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1、第三讲 火电机组状态监测长沙理工大学长沙理工大学振动与噪声研究所振动与噪声研究所主要内容状态监测的必要性与可行性状态监测的基本理论设备故障的分布规律锅炉设备及系统的状态监测汽轮机设备及系统的状态监测单元机组的状态监测3.1 设备状态监测的必要性与可行性一、状态监测的必要性维修制度从事故、定期向视情维修的转变 设备老化，故障率增加 大量新设备投运，容量增大，复杂性增加 提高经济效益 二、状态监测的可能性二、状态监测的可能性 故障诊断理论、技术的不断发展 和完善 传感器、信号分析和计算机技术的发展 3.2 设备状态监测的基本理论3.2.1 设备状态 定义定义3.1 设备在运转过程中，在某一瞬间由设
2、备随外界工作条件和设备内在因素的不同组合关系所决定的设备内部特征的综合称为设备状态。一般情况下，设备状态分为三种：正常状态、劣化状态和故障状态。3.2.1 设备状态正常状态故障状态劣化状态状态演变3.2.1 设备状态正常状态 一台质量指标合格的设备在规定的使用条件下，会受到各种能量的综合作用，并造成一定程度的损伤，但是，构成设备的所有部件仍具有规定的功能，同时引起整机输出参数的变化仍在允许的范围内。设备工作能力的损耗也不超过其极限值，这些变化的因素所确定的状态表明，设备的一切性能都适于继续工作。这样的状态属于正常状态。3.2.1 设备状态故障状态 设备投入使用后，在各种能量的共同作用下，必然会
3、引起内部因素的变化。如果能量达到一定极限，则会对设备造成损伤。如果这种损伤并不影响产品的输出参数，就不会发生故障；相反，如果损伤已使产品的输出参数发生变化，而且当输出参数超过技术条件规定的极限值时，设备丧失工作能力，即正常状态遭到破坏，这时设备所处的状态就称为故障状态。3.2.1 设备状态劣化状态 介于正常状态和故障状态之间的状态称为劣化状态。状态演变 设备从一种状态到另一种状态的变化过程，称为状态演变。3.2.2 设备状态监测状态监测的定义 在设备运行或基本不拆卸的情况下，通过各种手段，掌握设备的运行状态，判明设备是否发生故障，判定故障产生的部位和原因，并预测、预报设备未来的状态。3.2.3
4、 设备状态监测的作用与目标状态监测的作用:（1）准确说明运行设备当前处于正常状态还是异常状态；（2）若有故障，则说明故障的部位和原因；（3）根据故障信息或根据信息处理结果，预测故障的可能发展；（4）提出控制故障的措施，防止和消除故障；（5）提出设备维修的合理方法和措施；（6）对设备的设计、制造、装配等提出改进意见，为设备全寿命现代化管理提供科学依据和建议。状态监测的目标:状态监测与故障诊断的目标是：保证可靠有效地发挥设备的功能。它包括四个方面：（1）保证设备无故障、安全可靠地运行；（2）保证设备发挥最大设计能力；（3）能及时正确地对各种异常或故障作出诊断，并对必要的干预措施(包括控制、调整、维
5、修、治理及连续监测等)提供指导意见；（4）通过性能评价，为优化设计、正确制造、安全和经济运行提供数据和信息。3.2.4 离线状态监测与在线状态监测一、离线状态监测1.定 义:离线状态监测就是通过定期对运行中的设备或停止运行的设备进行规定项目的检查，找出设备的问题和隐患。在我国一些火电厂和核电站中推行的“点检”制，就大量采用了离线监测方式。2.优 点 (1)投资较小。(2)监测面宽。(3)检测设备相对简单，使用方便。(4)适合小型系统和设备。(5)对设备的影响小。2.缺 点 (1)反应相对迟钝。(2)数据整理麻烦。(3)数据不全。(4)必须另外配备分析系统。二、在线状态监测1.定 义:在线状态监
6、测及故障诊断，是指利用现代传感技术、信息技术、计算机技术以及各类领域技术，实时地监测与诊断设备的状态。2.实施在线诊断需考虑的问题 （1）监测及诊断对象的故障机理；（2）对象标准状态的量化；（3）在线检测对象状态的手段；（4）检测信息的传递、处理及存储；（5）状态征兆的形成与提取；（6）诊断方法；（7）在线系统自身可靠性；（8）在线系统的可维护性；（9）在线系统界面设计及操作简易性；（10）在线监测诊断系统与单元机组DCS系统、DAS系统以及厂级MIS系统的联系；（11）在线系统集成及软件实现；（12）在线系统投资收益分析。3.2.5 设备的状态量设备运行中会经常发出声音、振动、温度等多种信号
7、。这些信号可以被感觉或测量出来。与设备运行状态相对应的有正常信号和异常信号，采集并识别这些信号，经过分析可以识别和判断出设备的缺陷和故障。机械量信号 与生产功能无直接关系的信号，如振动、声音、轴承温度等；与生产功能有直接关系的信号，如汽轮机的汽压、汽稳、转速等。电磁信号有电压、电流、频率、局部放电电荷、磁场强度等。化学信号如绝缘油含烃量、润滑油酸阶等。一、运行状态量二、生产过程状态量生产过程的各个环节是相互联系的。在正常运行时，各生产过程参数（输入、输出等）呈一定的比例关系。各项参数间比例失调，就表示设备内部存在有缺陷 三、状态量的采集方法检 查感官直接（看，听，嗅，尝，触），能检测出定性的模
8、糊量测 量分为运行中的在线测量和停机中的离线测量（可测、有量）检 测主要指对停机或维修解体中设备的检查与测量监 测在运行中，对设备的某些状态量的定期或连续的测量四、通常监测的状态量参数运行状态量运行状态量:反映设备状态的量反映设备状态的量,如振动如振动,光光,声音声音,热等。热等。功能输出量功能输出量:设备的功能指标设备的功能指标,如效率如效率,精度精度,功率功率,出力等。出力等。输输 入入 量量:作用于设备、推动设备运行、导致设备劣化的作用于设备、推动设备运行、导致设备劣化的各种量各种量.如如,各种机械力各种机械力,化学力化学力,电或磁力。电或磁力。3.2.6 设备状态监测与诊断的支撑技术
9、状态监测与故障诊断系统的支撑技术有：（1）在设备故障机理方面，需要设备动力学及相关数学、力学、物理、化学等理论基础的支持；（2）在信号感知方面，需要新型传感器与信号拾取技术的支持；（3）在信号转换分析方面，需要经典信号处理与现代信号处理技术的支持；（4）在状态的判别方面，需要辨识与决策技术的支持；（5）在信息的传递方面，需要通讯网络技术的支持；（6）在信息存贮、查询与管理方面，需要数据库管理与人机交互技术的支持；（7）在监测与诊断的实时性方面，需要硬件实现技术、快速诊断与决策策略的支持。3.2.7 设备状态监测的技术路线 设备状态监测与故障诊断的技术路线是：故障机理分析信号测试信息去噪、辨识、
10、融合计算机应用，如图3-1所示。其中的关键点有三：（1）分析复杂设备故障机理的共性途径；（2）特征提取手段与信号特性的匹配性；（3）融合结果的比较方法与二次辨识。故障机理分析信号测试提纯去噪辨识与诊断结果信号融合特征提取FFT分析小波变换相关分析时间序列分析波形特征分析模糊聚类分析浑沌特征分析参数趋势分析计算机的应用图3-1 设备状态检测与故障诊断的技术路线 3.2.8 设备状态监测与诊断的手段 3.3.1 设备故障分布的基本类型 故障：产品丧失其规定功能的现象。1.故障率递减型：故障率(t)随时间增加而单调降低，出现于产品的磨合阶段。3.3 设备故障的分布规律f(t)(t)t递减型0故障密度
11、函数故障率函数 在递减型中，故障的出现通常是由于产品的结构、制造工艺、装配质量及材料上的缺陷造成的。3.3.1 设备故障分布的基本类型 2.故障率恒定型：故障率(t)=常数，与时间无关，出现于产品的正常使用阶段。3.3 设备故障的分布规律f(t)(t)t恒定型0故障密度函数故障率函数 对于恒定型故障来说，故障形成的原因完全是随机的，没有一种特定的故障机理在起主要作用。故障密度函数呈指数分布。故障是由使用不当、操作疏忽、维护不良造成的，由于发生故障的时机难以预测，因而事前更换零部件的意义不大。3.3.1 设备故障分布的基本类型 3.故障率递增型：故障率(t)随时间增加而逐步上升，出现于产品使用后
12、期的磨损阶段。3.3 设备故障的分布规律f(t)(t)递增型0故障密度函数故障率函数 递增型的故障是由产品耗损及老化引起的，故障一般集中在某一段时间内发生，其故障密度函数近似于正态分布。3.3.2 设备故障发生的规律设备故障发生的规律 1.浴盆曲线：故障率变化三阶段：初期故障期、偶发故障期、磨损故障期。偶发故障期初期故障期磨损故障期(t)t0 1）初期故障期：发生于设备投产前的调整或试运转阶段。故障较多，故障率较高，随着磨合及故障的排除，故障率逐步降低并趋于稳定。2）偶发故障期：发生于设备正常使用阶段。故障率较低，为一常量。故障不可预测，不受运行时间影响而随机发生。3）磨损故障期：发生于设备使
13、用后期。由于机械磨损、化学腐蚀及物理性质的变化，设备故障率开始上升。初期故障期的故障形态反映了产品设计、制造及安装的技术质量水平，也与调整、操作有直接关系。对于大修及改造的设备，初期故障率则反映了大修或改造的质量。偶发故障期是设备的最佳工作期，即设备的有效寿命。除设备本身质量外，管理在很大程度上决定了这一阶段持续时间的长短。B0B1B20123T0T1T2 对于进入磨损故障期的设备，应及时进行修理或改装，以延长设备的使用寿命。故障发生的三阶段分别对应于故障率递减型、故障率恒定型及故障率递增型。2.设备全寿命周期特性曲线：*t0 设备全寿命周期特性曲线由若干个浴盆曲线组成。由于大修未改变原设计结
14、构，也未提高其固有可靠度；大修仅更换了磨损严重的零部件，其余未经更换的某些零部件继续使用将容易造成损坏；大修的各项技术标准一般低于制造厂家的制造标准，因而大修设备质量及可靠性要低于新设备。大修后浴盆曲线的变化：最高及最低故障率 偶发故障期 大修周期 如按固定的大修周期安排大修计划，将造成前期维修过剩，后期维修不足。3.4 锅炉设备的状态监测3.4.1 高温部件状态监测 电站锅炉的高温部件主要有三种：受热面管类，管道类和联箱类。三种高温部件的使用状况和失效特点各不相同，因此也相应地有不同的状态检测手段。对受热面管，主要是指前后屏过热器和高温再热器，这类部件的主要失效形式是长期超温过热，损伤机理为
15、蠕变和高温氧化腐蚀等，主要的检测手段有：宏观检查，检查变形和表面腐蚀状况测厚检查，采用超声测厚装置精确测量管壁有效金属厚度及内壁氧化层厚度外径测量及胀粗情况检查割管检测，主要检查化学成分；金相组织及损伤老化评定；常温、高温短时力学性能试验；碳化物相成分与相结构分析；异种钢焊接接头的试验（过热器T91钢的异种钢焊接接头）等 对高温管道如主蒸汽管道、再热蒸汽管道热段而言，其主要失效方式为蠕变、疲劳损伤及其交互作用等，它与运行时间有着极为重要的关系。焊缝、弯头、三通为重点检验部位，重点检查：宏观检验表面缺陷、裂纹；焊缝、弯头进行无损探伤复型金相检验厚度测量、硬度试验蠕胀测量及历次测量数据的收集、整理
16、、分析对联箱类高温部件，主要指末级过热器出口联箱、集汽联箱和高温再热器出口联箱等，它们的主要失效机理为蠕变，疲劳及其交互作用。由于温度分布的不均匀性和局部应力集中使联箱接管座成为重点检查部位，主要检查：宏观检验、检验支座接触状况和吊耳与联箱焊缝焊缝的无损检验复型金相分析壁厚测量硬度测试应力分析计算1.状态评估技术状态评估技术 电站锅炉的状态评估技术主要包括设备失效分析技术和设备状态评估技术。设备状态评估技术包括：失效分析技术，状态检验和监测技术，部件状态评估技术，应力测量与分析技术，寿命预测技术。设备失效分析技术包括：故障分析的基本理论，故障规律，故障状态描述，故障机理，故障模式，故障分析方法，故障监测与诊断等。由于锅炉管失效类型繁多，失效机理复杂（普遍存在蠕变、疲劳、腐蚀、冲蚀等机理的交互作用现象），和事故损失大等特点，发展和完善电站锅炉的状态评估技术和故障分析技术显得尤为重要。3.4.2 锅炉的状态评估与寿命预测2.设备寿命预测技术设备寿命预测技术部件寿命评估技术主要应用于无超标缺陷部件寿命评定和有超标缺陷部件安全性评估，主要部位有高温联箱、主蒸汽管道、锅炉汽包、锅炉管等。它经过收
