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电厂汽轮机热状态动态监测方法分析

摘要：汽轮机也是能源领域非常重要的基础设备。一旦出现严重的故障问题，

停机维修处理会增加维修成本，使火电厂的经济效益逐渐降低。为了确保汽轮机

组能够更稳定、安全地运行，有必要实时监测汽轮机的异常状态，并根据监测结

果及时发现早期故障症状，以避免故障的发生。基于单变量的固定阈值监测，阈

值设置在实际应用中相对保守。只有当汽轮机发生严重故障，且无法及时实现早

期异常状态时，才会触发报警。此外，汽轮机的运行参数很多，各种参数也会相

互影响。在正常工作条件下，未检测到故障的机组在复杂工作条件下会出现故障

问题。本文基于现有研究成果的局限性，为了提高汽轮机运行状态监测的准确性，

开展了火电厂汽轮机热状态动态监测方法的研究。与现有研究成果局限于固定阈

值不同，该方法通过计算火电厂汽轮机温度场，根据热效率动态监测汽轮机运行

状态，及时检测出早期异常状态；通过对汽轮机结构的综合分析，引入有限元法

对汽轮机运行过程中的热状态监测单元进行分解，避免了复杂工况下运行参数的

相互干扰，提高了复杂工况下状态监测的准确性。根据确定的监测位置，利用温

度场监测仪、应力监测仪和实时数据接收器等设备，实现对汽轮机热状态的实时

动态监测。

关键词：电厂；汽轮机；热状态；动态监测；方法

1汽轮机状态监测与故障诊断的现状

我国汽轮发电机组振动技术的研究始于20世纪50年代初。经过半个多世纪

的发展趋势，无论是大型机组的振动监测、振动分析仪器的生产制造，还是振动

故障诊断、电机转子与轴系的平衡、振动事故分析的技术实力等，都不同程度地

步入了国际优秀团队，有的甚至超过了国外优秀水平。如果选择正向逻辑推理进

行诊断，反映振动技术强度的振动故障诊断精度和轴系平衡单元的启动和停止频

率可以达到80‰以上。

国外在故障诊断方面积累了丰富多彩的经验，对汽轮机状态监测和故障诊断

技术进行更深入的分析。Bently、EPRI、Bei等相应科研机构和公司先后开发设

计了不同的状态监测和故障诊断系统软件，处于全球领先水平。德国、日本、英

国、法国等国，也投入了大量的人力物力，从各个方面探索汽轮机故障诊断的技

术。例如，美国、德国和瑞士的一些企业也先后发布了许多特定项目使用的汽轮

机故障诊断系统软件。

根据整个过程的关键，汽轮机故障可分为两种类型：渐进式和突发式。随着

工作压力/环境温度和振动数据信号的主要参数的变化，会产生渐进式故障。它

是整个过程积累形成的故障，会发生诸如结垢、摩擦损坏、部件变形等情况，导

致机组效率降低、部件损坏和运行恶化；运行中的汽轮机突然发生不可控制的转

换时，会出现突发故障。主要故障为阀座破裂、叶片破裂、活塞销损坏和其他故

障。此类故障对机组的安全运行造成极大危害。如果不立即进行预测、分析和妥

善处理，可能会导致重大安全事故。

目前，汽轮机轴系监测的重点是振动监测与保护系统（TSI）和振动分析与

故障诊断系统软件（TDM）。振动监测和保护系统基本上可以监测和保护机组的

运行。它可以根据振动的幅值简单地澄清机组的振动，并在发生风险振动时打开

停机数据信号，但缺乏对机组振动数据信息的充分挖掘。振动分析故障诊断系统

软件的关键功能取决于振动的波形和频带、相关记忆超频、幅值、相位差、转速

等故障特征数据信息，并有着日益复杂的发展趋势。由于涉及振动数字信号处理

的行业很多，专业能力很弱，现场工作人员无法掌握。他们高度依赖外部权威专

家，解决突发故障的及时性较差。特别是系统软件无法准确识别振动故障，且振

幅值没有明显变化，操作人员无法识别早期故障，导致故障扩大。

2汽轮机热状态动态监测方法设计

2.1火力发电厂汽轮机温度场与应力场计算

为实现对火力发电厂汽轮机的运行状态进行动态监测，需要计算汽轮机在运

行过程中的温度场和应力场，从而监测汽轮机的热状态。结合汽轮机日常运行特

点，引入三角形单元。假设在三角形单元当中任意一个节点上的温度均未线性分

布，则根据节点的温度值能够进一步确定待定系数，再结合矩阵求逆的方式，确

定其温度系数。

2.2单元变温矩阵

对于不同的稳定温度场，首先要明确模块变温排水矩阵。对于无内部热源的

汽轮机，在估算其温度场时还应考虑热负荷对边界模块的干扰，并根据边界模块

的换热系数计算其热负荷。在汽轮机综合运行的情况下，应确定周围所有三角形

模块的热负荷条件，以确定其周围的温度场。

定义偏移误差函数公式及其外观排水矩阵。由于汽轮机的热状态在运行条件

下具有一定的中心对称