摘要：大型火力汽轮发电机组是全国电网的主力电源支撑，其安全可靠运行是电网稳定运行的基础，而振动又是影响大型汽轮发电机组安全、稳定运行的重要因素。基于京能电力大数据分析平台及京能电力混合云平台的京能电力汽轮机TDM系统能够有效地辅助专家进行最终决策，最大限度地发挥人机各自的优势，提高机组运行安全。
关键词：电力汽轮机；TDM系统；安全稳定
1.背景
大型火力汽轮发电机组是全国电网的主力电源支撑，其安全可靠运行是电网稳定运行的基础，而振动又是影响大型汽轮发电机组安全、稳定运行的重要因素。汽轮机是热力发电不可或缺的设备之一，并且还可以被用作大型舰船动力设备，并广泛作为工业动力源，用于驱动鼓风机、泵、压缩机等设备。我国使用汽轮机的历史可以追溯到20世纪20年代，但中国制造汽轮机的历史是从1953年开始的，上海汽轮机厂1955年制造出了第一台6MW汽轮机，到现在我国自主研发的600MW和1000MW的汽轮机已经投产运行。汽轮机的本体由转动部分（转子）和固定部分（静子）两部分组成，转动部分包括叶栅、叶轮（或转鼓）、主轴、联轴器等；固定部分包括汽缸、蒸汽室、喷嘴室、隔板、隔板套（或静叶持环）、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统等。本次我们主要研究汽轮机转子上的振动情况，因此建模时只考虑转子系统即可。振动过大容易导致机组大轴弯曲和轴承乌金损坏等故障，严重时甚至会造成轴系断裂等恶性事故。因此，各电厂对振动问题都非常重视，振动监测是电厂状态检修工作的重点。目前很多机组上都装备了机组振动在线监测系统，可以实时、在线自动获取机组振动数据。特别是近年来，随着各种配套技术的逐步完善，远程故障诊断专家系统在很多领域得到广泛应用。
京能电力平台公司上线的TDM系统采用B/S架构，由位于服务器端的振动故障诊断服务和前端WEB服务器两大部分组成。振动故障诊断服务主要包括数据采集和特征提取模块、振动数据分析、诊断知识库、诊断推理机和转子寿命分析等几个组成部分。振动故障诊断系统通过各种图形界面向用户提供振动故障专家诊断服务。它的主要功能包括：异常报警、故障诊断、历史异常故障查询等。
2.实现方法
通过对振动测点的时域波形信号进行一系列变换可以得到用于振动诊断的振动特征值。根据国标以及经验设置限值，当振动特征值达到限值后进行报警，并启动自动诊断，将所得的振动特征参数通过故障推理得到自动诊断的结果，也可以通过专家辅助系统进行诊断。并根据知识库设置，向运行人员提示故障发生的原因、后果以及可采取的处理措施。
目前软件实现了参数列表功能、对特定机组的报警列表和自动诊断功能、交互式诊断功能、历史数据查询功能。
有限元的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、按一定方式相互联结在一起的单元的组合体，由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域，有限元作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表示全求解域上待求的未知场函数，单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达，这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量（自由度），从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题，一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解，显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进，如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。
根据ANSYS计算所需要的数据：轴系的轴向、径向尺寸（高中压缸、低压缸、发电机及励磁机），各段转子上叶片的安装位置、质量以及等效转动惯量，润滑油类型以及各轴承的进出口油温，轴承类型及轴系的支撑形式。
所需要的轴系数据尺寸可以从上图量得，用到的关于叶片的附加转动惯量和附加质量由汽轮机的生产厂商提供，如下图中的表格所示，其中等效外径D的计算公式为 ，等效质量的计算 ，根据这些数据采用梁单元可以得到转子的动力学模型，汽轮发电机转子由多段转子通过靠背轮联接起来。不同的600MW等级机组的轴系结构不尽相同，主要不同在于低压转子的个数上。汽轮发电机转子通过多个轴承与机座相互作用，轴承起到支撑的作用，对于轴承的建模可以采用弹簧-阻尼结构进行简化。不同的轴承形式具有不同的动力学特征，对轴承的建模应根据其支撑形式确定其刚度系数与阻尼系数。
建立转子的动力学模型之后，需要确定转子运动需要满足的控制方程，建立控制方程的方法有牛顿第二定律、达朗贝尔原理和能量守恒原理。
牛顿第二定律建立控制方程，首先需要分析结构所受外力，系统外力,系统的回复力，以及阻尼力，则系统的运动方程为，明确系统的输入输出整理方程可得根据给出的材料物理参数、几何参数、初始条件和边界条件，通过有限元法构造出刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵和载荷矩阵，这样可以得到微分方程组，通过求解一系列的微分方程组，得到各离散点的加速度、速度和位移。
表1 转子模拟所需数据
无阻尼状态下求解模态以及瞬态，可能会出现响应既不发散又不收敛或者是收敛的较慢，无阻尼下的矩阵特征值和特征向量均为实数，而有阻尼情况下的特征值和特征向量均为复数，在无阻尼情况特征值可以通过令行列式为零计算。
3.系统功能
整个系统的主要功能可以概括如下：
远程数据采集及海量存储：通过电厂客户端实时采集机组运行数据，经过数据整理、转换、标准化、高效压缩等操作后，按照实时、定时、报警和起停机四种工作模式将数据通过INTERNET网远程传输到远程技术服务中心，统一存储在中心数据库中，借助高效数据压缩技术，实现机组长期运行数据存储；
机组振动状态监测及预警：通过远程数据采集和通信，以模拟图、数据表、实时趋势、历史趋势等方式对汽轮机振动参数进行监测，提供棒图、趋势图、波形图、频谱图、轴心轨迹图、轴心位置图、升降速图、三维谱图、波德图、极坐标图等丰富的振动分析图谱，辅助专家对机组振动状况进行全面的监测，并对振动故障进行分析和诊断；根据监测结果对异常测点进行实时报警，提醒运行人员采取必要的措施，为机组的安全运行提供可靠的保障；
振动故障诊断专家系统：能够从振动数据中自动提取故障诊断征兆，并且可以加入更丰富的人工获取征兆，提供对常见振动故障的计算机自动诊断，给出故障诊断结果、推理过程和处理对策，能够诊断的故障有不平衡、不对中、转子碰磨、油膜振荡、叶片断裂和转子裂纹；
转子寿命分析：采用转子热应力和疲劳寿命损耗理论，通过对汽轮机的启停及变负荷运行导致的低周疲劳寿命损耗和材料在高温状态下受应力作用的蠕变寿命损耗进行在线实时计算和分析，监测汽轮机转子的寿命损耗情况，从而保证汽轮机运行安全性和可靠性；
下图给出了诊断系统的功能框架。
图1 远程技术服务支持系统的功能框架
4.系统特点
由于计算机网络技术、通讯技术的支持，远程技术服务克服了传统服务模式的地域局限，技术服务工程师具有更大的活动空间，他们不仅可以得到当地技术力量的直接支持，也可以通过计算机网络获得世界上任何一个专家或多个专家在技术和理论上的帮助，从而大大提高了技术支持的力度。
归纳起来，TDM 诊断系统具有如下特点：
1)现代计算机技术与强大专业技术的完美结合
通过汽轮机组远程技术服务支持系统的建设，结合了当代成熟的远程数据采集、传输技术以及哈尔滨汽轮机厂雄厚、权威的领域专业技术，成功整合了汽轮机的生产制造、运行维护信息资源，以及哈尔滨汽轮机厂、各大科研院所等分布于全国各地的领域专家资源，能够更好地进行汽轮机组的技术服务支持，创造最大的投入产出比；
图2 转子基本信息
图3 温度场及应力场
2)全面的专业技术升级
本系统在原有的汽轮机远程诊断系统的技术基础上，全面应对机组生产运行过程中产生的振动数据，建立起全面的振动数据的实时监测，对常见故障进行诊断，系统融合了近几年来积累的近千条故障诊断规则，为实现精确诊断打下良好的技术基础。
3)人机一体、最优资源配置
机组远程技术服务支持系统软件平台与哈尔滨汽轮机厂组建的强大专家队伍形成了交融在一起的人机交互系统，软件平台借助强大的专业分析模块能够为专家提供了快捷、详实、全方位的数据分析结果，从而能够有效地辅助专家进行最终决策，最大限度地发挥人机各自的优势，提高技术服务的高效快捷及质量；
5.软件界面
通过转子寿命分析程序实现的软件界面如下，通过导入转子的基本信息，显示转子危险界面温度、转速，转子危险界面温度场、应力场，以及累计损失寿命曲线、剩余寿命曲线，如下图所示。
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作者简介
张宏元，男（1993-），从事电站信息系统管理、智慧能源发展研究。
论文作者:张宏元,刘维伟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：转子论文; 机组论文; 汽轮机论文; 汽轮论文; 轴承论文; 系统论文; 阻尼论文; 《电力设备》2018年第16期论文;