第５３卷第３期 ２０１１年６月 汽轮机技术 Ｖ０】．５３ Ｎｏ．３ ＴＵＲＢＩＮＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｊｕｎ．２０ｔ１ 汽轮发电机组状态监测和故障诊断 的发展与趋势 倪秋华，朱晓东 （东南大学火电机组振动国家工程研究中心，南京２１００９６） 摘要：介绍了汽轮机组状态监测和故障诊断的主要内容，分析了状态监测与故障诊断理论与技术的国内外发展现 状，指出了国内外研究的差距，提出了我国汽轮机组状态监测与故障诊断技术的研究发展趋势。 关键词：汽轮机组；振动；状态监测；故障诊断 分类号：ＴＫ０５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－５８８４（２０１ｌ ｌ０３－０２２０－０３ Ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｎ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ Ｔｕｒｂｏ—ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｓｅｔ ＮＩ Ｑｉｕ－ｈｕａ，ＺＨＵ Ｘｉａｏ—ｄｏｎｇ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｔｕｒｂｏ—ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎ卸ｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｔｕｒｂｏ—ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｅｔ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ；ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｄｉｓｐａｒｉｔｉｅｓ；ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｒｂｏ・ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｅｔ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒ；ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ 内容： 内容： 确定无故障部位 确定故障原因 ０前言 汽轮发电机组往往是冶金、电力、石化和造船等国民经 济重要部门的关键设备，设法保障汽轮发电机组安全稳定地 运行，对企业经济效益和国民经济发展具有重要意义。 国内外的大量实践表明，汽轮发电机组的状态监测和故 障诊断技术作为一门综合性高新技术学科，可以保证设备的 安全运行、预防和减少恶性事故的发生，消除故障隐患，保障 人身和设备安全。汽轮机组的状态监测和故障诊断技术的 研究的应用步伐，为国民经济建设发挥应有的作用，是摆在 面前的迫切任务。 作出故障趋势分析 八 划分故障类别 方法： —］／ 方法： 由设备维修人员在 由设备诊断人员在 现场进行 现场或中心进行 识别有无故障 明确故障严重程度 修 决 策 维 状态监测 故障诊断 图１状态监测与故障诊断关系图 的第一步，是故障诊断工作的重要基础。汽轮发电机组中可 用作状态监测和诊断的信号多种多样，如振动、声音、变形、 裂纹、转速、温度、压力、流量等，在实际监测中，应用最多的 是机械振动信号，在旋转机械的监测诊断技术中，振动监测 技术是一种普遍被采用的基本方法，这是因为： （１）对机械设备来说，振动是普遍存在的，由振动引起的 机械损坏比例很高，当机械内部发生异常时，一般都会随之 １汽轮机组状态监测及故障诊断技术的主 要内容 所谓汽轮机组的状态监测与故障诊断技术主要就是在 汽轮机组运行中或基本不拆卸全部机械设备的情况下，掌握 汽轮机组的运行状态，找出产生故障的部位和原因，并预测 预报未来的技术。因此，它是防止事故和计划停机的有效措 施，也是旋转机械设备维修的发展方向”，２ Ｊ。 出现振动的增大和工作性能的变化。据统计，有８０％以上的 机械故障都是通过振动反映出来。 （２）振动信号含有丰富的信息，不用停机和解体，通过机 械的振动信号的测量和分析，就可对其劣化程度和故障性质 做出判断。 （３）振动的理论监测手段和测量方法都比较成熟。 （４）振动监测简单易行，对于生产在第一线的使用人员， 这一点尤其重要。 状态监测和故障诊断有时也分别被称为简易诊断和精 密诊断。它们的目的、内容和实施方法都不一样，两者的相 互关系见图１。 １．１汽轮机组的状态监测 故障特征分析的主要内容是信号分析和处理，即如何从 传感器拾取的原始信号中分析提取故障特征，这是故障诊断 的核心问题，对于确诊故障起着十分重要的作用。而对汽轮 故障信息监测是对汽轮机组实现状态监测与故障诊断 收稿日期：２０１０一ｌｌ－０４ 作者简介：倪秋华（１９８７一），男，硕士研究生，专业方向为旋转机械的振动监测与故障诊断研究。 第３期 倪秋华等：汽轮发电机组状态监测和故障诊断的发展与趋势 ２２ｌ 机组进行状态监测的方式主要有：离线监测系统、在线监测 系统、便携式监测系统。 １．２汽轮机组的故障诊断 态空间分析诊断法、模糊诊断方法等。在这几种诊断方法 中，振动分析法是汽轮机组故障诊断的主要方法，并且今后 对振动分析的理论研究将会更加的深入。振动分析法有许 故障机理研究是对设备进行故障诊断的基础，深入研究 设备在运动时的动力学特性及各部件之问的相互关系，研究 多种，如Ｆｏｕｒｉｅｒ变换、现代谱分析、高阶统计量、小波分析 等，目前己经成功地应用在各个企业的故障诊断系统中，盲 设备正常运行时和发生故障后的各种症状，是对设备进行状 态监测和故障诊断的前提。汽轮机组故障机理的研究是一 项十分复杂的工作，但十分重要，国内外己在这方面作了大 量的研究工作，取得了许多成果。随着设备向大型化、自动 源分离等其它的信号分析理论与技术也正逐渐应用于故障 诊断系统中，大大提高了故障诊断系统的性能。这一阶段， 汽轮机组状态监测与故障诊断技术融合并吸收了大量的现 代科技成果，各种先进理论、方法和技术在故障诊断领域中 都找到了用武之地。如：振动诊断技术、振声诊断技术、声发 化发展，以及工作环境的恶化、载荷形成的复杂化、新材料及 新工艺的采用等，设备的故障机理研究面临着更新、更艰巨 的任务 。 用预测维修思想开展系统分析、综合诊断在运用故障诊 断系统对大型旋转设备开展状态监测和故障诊断的实践中， 不断积累经验，全面掌握各种故障的特征模式，实施综合诊 断。综合诊断的内容包括４个方面：应用多种诊断手段；采 用多种分析方法；利用多个判断标准；实施多层次的诊断。 这是提高复杂疑难故障诊断效率的最可靠的途径。 故障识别是在故障信息监测和故障特征分析的基础上 按一定的规则和标准对机械设备发生的故障的种类、原因和 部位作出判断。专家系统的设计原理就是利用领域专家的 经验知识，根据用户给出的关于问题的信息数据，按一定的 推理机制，从数据库（ＤＢ）中选择对若干问题的最合理解释。 专家系统中故障诊断系统分两种：基于浅知识的故障诊断系 统和基于模型知识的故障诊断系统 。 ２国内外的研究进展 汽轮发电机组的状态监测与故障诊断技术是近年来国 内外发展较快的一门新兴学科，它不仅在理论上有了很大的 突破，而且不断转化为技术投入到实际的项目应用中。状态 监测与故障诊断技术主要是建立在对故障机理研究的基础 上的，在技术发展中它大致经历了两个主要的阶段：第一阶 段是以计算机技术、传感器技术和动态测试技术为基础，主 要集中在故障机理和诊断方法的研究等，它是以信号处理技 术为手段的常规振动监测技术发展阶段；第二个阶段是随着 信息高速公路的发展和人工智能技术的应用，在此基础上发 展起来的网络化、智能化振动监测与诊断阶段。 在第一阶段，汽轮发电机组状态监测与故障诊断技术在 国外的研究是基于对故障机理分析进行的。日本的白万博 自六七十年代以来发表了大量的故障诊断文章，积累了丰富 的现场故障处理经验，并进行了理论上的研究。Ｂｅｎｔｌｙ公司 在转子动力学方面做了大量工作，对汽轮机组故障机理研究 得比较透彻；日本三菱公司研制的ＭＨＭＳ 带有决策树表示 诊断规则描述，并且采用模糊逻辑分析确定置信因素的振动 诊断专家系统。这些工作为故障机理的深入研究奠定了基 础。７Ｏ年代以后，故障机理和诊断技术的研究发展非常迅 速。人们使用机组或故障的数学模型进行故障诊断。先对 研究对象或机械故障建立有关的数学模型，然后根据数学模 型进行故障诊断。这种方法可以用来预测信号和估计非测 量的状态变量、过程参数和其它的过程特性。在诊断方法 上，对于故障诊断主要采用振动分析诊断法、温度分析诊断 法、压力分析诊断法、油液分析诊断法以及统计诊断方法、状 射诊断技术、光谱诊断技术、铁谱诊断技术、红外和热成像诊 断技术、核辐射诊断技术等，都是这一阶段取得的成果。 人工智能技术的应用，标志着汽轮机组诊断技术进入了 第二个阶段——智能诊断阶段。智能诊断技术的应用，不但 延长了人的感官，而且延长了人的大脑的功能。诊断技术发 展到这一阶段，其研究内容与实现方法已发生了且正在发生 着重大的变化，原来以数值技术和信号处理为核心的诊断技 术将被知识处理和知识推理为核心的诊断技术代替，形成了 基于知识的设备诊断技术。对诊断技术的研究也不再是各 种方法的“堆积”，而是从知识的角度出发，系统地研究诊断 技术。 我国对于汽轮机组状态监测与故障诊断技术的理论和 系统研究起步较晚，但是发展很快。１９８３年初正式把开展诊 断工作的要求纳入《国营工业交通设备管理试行条例》之中， 明确地指出：“要根据生产的需要，逐步采用现代故障诊断和 状态监测技术，发展以状态监测为基础的预防维修”，并 在“六五”、“七五”、“八五”期问将设备状态监测与故障诊断 确定为重大攻关课题，由国家投入巨资，组织科研人员进行 研究。一般来说，我国在故障诊断技术方面的研究经历了２ 个阶段：第一阶段是从７０年代末到８０年代初，在这个阶段 内主要是吸收国外先进技术，并对一些故障机理和诊断方法 展开研究；第二阶段是从８０年代初期到现在，在这一阶段， 全方位开展了汽轮机组的故障诊断研究，引入人工智能等先 进技术，大大推动了诊断系统的研究和实施，取得了丰硕的 研究成果。如国家‘八五’期间由哈尔滨电工仪表研究所、清 华大学、哈尔滨工业大学等多家单位完成的单台３００ＭＷ和 多台２００ＭＷ汽轮发电机组状态监测分析与故障诊断系统； 南京汽轮发电机厂开发的多功能振动分析系统，西安热工研 究院研制的汽轮机组振动监测和故障诊断系统，北京电力科 学研究院、清华大学与陡河电厂联合开发了大型汽轮发电机 组振动监测与辅机诊断系统等。还有西安交通大学、东南大 学、浙江大学、华中理工大学、上海发电设备成套所、河北电 力试验研究所等单位也都相继研制了各种监测诊断系统，如 西安交通大学的ＲＢ一２０系统等。并在我国机械、电子、能 源、化工、交通运输、航空航天、军事等各个领域得到了广泛 的应用。总体说来，我国汽轮机组故障诊断理论研究一直紧 跟国际先进水平，但实际应用存在较大差距。 目前，我国的有关工厂正在从对汽轮机组的振动进行巡 回检测、定期检测及停机检修状况过渡到对机组进行长期连 续监测，实现对机组的振动信号进行实时在线状态监测和故 障分析，进而逐步发展成网络化、智能化故障诊断专家系统， 取得了很大的经济效益。 ２２２ 汽轮机技术 第５３卷 感技术、测试技术、微电子计算机网络技术、转子动力学等学 ３汽轮发电机组的状态监测和故障诊断的 发展趋势 综合比较国内外研究开发的各种性能的状态监测系统， 发现国外研发的系统特点是：硬件所占比例很大，采集信息 科的发展，在线监测与故障分析系统不断趋于完善。在故障 诊断理论研究朝着纵深方向发展同时，工程实践应用则朝着 集成化、网络化、智能化、开放化、高度可靠性以及与设备、控 制系统融合等方面发展。将计算机网络技术与汽轮机组的 设备监测与故障诊断工作结合起来，推进汽轮机组设备管理 技术的进步，已经成为汽轮机组状态监测和故障诊断发展的 一多、处理速度快，监测功能强，但只有简单的诊断功能。国内 研制的系统特点是：以微机为基础，以软件开发为中心，功能 多、灵活性大、适用面广、系统价格低。存在的主要问题是： 硬件功能较弱，在可靠性、实时性等方面同国外系统相比存 在较大差距。 个方向。从整个汽轮发电机组状态监测与故障诊断系统 的研究来说，系统的发展趋势是： ①在整个系统的结构方面，由分布式的监测方式替代目 前的集中式监测，数据采集和状态监测将由智能前端处理装 预计在今后几年内，随着传感器和测试技术、计算机硬 软件技术、通讯技术、人工智能技术等先进技术的发展，我国 汽轮发电机组的状态监测和故障诊断技术的发展趋势是： （１）理论研究的进～步深入以及诊断手段的多样化 置实现，故障诊断由终端的计算机完成，实现系统的结 构分布化，监测方式层次化，其主要特点是实时性强、可靠性 高； ②在计算机的硬件平台技术方面，功能强大的工作站、 服务器、超级微机以及网络将综合在一起形成工作组，更多 先进的硬件技术会得到广泛应用； 诊断理论研究一直走在实践的前面，但由于汽轮机组本 身的复杂性，汽轮机组许多故障原因、机理至今仍然不是十 分清楚，因此诊断理论研究会进一步深入，诊断方法日益多 样化。振动分析法、温度分析法、油液分析技术、声学诊断法 是最为常见的４种方法，在汽轮机组在线状态监测与故障诊 断系统中，振动分析法和温度分析法是较为成熟的，也是应 用最为广泛的方法。油液分析技术通常在离线状态监测中 ③在计算机的软件平台技术方面，高性能的Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ 和Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ等多任务操作系统为系统的进一步升级提供 了优良的系统环境； ④在系统的软件功能方面，将向人机对话的自然语言接 口、实时多任务全过程在线监测以及诊断过程自动化等方面 发展。 发挥着重要作用。声学分析技术在盲源分离理论和技术日 趋成熟后，也会在故障诊断中发挥越来越重要的作用。其它 分析方法如无损检测技术等也会不断发展。 ４结束语 随着我国电力工业的迅速发展和我国多年来从事的故 （２）数据采集速度、精度、可靠性等大大提高 数据采集是整个故障诊断系统的基础，只有正确的数据 采集才能够得到正确的分析诊断结果。信号采集的速度、精 度、可靠性在故障诊断系统中占有重要地位。世界各大测控 障诊断工作研究，汽轮发电机组状态监测及故障诊断系统已 越来越多的引起了制造厂、电厂的认识和重视。本文介绍了 汽轮发电机组状态监测和故障诊断的主要内容，通过对国内 外状态监测与故障诊断技术研究进展的了解和认识，指出我 国状态检测与故障诊断系统与国外存在的差距，提出汽轮发 电机组的状态监测与故障诊断系统的发展方向，将会更快的 推动我国汽轮发电机组状态监测与故障诊断技术的发展，为 用户服务。 公司都生产有各自的数据采集卡，并且不断对现有信号数据 卡进行进一步的研究与改造。数据采集的主要方式是基于 ＰＣ机的插卡方式，高速总线ＰＣＩ，通用ＵＳＢ接口的比重逐渐 增加。 （３）网络化系统开发的进一步加强 单个发电机组故障诊断系统逐渐为多机组、分布式系 统 代替，现场总线、工业以太网等技术也会逐渐应用于汽 轮机组故障诊断系统中。诊断中心将会不受地域，汇集 千里之外的专家进行综合会诊。系统开放性的增强，通过简 参考文献 ［１］钟秉林，黄２０ｏ６． 仁．机械故障诊断学［Ｍ］．北京：机械工业出版社， 单的接口设置，可方便地增加新的机组设备。状态监测系统 是整个机组故障诊断系统的基础，对状态监测系统第一个要 求就是１％的可靠性，包括传感器的可靠性、信号调理的可靠 性、数据采集的可靠性。 ［２］李平康，吕玲，杜秀霞，等．火电机组旋转机械振动监测与故 障诊断技术现状及发展［Ｊ］．中国电力．２００１，３４（１１）：５４—５７． ［３］ 乔海涛，冯永新．大型汽轮发电机组故障诊断技术现状与发展 ［Ｊ］．广东电力．２００３，１６（２）：９—１３． ［４］耿文琅，朱晓东．汽轮发电机组振动监测与诊断系统的发展 ［Ｊ］．汽轮机技术．２００３，４５（２）：７ｌ～７２． ［５］ 程道来．国内外电站振动监测与故障诊断系统的现状及发展方 （４）实时数据库逐渐应用于故障诊断系统中 现在广泛使用的数据库是关系数据库 。关系数据库 在商业应用中有着无可比拟的优势，但是在汽轮发电机组故 障诊断系统中，系统对实时性的要求非常高，关系数据库在 数据库容量较大的时候，系统实时性将会受到影响，另外故 向［Ａ］．２００２年上海国际工业博览会一振动工程与信息化学 术研讨会［Ｃ］．２２７—２３１． ［６］桂中华，潘罗平，陆力．水电机组状态监测与故障诊断研究新 进展［Ｊ］．中国水利水电科学研究院学报．２００９，７（３）：１７９— １８６． 障诊断系统的数据量非常庞大，如果不对数据进行压缩或稀 化处理而全部进行存储，数据量是相当惊人的。开发面对工 业过程的实时数据库是今后数据管理的发展方向。 随着汽轮机组设备的日益高速化、复杂化，对汽轮发电 机组在线状态监测系统的可靠性要求也越来越高。随着传 ［７］蒋炜，傅行军，刘振祥．汽轮发电机组振动远程监测和故障 诊断系统的研究［Ｊ］．汽轮机技术．２００２，４４（２）：９８—１００．
