险，特别是机组启动工况。目前现有火力发电厂只能通过DCS微机监视汽轮机轴承振动、轴承温度、汽缸轴向位移、胀差、上下缸温差等参数是否超限，超限发出报警。主要存在以下问题：轴系有关监测参数不全，且只监控轴系各参数的上下限，无法监控参数的变化速率，存在监控盲区；对轴系各参数没有进行相关量建模分析，不能对轴系稳定性进行评估；对大轴弯曲等重大风险不能进行分析及超前预警，因此目前的DCS监控系统存在一定的安全隐患。

发明内容

为了解决汽轮机轴系稳定性监控预警等方面的技术缺陷，本发明提供了一种体系完整的汽轮机轴系稳定性监控评估、风险预警系统及方法，实现对汽轮机轴系稳定性参数进行全面监控，并做出准确的分析与预警，保障汽轮机设备的安全运行。

为实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：

一种汽轮机轴系稳定性监控评估及风险预警系统，包括DCS服务器，常规测点、加装测点，监控服务器：常规测点包括轴振、轴承盖振、轴承温度、轴瓦温度、轴向位移、高中低压缸胀差、高中压缸上下缸温差、大轴挠度、高中压缸膨胀、低压缸进汽压力参数；加装测点包括高、中压缸左右膨胀值、垂直膨胀值，高、中、低压轴封回汽温度；常规测点、加装测点均与DCS服务器连接，DCS服务器与监控服务器连接，将采集数据上传至监控服务器。

所述的常规测点还包括中压转子末级叶片压差、高压缸高排逆止门开度、高排通风阀开度。

监控服务器设置有事故经验案例库作为历史数据，采集数据与历史数据一起进入监控服务器进行比对；对影响轴系稳定性的参数进行模化分析，得出评估结论，对轴系重大风险进行提示预警，并进行发布。

其中对所有测点数据进行速率计算，根据变化速率进行预推算，比如正常运转时，各监测参数的变化速率比较稳定或波动较小，当有参数变化异常时，其速率曲线会产生一定的变化趋势，波动幅度超过设定值，则该项参数不正常，提前发现风险并预警。

所述的监控服务器包括工控主机和外设，外设包括显示器、报警器、打印机。

一种汽轮机轴系稳定性监测预警方法，它包括以下步骤：

（1）对影响汽轮机轴系稳定性的设备进行归类整理：轴承（支持轴承、推力轴承）、转子（主油泵转子、高压转子、中压转子、低压转子、发电机转子），汽缸（高、中、低压缸），如果上述设备运行稳定，可以认定轴系是稳定的；上述各设备稳定性分别由轴承振动、轴瓦温度、轴向位移、大轴挠度、高中低压缸胀差、高中压缸膨胀、上下缸温差、低压缸进汽压力参数指标确定，当各项指标正常，可以认定各设备运行稳定，否则认定为不稳定。

（2）对以上设备设置测点进行数据采集，包括轴承振动、轴承温度、轴瓦温度、汽缸轴向位移、轴向胀差、上下缸温差等参数测点的采集，尤其是增加了高、中压缸左右、垂直膨胀值测点，高、中、低压轴封回汽温度测点；由监控服务器对实时连续的采集数据进行速率计算，得出所有测点的变化速率。

（3）将影响轴系稳定性原因及影响因素进行关联性分析，结合有关事故案例对轴系稳定性影响因素关联度分析，筛选出高关联度影响因素并进行相似分析及模化，将相似分析及模化结果转换成轴系失稳的诊断判据，得出评估结论并分析失稳原因，提出优化指导意见。

（4）汽轮机轴系失稳主要有以下风险：机组非计划停运、超速、大轴断裂及损坏、大轴弯曲、轴瓦损坏风险，采用故障树的方法分析各种风险发生的工况、原因及发展预期，实现超前预警，提出操作指导意见。

（5）通过监控服务器输出诊断结果，并发出风险预警，进一步显示调整指导建议。

所述的上述步骤（1）中，影响汽轮机组轴系稳定性因素进行分类，对造成轴系不稳定的原因进行分析。以某超超临界660MW机组为例：

反映轴承稳定性的主要参数包括：推力轴承温度、支持轴承温度、支撑轴承盖振，主要关联的测点数据包括主油箱油位、润滑油温、油压、轴承油膜压力（顶轴油压）、交流润滑油泵电流、调速油泵电流、顶轴油泵电流。

反映转子稳定性的主要参数包括：1-10号轴振、轴向位移、中压缸末级叶片前后压差、低压缸进汽压力，主要关联的测点数据包括高压调速汽门开度、主再热蒸汽压力温度及变化速率、低压缸进汽调节门开度、凝汽器真空、各汽封间隙、各轴承瓦块温度、轴封供汽温度、轴封减温水压力等。

反映汽缸稳定性的主要参数包括：高中低压缸差胀、高中压缸上下缸温差、高压缸膨胀、中压缸膨胀等。主要关联的测点数据包括主再热蒸汽压力温度及变化速率、转子升速率、启动暖机时间、高排温度、高旁后压力、高排压力、高旁减压阀开度、低旁减压阀、高排逆止门开度、高排通风阀开度等。

步骤（3）中，结合历史大数据库的事故经验教训，建立重大风险诊断模型及风险发生工况及原因，如图3所示。

平台服务器端，除了基本的数据采集、显示、控制常用功能外，增设轴系稳定性风险评估及预警指导平台系统，增设一台服务器，通过数据采集器从DCS中取数，通过计算，实现集中监控、稳定性评估、风向预警、优化指导，并通过三维图展示，供运行人员参考。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种火力发电厂汽轮机轴系稳定性的监测评估、风险预警方法及预警系统，采集点设置全面无盲区，对所有测点变化速率进行监控能够及时发现变化趋势；通过对影响轴系稳定性因素进行模化分析、对重大风险进行故障树诊断，能够实现对汽轮机轴系稳定性进行准确评估，对重大风险实现超前预警，提高火力发电厂汽轮机轴系运行可靠性，降低故障率，从而减少因轴系失稳给机组带来的安全性影响。

说明书附图

图1为本发明实施例系统框架示意图；

图2为轴系稳定性故障树评估框图；

图3为轴系风险故障树诊断框图；

图4为本发明方法流程图。

具体实施方式

结合说明书附图及具体实施例详细描述本发明的技术方案。

如图1所示，一种汽轮机轴系稳定性监测预警系统，包括DCS服务器，常规测点、加装测点，监控服务器，监控服务器具备稳定性评估展示，风险预警展示，历史回溯，报警查询功能。

其中所述的DCS服务器以及监控服务器均为常规的带有DSC软件的计算机主机。

常规测点为现有传统DCS服务器模式采集点，包括:轴承振动、轴承温度、汽缸轴向位移、轴向胀差、上下缸温差参数采集点等的采集，常规测点及其采集为现有技术，不再赘述。

加装测点包括：高压缸和中压缸支座（猫爪）横向端面的横向位移测点（共8个），中压缸和高压缸两端机壳垂直纵向膨胀监测测点（共4个），测点采用自恢复式传感器，选型KTR11-25-A2，采用二线制，24VDC 供电，4~20mA 输出，测点分辨率0.02mm，精确度0.002%。在监控服务器端增加工控机，含8 通道电流模拟数据采集卡两块，配置电源插排、数据采集卡和托架，电源过流保护器。电源220VAC、10A。加装后能够全面监控、分析高中压缸膨胀情况，及时发现汽缸跑偏等风险。

加装低压轴封回汽温度测点6个，采用铠装管壁式非防爆K 型热电偶，管道材质为铬钼钢，管径为DN150-350，捆绑式安装，温度范围0～350℃，带温度变送器（或热偶带一体化温变），24VDC 供电，现场配置4~20mA 变送器，二线制，加装后能够监控低压轴封供汽过热度，及时发现轴封供汽凝结冷却风险。

通过数据采集器从DCS服务器中采集轴系有关参数，送入监控服务器，监控服务器除了常规的数据显示等功能外，增加汽轮机轴承振动、轴承温度、胀差、轴向位移等重要参数变化速率计算点，经过计算、分析后进行三维展示，分别展示轴系稳定性评估，针对不同运行工况进行运行监控评估、启动监控评估，建立大数据及事故案例诊断模型，得出轴承振动大、轴瓦温度超限、胀差超限、汽缸膨胀超限等异常相关量综合诊断判据，查找异常原因；列出轴承振动、轴瓦温度、差胀及轴向位移等参数报警及指导建议；进行风险预警展示，主要展示超速风险、大轴断裂损坏风险、大轴弯曲风险、轴瓦损坏风险等并给出指导意见；展示历史回溯，用来选择时间段查询历史数据；展示报警查询，用来查询历史报警数据及曲线。

一种汽轮机轴系稳定性监测预警方法，它包括以下步骤：

（1）对影响汽轮机轴系稳定性的设备进行归类整理：轴承（支持轴承、推力轴承）、转子（主油泵转子、高压转子、中压转子、低压转子、发电机转子），汽缸（高、中、低压缸），如果上述设备运行稳定，可以认定轴系是稳定的；上述各设备稳定性分别由轴承振动、轴瓦温度、轴向位移、大轴挠度、高中低压缸胀差、高中压缸膨胀、上下缸温差、低压缸进汽压力参数指标确定，当各项指标正常，可以认定各设备运行稳定，否则认定为不稳定。

（2）对以上设备设置测点进行数据采集，包括轴承振动、轴承温度、轴瓦温度、汽缸轴向位移、轴向胀差、上下缸温差等参数测点的采集，尤其是增加了高、中压缸左右、垂直膨胀值测点，高、中、低压轴封回汽温度测点；由监控服务器对实时连续的采集数据进行速率计算，得出所有测点的变化速率。

（3）将影响轴系稳定性原因及影响因素进行关联性分析，结合有关事故案例对轴系稳定性影响因素关联度分析，筛选出高关联度影响因素并进行相似分析及模化，将相似分析及模化结果转换成轴系失稳的诊断判据，得出评估结论并分析失稳原因，提出优化指导意见。

（4）汽轮机轴系失稳主要有以下风险：机组非计划停运、超速、大轴断裂及损坏、大轴弯曲、轴瓦损坏风险，采用故障树的方法分析各种风险发生的工况、原因及发展预期，实现超前预警，提出操作指导意见。

（5）通过监控服务器输出诊断结果，并发出风险预警，进一步显示调整指导建议。

所述风险展示包括风险报告、风险提示框、风险标示中至少一种，所述风险标示包括突出显示、字体颜色标示、底纹颜色标示、符号标示、风险标示栏中至少一种，如图3所示风险故障树及其对应的故障原因，比如大轴弯曲风险包括大轴永久性弯曲和大轴弹性弯曲，其中，大轴永久性弯曲的原因为正常运行中高中压缸进水和汽轮机动静部分严重摩擦。

所述的相似分析和模化包括用因次分析法求出故障诊断的相似准则，并根据相似准则得到轴系失稳的判别准则。

典型故障案例：2018年12月6日，十里泉电厂9号机低压轴封供汽温度高报警，系统平台稳定性评估模块发出了“轴承将失稳”结果。12月7日4:06，机组负荷450MW，7号、8号轴承振动逐渐增大，系统平台风险预警模块发出“机组将停机”预警，运行人员未对低压轴封供汽温度进行及时调整。4:24，9号机7号、8号轴承振动上升至250μm，汽轮机ETS保护动作，机组跳闸。

本案例中筛选出高关联度的参数N、T、T/s、T₁、T₁/s、L₁、L₁/s、L₂、L₂/s、P、P/s、P₁、P₁/s、T₂、T₂/s、T₃、T₃/s做分析的基础。其中N为机组负荷，T为低压轴封供汽温度、T/s低压轴封供汽温度变化速率、T₁为低压轴封回汽温度、T₁/s为低压轴封回汽温度变化速率、L₁为7号轴振、L₂为8号轴振、L₁/s为7号轴振变化速率、L₂/s为8号轴振变化速率、P为凝汽器真空、P₁为低压轴封减温水门后压力、T₂为7号轴承瓦温、T₂/s为7号轴承瓦温变化速率、T₃为7号轴承瓦温、T₃/s为7号轴承瓦温变化速率。

通过对上述参数进行筛选分析，找出相关量T、T/s、T₁、T₁/s、L₁、L₁/s、L₂、L₂/s、P₁、P₁/s变化趋势明显，其它参数无明显变化。通过系统模型分析，得出低压轴封减温水门堵塞导致减温水压力急剧下降，低压轴封供汽温度升高，平台系统发出了失稳评估结果；轴封温度长期在高限运行导致低压轴封变形，与低压转子摩擦从而导致7号、8号轴振逐渐增大，平台系统发出了停机风险预警，但由于平台处于测试期，未引起运行人员重视，导致停机事故的发生。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进在不付出创造性劳动前提下也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.汽轮机轴系稳定性评估、风险预警系统，其特征是：包括DCS服务器，常规测点、加装测点，监控服务器：常规测点包括轴振、轴承盖振、轴承温度、轴瓦温度、轴向位移、高中低压缸胀差、高中压缸上下缸温差、大轴挠度、高中压缸膨胀、低压缸进汽压力参数测点；加装测点包括高、中压缸左右膨胀值、垂直膨胀值，高、中、低压轴封回汽温度的测点；常规测点、加装测点均与DCS服务器连接，DCS服务器与监控服务器连接，将采集数据上传至监控服务器。

2.汽轮机轴系稳定性评估、风险预警方法，其特征是：通过对常规测点和加装测点的数据采集，并对数据进行变化速率计算，得出测点数据的变化速率，监控服务器设置有事故经验案例库作为历史大数据，采集数据与历史大数据一起进入监控服务器进行比对；对影响轴系稳定性的参数进行模化分析，得出评估结论，对轴系重大风险进行提示预警，并进行发布。

3.根据权利要求2所述的汽轮机轴系稳定性评估、风险预警方法，其特征是：它包括以下具体步骤：

（1）对影响汽轮机轴系稳定性的设备进行归类整理：轴承（支持轴承、推力轴承）、转子（主油泵转子、高压转子、中压转子、低压转子、发电机转子），汽缸（高、中、低压缸），如果上述设备运行稳定，可以认定轴系是稳定的；上述各设备稳定性分别由轴承振动、轴瓦温度、轴向位移、大轴挠度、高中低压缸胀差、高中压缸膨胀、上下缸温差、低压缸进汽压力参数指标确定，当各项指标正常，可以认定各设备运行稳定，否则认定为不稳定；

（2）对以上设备设置测点进行数据采集，包括轴承振动、轴承温度、轴瓦温度、汽缸轴向位移、轴向胀差、上下缸温差等参数测点的采集，尤其是增加了高、中压缸左右、垂直膨胀值测点，高、中、低压轴封回汽温度测点；由监控服务器对实时连续的采集数据进行速率计算，得出所有测点的变化速率；

（3）将影响轴系稳定性原因及影响因素进行关联性分析，结合有关事故案例对轴系稳定性影响因素关联度分析，筛选出高关联度影响因素并进行相似分析及模化，将相似分析及模化结果转换成轴系失稳的诊断判据，得出评估结论并分析失稳原因，提出优化指导意见；

（4）汽轮机轴系失稳主要有两种风险：一种是机组非计划停运风险，另一种是超速、大轴断裂及损坏、大轴弯曲、轴瓦损坏风险，采用故障树的方法分析各种风险发生的工况、原因及发展预期，实现超前预警，提出操作指导意见；

（5）通过监控服务器输出诊断结果，并发出风险预警，进一步显示调整指导建议。