（核能科学与工程专业论文）基于模糊神经网络的饱和蒸汽轮机故障诊断及软件开发.pdf

上海交通大学硕j 学位论文 基于模糊神经网络的饱和蒸汽轮机故障诊断 及软件开发 摘要 随着现代科学技术的发展，特别是信息技术和计算机科学所取得的 成就，为设计和开发高性能的饱和蒸汽轮机智能诊断系统提供了广阔 的空间。但是，我们面临着很多困难需要解决，如缺少将信息技术和 计算技术相集成来解决饱和蒸汽轮机中有关热力参数的故障诊断的经 验；积累的系统运行数据还很不充足；对饱和蒸汽轮机复杂的故障机 理及其对热力参数的影响规律了解不多；以及利用交叉学科的知识来 解决饱和蒸汽轮机诊断问题时存在的瓶颈等等。因此，本论文致力于 探讨对以上问题的有效解决方案。本论文主要研究基于模糊神经网络 的饱和蒸汽轮机故障诊断，主要进行了以下几个方面的研究工作： 饱和蒸汽轮机的常见故障分析 r 因为饱和蒸汽轮机与常规电站汽轮机在蒸汽的热力参数上存在差 异，因而，对两者进行故障诊断时，各自需要监测的热力参数及常见 故障应该分别对待。作者重点研究了饱和蒸汽轮机几种常见的故障及 故障过程中各热力参数的变化，为后面的研究打下基础。 神经网络和模糊理论的一般研究 ， 作者对一般的前馈误差反向传播b p 神经网络作了全面的了解，同 时 通过分析模糊理论的特点，加深了将神经网络于模糊系统结合在 一起进行故障诊断的必要性地认识。并着重研究了神经网络的学习算 法。， 神经网络和模糊理论及基于数据库的故障推理机制用于饱和蒸汽轮 机故障诊断的研究 f 通过大量实践，着重研究将模糊理论和神经网络结合起来诊断汽轮 机潜在故障。同时，作者根据课题特点，尝试基于数据库的查询操作 进行故障诊断结果的推理，目前已在软件系统上实现，效果良好。y 上海交通大学硕士学位论文 开发基于模糊神经网络的饱和蒸汽轮机故障诊断系统 ， 悱者采用先进的“客户n 务器”体系结构，设计并实现了饱和蒸 汽轮机的在线故障诊断系统。其中客户端采用v b + v c ( 动态连接库) ， 服务器端采用s q ls e r v e r ，该系统将基于神经网络的故障诊断与基于 知识的推理机制完美的结合在一起，同时，系统靠菜单系统驱动，界 面友好，使该系统具有更加强大的对诊断结果解释昨能力，可以指导 现场操作人员排除故障，并可用于操作员培训。y 关键字： 饱和蒸汽轮机，智能系统，故障诊断，模糊神经网络， 热力参数 i l 圭塑奎望查兰堡主兰竺堡苎一 f a u l td i a g n o s i s o fs a t u r a t e ds t e a mt u r b i n e b a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r k a n d s o f t w a r ed e v e l o p m e n t a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o fm o d e r ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y e s p e c i a l l y t h e a c h i e v e m e n ti ni n f o r i l l a t i o nt e c h n o l o g y ( i t ) a n dc o m p u t e rs c i e n c e ，m a k e si t p o s s i b l ef o ru st od e s i g na n dc o n s t r u c tm o r e e f f i c i e n ti n t e l l i g e n td i a g n o s i s s y s t e mf o rs a t u r a t e ds t e a mt u r b i n e h o w e v e r t h e r e a r em a n y p r o b l e m s t i l l n o wi nt h i sf i e l ds u c ha st h el a c ko f e x p e r i e n c ei nt h ei n t e g r a t i o no f i ta n d c o m p u t e r s c i e n c ew i t hs t e a mt u r b i n es y s t e m i nt h i sp a p e r ，s o m ei m p o r t a n tf a u l tc a s e si ns t e a mt u r b i n ea r ed i s c u s s e d i no r d e rt oi n t e g r a t et h et h e o r yo f n e u r a ln e t w o r ka n df u z z ys e ti n t ot h i s p r o i e c t ，w et o o k at h o r o u g hr e s e a r c ho nt h e s et w of i e l d sa n dc a m et os o m e e f f e c t i v es c h e m ef o rt h e i ra p p l i c a t i o nt of a u l td i a g n o s i s an e wi n f e r e n c e m e c h a n i s mb a s e do nd a t a b a s eq u e r yo p e r a t i o ni sa l s oa p p l i e d a tl a s t t h i s p a d e r d e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fac o m p u t e r i z e ds a t u r a t e ds t e a mt u r b i n e f a u l td i a g n o s i si n t e l l i g e n ts y s t e m d e s i g n e d t oa s s i s tp e r f o i t n a n c ee n g i n e e r s t h e o b j e c t i v eo f t h i ss y s t e mi st os e r v ea sap o w e r f u lt o o li nd i a g n o s i n gt h e p o t e n t i a lf a u l t sc a u s e db yd i f f e r e n tc o m p o n e n t so f t h es t e a mt u r b i n et h r o u g h m a r t m a c h i n ei n t e r c o m m u n i c a t i o n s t h ew h o l e s y s t e mw a sd e v e l o p e do n a n i n t r a n e tt op r o v i d ea n i n t e g r a t e d u s e r f r i e n d l ya n d m e n u d r i v e n e n v i r o n m e n ti nm e e t i n gt h eo p e r a t o r sr e q u i r e m e n t s s o m ec o n f i r m a t i o n sh a v eb e e nm a d es of a ri nt h el a b i nt h en e a rf u t u r e t h i ss y s t e mw i l lb ei n s t a l l e di nq i n s h a nn u c l e a rp o w e rp l a n tf o rf u r t h e rt e s t k e yw o r d s ：s a t u r a t e ds t e a m t u r b i n e ，i n t e l l i g e n td i a g n o s i ss y s t e m ， f a u l t d i a g n o s i s ，f u z z y n e u r a ln e t w o r k 1 1 1 占童奎望奎兰堡主塑堡苎一 第一章绪论 1 1故障诊断技术的发展历史 故障诊断( f d ) 始于( 机械) 设备故障诊断，其全名是状态监测与故障诊断 ( c m - f d ) 。它包含两方面内容：一是对设备的运行状态进行监测；二是在发现异 常情况后对设备的故障进行分析、诊断。设备故障诊断是随设备管理和设备维修发 展起来的。美国自1 9 6 1 年开始执行阿波罗计划后，出现一系列因设备故障造成的 事故，导致1 9 6 7 年在美国宇航局( n a s a ) 倡导下，由美国海军研究室( o n r ) 主 持成立了美国机械故障预防小组( m f p g ) ，并积极从事技术诊断的开发。美国诊 断技术在航空、航天、军事、核能等尖端部门仍处于世界领先地位。英国在6 0 7 0 年代，以c o l l a c o t t 为首的英国机器保健和状态监测协会( m i - i m g & c m a ) 最先开始研究故障诊断技术。英国在摩擦磨损、汽车和飞机发电机监测和诊断方面 具领先地位。日本的新日铁自1 9 7 1 年开发诊断技术，1 9 7 6 年达到实用化。日本诊 断技术在钢铁、化工和铁路等部门处领先地位。我国在故障诊断技术方面起步较 晚，1 9 7 9 年才初步接触设备诊断技术。目前我国诊断技术在化工、冶金、电力等 行业应用较好。故障诊断技术经过多年的研究与发展，已在全世界范围内广泛应用 于飞机自动驾驶、人造卫星、航天飞机、核反应堆、汽轮发电机组、大型电网系 统、石油化工过程和设备、飞机和船舶发动机、汽车、冶金设备、矿山设备和机床 等领域 1 】 2 】。 大体上可以把设备故障诊断技术的发展分为四个阶段：第一阶段是在1 9 世纪， 当时的机器设备的技术水平和复杂程度都很低，基本上都是事后再维修机器以达到 机器的安全运转；第二阶段是在进入2 0 世纪后，随着大生产的发展，机器设备本 身的技术复杂程度有了很大程度的提高，设备故障和事故也经常发生，由此对生产 的影响也日易显著起来。这时候出现了定期预防和维修的维护机器的方式，从这时 起机械设备故障诊断技术开始萌芽孕育起来。到了6 0 年代，特别是进入7 0 年代以 来，机械设备故障诊断技术的发展进入第三个发展阶段。设备诊断技术随着现代计 算机技术，数据处理和测量设备等技术的发展，更科学、更系统的机械设备状态维 修和监控方式逐步发展起来。到了现在，也就是机械设备故障诊断技术发展的第四 个阶段，随着人工智能技术和专家系统，神经网络的迅速发展，并且在实际工程中 的广泛应用，使得机械设备诊断技术和设备监控维护达到了很高的智能化程度。虽 然还存在着很多有待解决的问题，但从已有的研究成果表明，机械设备的智能诊断 和监控具有十分广泛的应用前景。 汽轮机是用来将高温高压的蒸汽转换成电能或者是设备的机械能的典型动力设 备、汽轮机已被广泛的应用于电力、能源、交通及军事等关系到国计民生的重要部 门。在国民经济飞速发展的今天，研究提高汽轮机的寿命及进行汽轮机故障诊断， 减少汽轮枫的运行故障，已成为一个非常紧迫的任务，这不仅能提高汽轮机运行的 绎济效益，而且对于汽轮机系统的可靠运行都有非常重要的意义。 对于汽轮机的故障诊断的研究中曾经存在着两种截然不同的观点：一种是对汽 轮机的故障诊断的研究持怀疑的态度，认为对汽轮机的故障诊断研究没有必要，是 浪费人力物力和财力，等机械坏了再修一样；另一种观点认为，对于汽轮机故障诊 断是非常有必要的，也是必须的，因为汽轮机能够安全正常的运行，无疑会促进经 济效益的提高。据有关资料的显示1 0 ，1 9 8 0 年美国的工业设备的维修费用就达到 2 4 6 0 美元，其根本原因就在于缺乏良好的状态监控技术及设备。1 9 8 5 年1 2 月2 9 日，我国山西某电厂一台2 0 万千瓦的发电机组在4 0 秒之内全部损坏，造成的直接 经济损失就达1 0 0 0 万元以上，其根本原因也是缺乏有效的监控和故障诊断预报系 统。纵观国内外的实际情况，我们不难看出，对于主要设备的故障诊断和监控是非 常重要的，而且也是系统正常运行的关键，因此后种观点更值得重视。但是也不 能一叶幛目，要用全面的眼光去看待专家系统故障诊断领域内的问题，专家系统自 身也必须不断的发展，还有很长的路要走。 1 2故障诊断的主要理论和方法 故障诊断技术虽然已经经历了很多年的发展，但作为- - j 综合性新学科一故障 诊断学一还是近些年发展起来的。故障诊断有多种分类方法，这些方法各有特点。 从学科整体上可归纳为以下几种诊断方法 3 1 1 4 5 6 1 。 【1 】模糊诊断方法：模糊诊断是根据模糊集合论征兆空间与故障状态空间的某种 映射关系，由征兆来诊断故障。由于模糊集合论尚未成熟，诸如模糊集合论中元素 隶属度的确定和两模糊集合之间的映射关系规律的确定都还没有统一的方法可循， 通常只能凭经验和大量试验来确定。另外因系统本身存在很多不确定的和模糊的信 息，以及要对每一个征兆和特征参数确定其上下限和合适的隶属度函数，而使其应 用有局限性。但随着模糊集合论的完善，相信该方法有较光明的前景。 【2 】故障树分析诊断方法：它是一种图形演绎法，把系统故障与导致该故障的各 种因素形象地绘成故障图表，能较直观地反映故障、元部件、系统及因素、原因之 间的相互关系，也能定量计算故障程度、概率、原因等。今后研究应注重与多值逻 辑、神经元网络及专家系统相结合。 【3 】故障诊断灰色系统理论和方法：该方法是从系统的角度来研究信息的关系， 即利用已知的诊断信息去揭示未知的诊断信息。它有自学习和预测功能。它利用灰 色系统的建模( 灰色模型) 、预测和灰色关联分析等方法进行故障诊断。由于灰色 系统理论本身还不完善，如何利用己知信息更有效地推断未知信息仍是一个难题。 【4 】故障诊断神经网络理论和方法：神经网络应用于故障诊断是其最成功的应用 之一。由于神经网络具有原则上容错、结构拓扑鲁棒、联想、推测、记忆、自适 应、自学习、并行和处理复杂模式的功能，使其在工程实际存在着大量的多故障、 多过程、突发性故障、庞大复杂机器和系统的监测及诊断中发挥较大作用。在众多 的神经网络中，尤其以基于b p 算法的多层感知器( 枷l p ) 神经网络理论最坚实， 应用最广泛且最成功。神经网络故障诊断方法易实现对非线性系统的故障诊断。重 点研究在线学习算法，知识表达和鲁棒学习算法等，但其解释能力较差。 【5 】故障诊断专家系统理论和方法：该方法是近年来故障诊断领域最显著的成就 之一。它的内容包括诊断知识的表达、诊断推理方法、不确定性推理以及诊断知识 的获取等。且前存在的主要问题：缺乏有效的诊断知识表达方式，不确定性推理方 2 上海交通大学硕士学位论文 法，知识获取和在线故障诊断困难等。在专家系统中比较常用的方法是：基于规则 和基于模型的故障诊断方法。基于规则的诊断方法是根据被诊断系统的专家以往诊 断的经验，将其归纳成规则，并运用经验规则通过规则推理来进行的故障诊断。该 方法具有诊断过程简便、快速等优点。基于规则的方法属于反演推理，因而不是一 种确保唯一性的推理形式。该方法存在着知识获取瓶颈。对于个复杂系统所观测 到的症状与所对应故障之间联系是相当复杂，专家经验归纳成规则不是唯一的并且 有相当难度。因此该方法不适于复杂系统或新的及未有经验的系统的故障诊断。基 于模型的诊断方法 7 】 8 】 9 】 1 0 】是运用被诊断系统的运行模型和故障模型，根据由 模型获得的预测形式和所测量观察的形态之间的差异计。算出被诊断系统的结论。 它的原理是：首先通过测量获取所观测的形态，然后基于系统输入和所有组件的正 常状态模型获得预测形态。根据这两种形态的差异计算获得诊断结果。基于模型的 诊断方法具有不依赖关于被诊断系统的诊断训练例子和诊断经验，因而适用于新的 及未有经验的系统的故障诊断，能够诊断多重故障并能对诊断结论进行解释。但基 于模型的诊断方法也存在着局限性，对于大型被诊断系统计算量过大，推理判断需 给出多种假设，经过多次循环计算的出诊断结果。 【6 】基于案例的故障诊断方法：基于案例的推理( c a s eb a s e dr e a s o n i n gc b r ) 能通过修订相似的成功结果来求解新问题。它能通过将获取新知识作为案例来进行 学习，不需详细的应用领域模型 1 1 】 1 2 】 1 3 1 4 1 5 】。在c b r 中的主要技术包括： 案例表达和索引、案例的检索、案例的修订、从失败中学习。基于案例的诊断方法 的原理是：对于所诊断的对象，根据其特征和症状从案例库中检索出与该对象的诊 断问题最相似匹配的案例，然后对该案例的诊断结果进行修订作为该对象的诊断结 果。基于案例的诊断方法适用于领域定理难以表示成规则形式。而易表示成案例形 式并且己积累丰富案例的领域( 如医学诊断) ，但它也存在一定的局限性，基于案 例的诊断方法难以表示案例之间的联系，对大型案例库案例检索十分费时，并且难 以决定选择那些症状及它们的权重。故障诊断理论和方法分类虽然很多，但可归纳 为二类： 基于非模型的故障诊断理论和方法，如基于信号空间特征、模态和信息处理 方法的诊断理论与方法；基于知识推理、人工智能、专家系统的诊断方法；基 于模式识别和神经网络的诊断方法。 基于系统数学模型和现代控制理论、方法的故障诊断理论和方法，也包括相 互间的结合和集成。 1 3 国内外发展动态 故障诊断是一门新兴的学科，它的主要原理是利用我们已经掌握的系统知识来 模拟系统的运行状态，对系统的运行状态进行监测与校验，同时对系统内某些较重 要的参数进行计算或转换，预报系统的运行状态，对可能产生的故障进行报警。国 外目前对热力系统的热参数故障诊断已经有了较快的发展。其中，在电站热力系统 的故障诊断系统中，国外的成功实例很多。在此方面，世界著名的公司如美国西屋 ( w e s t i n gh o u s e ) 公司、a b b 公司以及西门子公司等都处于领先的地位。比如我 国上海的华能石洞口第二发电长引进的全套设备，其自动化水平之高是同期国内机 上海交通大学硕士学位论文 组中所无法相比的。这套机组能够实现重点部件的故障自动监测和诊断，发现故障 部位，对故障设备进行隔离，自动投运备用设备等自动化操作，达到了国际八十年 代初期的水平。国外在相关领域的自动化监测中，已经实现了1 0 0 m w 以上机组的 全自动监测，实现了整个电力生产的自动化。 国内在相关领域的专家系统的研究和应用中，起步较晚，但已经有了一定方面 的应用。在电力行业中，首例应用的华北电力学院1 9 8 6 年推出的日调度计划系 统，此后又有许多成功的应用，如华中理工大学的汽轮发电机在线故障诊断专家系 统，上海交通大学陈汉平教授为主研制的汉川电厂汽轮机在线故障诊断系统等。此 外，清华大学和哈尔滨工业大学等都在此方面有一定成功的研究和应用。但是，国 内目前在汽轮机故障诊断研究领域内，整体实力还不强，其最新的系统仍然是以 3 0 0 m w 以下的机组为主，对较大容量机组的研究与开发与国际先进水平相比差距 还很大，还有待于进一步提高。 目前，在汽轮机的故障诊断领域存在这许多困难。首先，汽轮机在现场的运行 工况是千变万化的，我们设计的故障诊断系统是针对某种具体的模型化的工况，该 工况是在理想情况下彳是到的，与实际的工况会有一定构差别，甚至会完全不实用， 因此我们设计的故障诊断程序就应该能够适应现场的需要，根据现场的情况进行实 时调整。人工神经网络可以自学习，自校正。其次，我们的推理模型所采用的不精 确推理方法有一定的局限性，尤其是对知识库的管理是一个比较难于处理的问题， 它一直是设计故障诊断专家系统的瓶颈，对于知识库的搜索效率是直接影响到故障 诊断系统的效率。我们尝试用数据库的查询管理来进行知识库管理和故障推理。 1 4 课题研究目的和主要研究内容 本课题研究来源于中国船舶工业总公司的国防科技项目“饱和蒸汽轮机监控技 术”的予项目“饱和蒸汽轮机机组热力参数稳态性能在线监测、诊断管理软件的研 制”。项目要求为： ( 1 ) 饱和蒸汽轮机仿真和监测软件。 ( 2 ) 知识库系统和诊断软件。 作者的主要研究内容为第二项，本文重点讲述这部分内容。 传统的蒸汽轮机故障诊断技术往往是以振动信号为主，然而，饱和蒸汽轮机的 运行状态与热力参数有看密切的关系，热力参数的变化，不仅可以判断汽轮机安全 性、经济性等技术状态，而且它是故障发生的征兆，可以作为故障诊断的推理基 础。根据热力参数变化特点，我们选用模糊神经网络作为诊断工具，进行了相关的 研究，并研制出软件系统，在试验室内运行良好。 4 圭生窒望查堂堡主兰堡堕苎一 第二章饱和蒸汽轮机的热力特性及常见故障 本文本章就饱和蒸汽轮机热力系统的特性和常见的问题进行简单的分析和讨 论。还简单回顾和总结了汽轮机的结构特点，尤其是核电站饱和汽轮机的不同之 处。并进一步分析了几种重要的饱和蒸汽轮机故障。 2 1饱和蒸汽轮机热力系统的特点 汽轮机是一种将蒸汽势能转化为转子机械功的原动机。任何汽轮机都是由不动 件和转动的部件组成。转动的部件就是转子，不动件是定子。固定在喷嘴箱或隔板 中不动的喷嘴叶栅和相邻的旋转的动叶栅总称为汽轮机的级。动叶栅固定在按蒸汽 流程紧跟于喷嘴叶栅后的叶轮上。在每一列喷嘴叶栅中的汽流，在特定设计的喷嘴 流道中被加速并获得必要的流动方向，以使得汽流无冲击地进入动叶片的流道。蒸 汽在动叶片上产生的作用力转动了叶轮和与之相连的轴。定子由汽缸构成。汽轮机 上还有轴承装置，盘车装置和自动保护及调速装鼍等。 与常规电站相比，核电站的饱和蒸汽轮机有很多的不同之处和特点。 1 必须适应反应堆的调节特性 反应堆对汽轮机负荷的跟踪和适应性不如常规电站的锅炉设备，不允许负荷发 生大的变化。在一般情况下，它只允许每分钟5 全功率的最大变化。在某些事故 工况下，它允许的最大每分钟瞬态负荷变化为1 0 全功率。由于反应堆与蒸汽发 生器有很大的热惯性，当汽轮机每分钟的瞬态负荷变化超过1 0 全功率时，二回 路热力系统必须迅速正确的提供一个人为的负荷，来维持反应堆与汽轮机之间的功 率差。这个可以由旁路系统来完成。 2 保证反应堆在事故工况下能安全运行和停堆 反应堆具有很大的热惯性，在汽轮机甩去全部负荷，冷凝器失效等情况下，要 求二回路能够连续有效的向蒸汽发生器供水，同时将蒸汽发生器产生的蒸汽向大气 释放，带走反应堆的裂变能量。为满足上述要求，二回路热力系统必须增加设置事 故给水系统和大气释放系统。在事故给水系统中必须设置事故给水箱。使得有效的 储水量能够满足反应堆在最大功率下运行时发生紧急停堆，带走堆芯余热所必须的 冷却水量。 3 考虑放射性物质的监测 蒸汽发生器的管束在运行过程中发生破损或者泄漏时，可能造成二回路放射性 污染。为了能及时发现上述问题的产生情况，并采取相应的措施，在二回路蒸汽发 生器排污管线以及抽汽器和除氧器排汽管线上，都装有放射性监测装置。当二回路 的放射性超过标准时，通过装在冷凝器热井下的污水泵和蒸汽发生器的排污系统， 将放射性废水送入废水处理系统，将废气排入一回路通风系统，通过集中处理，净 化后排出大气。 4 蒸汽参数低，流量大，热力学循环过程不同于常规电站 蒸汽发生器的新蒸汽参数一般为5 0 7 0b a r 的饱和蒸汽。相对火电机组的新蒸 汽参数低很多。为了达到同样的功率就必须增加蒸汽的流量。巨大的蒸汽流量使得 上海交通大学硕士学位论文 二回路管道和设备尺寸大为增加，同时使二回路部分设备型式和结构发生变化。有 的机组采取比如半转速或者其它如较多的低压缸等设计形式。 5 去湿装置 因为蒸汽发生器提供的是饱和蒸汽，使汽轮机中的大部分处于湿蒸汽条件下工 作，在不采取任何措施的条件下，机组最终的排汽湿度可达到2 0 2 5 左右。严重 影响汽轮机的效率和安全运行。为了提高汽轮机的效率和运行的可靠性，在汽轮机 的内部和外部都采取了相应的去湿措施。汽轮机的内部去湿主要有： 1 )内槽式分离，把隔板和叶片做成空心，利用级间的压力差抽走叶片表 面的水分； 2 )将处在高湿度区的动叶片背弧开槽。利用叶片旋转的离心力将叶片表 面水分通过槽沟排出； 3 )在汽缸内设置许多去湿腔，收集各个地方的疏水并及时排除。 汽轮机的外部去湿包括在商、低压汽缸之间设置汽水分离器和再热器。这样可 以使得低压缸的入口参数提高到有一定过热度的过热蒸汽。从而提高了机组的热效 率和安全性。 另外在通流部分还要在材料的选择上考虑抗蚀性。因为湿蒸汽对叶片等部件的 侵蚀比较厉害。 核电站汽轮机的工作曲线 常规电站汽轮机的工作曲线 图2 - 1 典型压水堆饱和蒸汽轮机与常规火电站汽轮机的工作过程曲线比较( 焓熵图) 另外，就热力系统而言，还具有以下的一些特征： 1 理想焓降小。多数湿蒸汽汽轮机的理想焓降比常规火电站的焓降大约 小一半。例如现代的压力为p 。= 6 o m p a ，具有外分离器的湿蒸汽汽轮机的理想 上海交通大学硕士学位论文 焓降，比p ：，。= 的汽轮机的理想理想焓降的 还少。这样的n 2 3 m p a t5 5 0 6 0 结果是：( 1 ) 大多数的湿蒸汽汽轮机中没有中压缸； ( 2 ) 低压缸大约产生 5 0 6 0 的功率，所以低压缸对整个机组的经济性有重大的影响； ( 3 ) 余速损 失排汽管的利用等节流损失对汽轮机的经济性有重要的影响。 2蒸汽的容积流量大。因为湿蒸汽的初参数比较低，理想焓降小和效率 比较低等原因，湿蒸汽的容积流量相对常规电站汽轮机的容积流量大很多。因而 进一步造成进汽机构尺寸增大、双分流、长叶片以及扭曲叶片。有些甚至采用低 转速等技术。 3蒸汽的湿度比较大以及因此引起的内效率降低和安全性运行的严重问 题。可以近似的认为，湿度增加1 ，则汽轮机的相对内效率降低1 。密度相当 高的蒸汽中在膨胀初期所形成的水分对通流部分的元件会产生冲蚀破坏作用。在 结构上也有相当的考虑措施。比如增大喷嘴叶栅和动叶栅之间的间隙等。 4相同相似的蒸汽参数在单机功率相对功率比较小。 5可靠性的问题。对核电站的可靠性提出了更高的要求。原因是汽轮机 事故停车时反应堆不能立即停下来。因此，要求核电站汽轮机在设计时有大的安 全系数，使用材料更优良的材料，尽可能使用经过考验的喷嘴叶栅和动叶栅等。 6 汽轮机中积聚的水分和水膜对汽轮机机组的飞升性能的影响。汽缸之 间的管道以及再热器等蒸汽容积和延伸管道中的水分和水膜在甩负荷时候的蒸发 和汽化会引起转速的增长1 5 - 2 5 。因此结构上的调整包括：( 1 ) 在汽水分离再 热器后蒸汽进入低压缸之前的管道上装设专用的阀门；( 2 ) 缩短高低压缸之间 的管道尺寸；( 3 ) 完善汽轮机和管道的疏水等。 7环境保护或者生态保护。主要是放射性的考虑因而加强了密封的要 求。整个装置的密封以及相应的监测，法兰结合面的绝对紧密以消除漏汽等。 2 2 饱和蒸汽轮机的热力系统的主要部件及其结构特点 如上节讨论，作为饱和蒸汽轮机的最大特点就是汽缸的入口参数低，为湿蒸 汽，流量大等。核电站饱和蒸汽轮机目前的容量都比较大，单机容量从6 0 m w 到 1 3 0 0 m w 等，绝热热降也小于同等条件的火电机组，大约为1 0 8 0 1 1 2 0 k j k g 的范 围内。而火电机组则为1 6 6 0 1 8 6 0 k j k g 的范围内。所以同等功率的核电机组的容 积流量一般为火电机组的3 - 5 倍左右。质量流量为1 5 1 7 左右。本文在这里作个 简单的讨论。 从核电站的饱和蒸汽汽轮机的原则性热力循环的来看，存在两种提高汽轮机装 置经济性能的途径。第一种途径就是依靠加大蒸汽发生器的吸热平均温度与冷凝器 间的放热温度差，来提高蒸汽循环的效率。第二种途径在于改善汽轮机和其它电站 的设备的结构，主要是减少汽轮机通流部分种的损失，机械损失和电机损失，提高 装置的内效率。其中描述汽轮机的重要相关参数为有效焓降、内效率、有效功率等 指标。 蒸汽的初参数对蒸汽循环的影响很大。提高蒸汽的初压力，可以使得循环的热 效率提高，但是在同等的温度下，却使得出口的湿度增大。增加初始温度可以显然 地增大循环的热效率。但是，在现代的电站中，广泛的采用高达5 4 5 5 6 5 的过 上海交通大学硕士学位论文 热蒸汽以提高效率。进一步的提高温度就要受到现代冶金可能性的制约，并与电站 的费用的显著增长相关。因为它要求蒸汽过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压段使用 昂贵的材料。出口的压力对汽轮机的性能影响也很大。主要是放热平均温度的降低 提高了热效率。现代电站的冷凝器的压力为3 5 - 4 k p a 。 一般情况下，在核电站中有载热质和工质。工质是实现能量转化的介质。压水 堆核电站中的工质就是参数比较低的水蒸气、饱和蒸汽或者微过热蒸汽。载热质就 是用来传递反应堆中的热能的液态或者气态工质，这里也是水。按照载热质或者工 质回路可以分成单回路、双回路和三回路等。 涉及到热力系统部分在第三章的数学模型部分进行比较详细的分析。更具体的 结构以及数据参数等请参考相关的文献和技术资料。这里就不进行详细的分析和展 开。 饱和汽轮机机组在以下的几个主要部件的结构上有明显的特征： l 汽轮机本体 在这里是汽轮机本体是指高压缸和低压缸。因为急剧增加的容积流量使高压缸 普遍采用双流形式。由于机组的绝热热降小，通常无中压缸，因而低压缸在功率分 配中占有较大的比重。在末级长叶片的设计方面提出了更高的要求。在强度计算以 及振动性能较难得到保证。 有的机组采用半速技术。但是因为其造价高以及庞大的低压缸等问题也是其缺 点所在。 秦山核电站所采用的是由上海汽轮机厂根据美国西屋( w e s t i n g h o u s e ) 公司的 标准和相关的技术文件制造的。额定转速为3 0 0 0 转分。采用单轴、三缸、四排汽 结构，一只高压缸和两只低压缸沿轴线分布，高低压缸为双流形式。其中高压缸为 每流9 级，低压缸为每流7 级。汽轮机的调节方式为节流调节。由四只调节阀门同 时启闭。汽轮机与反应堆的功率协调采用正常运行时反应堆功率跟踪汽轮机负荷， 反应堆故障时汽轮机调节系统接受反应堆调节系统发出的负荷限制信号自动限制负 荷。 新蒸汽由两条主蒸汽管经过两套联合汽门( 每套一只汽阀门两只调节阙门) 进 入高压缸，两只汽水分离再热器布置在低压缸轴线两侧，用以接受并分离高压缸的 水分，并将其过热到过热状态，分离器为波板式，再热器为肋片管式，摇板式主蒸 汽阀门和两个调节阀门构成进汽组件，成y 型布置，四只再热器主汽阀门和再热 器采用蝶阀，布置在四条低压缸进汽管上。 本机组为7 级回热加热系统。高压缸的三个抽汽点在4 、6 、9 级后抽汽，称为 1 、2 、3 级抽汽。分别供1 、2 、3 号高压加热器用汽。其中的部分还供给一级再 热器和辅助蒸汽用汽。低压缸4 个抽汽点，分别在2 ，4 ，5 ，6 级的后面抽出，称 为4 ，5 ，6 ，7 级抽汽。本机组设置两台射汽式主抽汽器和射汽式启动抽汽器，其 汽源为主蒸汽。 汽缸是汽轮机的外壳，其作用为将通流部分和外界隔离开。形成封闭的汽室， 保持蒸汽在汽轮机内完成其能量的转变。汽缸内部设有静止部件：持环、隔板和汽 封：与汽缸相连的有进、排汽管道以及回热抽汽管道等。 ：! 塑銮望查兰堡主兰垡塑 2 进汽阀门 因为容积流量的增加为常规电站的4 倍左右，所以阀门尺寸也增大了。给机组 的结构设计和布置带来了新的困难。主要有振动的解决等问题，如机组的调节阀门 经常发生事故，其主要原因是汽流引起的不正常振动。这与核电饱和蒸汽轮机的阀 门尺寸与汽动力的成倍增加有关，致使阀门在更为严酷的条件下工作。低频率大振 幅的振动产生于阀门的不稳定附着流，为了降低影响，必须使用有良好消振性能的 线型结构。 3 汽水分离器和再热器 简称为m s r ( m o i s t u r es e p a r a t o ra n dr e h e a t e r ) 。 外置式汽水分离器和再热器是核电站饱和蒸汽轮机的必不可少的设备之一。对 汽水分离器的最大要求就是最大程度的汽水分离和最小的压力损失。分离的效率及 其压力损失取决于分离器的结构和尺寸。在汽轮机中提出如下的要求：分离效率要 比较高，压力损失要小，结构紧凑。分离器有多种型式：离心式、板式和网式等。 其中波纹式和网式分离器最为完善，且使用广泛。分离效率可达到9 5 以上。为 卧式结构，有一级分离和两级再热系统。由本体和辅助系统组成。本体包括分配元 件，分离元件，再热元件和壳体等四大部分。具体的关键参数见附录一：汽轮机关 键技术参数。 为了保证低压缸叶片的安全运行，再热器是必备的。高压缸的排汽经过汽水分 离后，通过再热，成为过热蒸汽，从而提高低压缸的排汽干度，有利于低压缸的安 全和运行。 显然，汽水分离器和再热器提高的蒸汽的温度，去除了蒸汽中的疏水。提高了 低压缸的出口于度和低压缸中的蒸汽干度。从而提高了汽轮机的安全性和经济性。 4 再热阀门 核电站饱和汽轮机调节系统的动态性能与火电机组相比有不同的特点。 饱和蒸汽轮机有更大的蒸汽容积，在蒸汽流道中覆盖有水膜和可能积水。当负 荷发生变化时，容积中的饱和水就可能蒸发为具有做功能力蒸汽，而使得机组的动 态性能不同与常规的电站汽轮机。 汽水分离器和再热器以及相关联的管道的容积也大于想对应的常规电站。因 此，在低压缸的入口处装上阀门是一种有效的方法。它可以抑制储存在这些容积内 的蒸汽和水分，使其不能进入低压缸，从而避免了机组的超速。起阀门口径大，多 用碟阀。优点为尺寸小，重量轻，结构简单，全开压力损失小。操作力矩小。广泛 用在饱和蒸汽轮机的再热阀门上。 5 ：冷凝器 冷凝式汽轮机是现代火电站和核电站中广泛采用的典型机组。冷凝器是冷凝式 汽轮机的重要组成部分。冷凝器的性能直接影响到整个装置的热经济性和运行可靠 性。它在电站的热力循环中是起着冷源的作用。因此它是完成热力循环的重要组成 圭塑奎望奎堂堡主堂垡堡苎一 部分。降低排汽压力和排汽温度可以提高循环效率。在东方汽轮机厂的3 0 0 m w 机 组的性能分析中，经过研究分析后指出，排汽压力下降1 ，则相对效率也大约下 降1 。若汽轮机的排汽温度下降50 c ，则相对效率增加l 。对大的电站这个经济 效益是相当可观的。 秦山核电站的冷凝器由两台并列横向布置的冷凝器组成。两台冷凝器的汽空间 通过接颈斜段上的四根连通管相通。水扩容器的二次蒸汽经过管道通入l 号冷凝器 的接颈斜段，疏水金国u 型管道通入1 号冷凝器的扩容箱。 两台冷凝器都是单壳体、对分式，双通道，双流程表面式全钛结构。两台冷凝 器的结构相同。每台都是由左右两只进出口水室，两只水室盖、左右两只折回水室 和一只包容冷却管系的壳侧的本体组成。 6 功口热器和除氧器 它们都是电站中的重要辅助设备，是回热循环的重要部分。利用汽缸的抽汽来 加热给水和除去水中的气体( 除氧器) 。使得部分已经做功的蒸汽全部回收，从而 减少了排汽损失，提高了电站的热循环效率。另外提高了蒸汽发生器的给水温度 减少了蒸汽发生器传热管的温差，有利于减少传热管的热应力。 在秦山核电站厂房中，两台并列的除氧器和给水箱设置在“0 4 ”厂房1 4 5 m 标 高的除氧器间层，共用一套压力调整装置和水位控制系统运行中不能单独解列或者 分隔运行。两台除氧器和给水箱内部和系统布置基本相同。除氧器给水箱还有水位 整定的操作。 秦山核电站机组采用的是3 高3 低1 除氧器的回热系统。配置见热力系统示意 图。主要的参数见附录一。具体的结构和运行特性详见相关的文献。 2 3 核电站汽轮机的的工况和运行情况 正常运行值班人员的责任就是监视设备的状态和控制装置的主要参数。从汽轮 机的角度来说，必须连续的监视下列指标：进入汽缸的蒸汽参数；机组的振动状 态：支撑轴承和推力轴承轴瓦和瓦块以及油的温度；排汽管的温度和真空；各监测 点的压力、温度等。 温度降低时，特别是如果它降低很快时，在汽缸的零部件的内表面和转子的外 表面处就会出现拉伸应力。多次冷却和加热会出现疲劳裂纹。新蒸汽和再热蒸汽的 降低，将使得级内的理想焓降减少，反动度和推力增大。为了发出额定的功率，要 求增加蒸汽流量，同样地也会使得级内的压降增大。因此新蒸汽的温度下降也有相 应的限制。 汽轮机使用湿蒸汽工作时，必须从汽缸、汽水分离器和集汽管等中排放大量的 疏水。排放系统的各种事故可能引起汽轮机进水，或者导致在汽缸和蒸汽管道的上 下生成线处出现大量的温度差。 2 4 饱和蒸汽轮机常见故障分析 圭塑窒望查兰堡主兰竺笙苎一一 从上面的分析可以看出，饱和蒸汽轮机的工质是湿蒸汽，汽轮机内的各部件的 运行热力参数与常规电站有一定差别，因而我们重点考察如下故障： 真空下降事故通流部分磨损事故轴系断裂事故高加内部故障【4 7 】 2 4 1真空下降事故 汽轮机真空下降，分为急剧和缓慢下降两种情况。处理真空下降事故要掌握 以下原则。 ( 1 ) 发现真空下降时首先要对照表计。如果真空表指示下降、排汽室温度上 升，即可确认为真空下降。在其它工况不变时，随着真空降低，负荷自发地减少。 ( 2 ) 确认真空下降后应迅速检查原因，根据真空下降原因采取相应的处理措 施。 ( 3 ) 真空度下降2 以上时，应启动备用射水抽器或辅助空气抽气器。 ( 4 ) 在处理过程中，若真空继续下降，应按规程规定减少机组负荷，防止排 汽室温度超过6 0 ，防止低压缸大气安全门动作。 按下列规定的真空度减少负荷，直至减负荷到零，打闸停机。 真空度( ) 8 5 8 38 07 77 5 7 25 9 负荷( m w ) 2 0 01 6 02 0 8 04 00 停机 、真空急剧下降的原因及处理 1 循环水中断 循环水中断的故障可以从循环水泵的工作情况判断出。加发现循环水泵电机电 流和水泵出口压力到零时，说明循环水泵跳闸。若非厂用电全停，立即关闭其出口 门防止倒转( 切勿强投，以免电机过载和断轴) 。启动备用循环水泵。如无备用 泵，迅速将负荷减到零，打闸停机。 如果循环水泵出口压力、电机电流摆动，通常是循环水泵吸人口水位过低，水 篦予堵塞所致。此时，应尽快采取措施提高水位或清除杂物。 如果循环水泵出口压力、电机电流大幅度降低，则可能是循环水泵本身故障引 起的。此时应迅速启动备用泵，停止故障泵，实践中曾发生过断轴和叶轮损坏事 故，就是这种情况。 如果循环水泵在运行中出口门误关，也会造成真空急剧下降。其事故现象是， 凝汽器入口压力降低，出入口水温差增大。对于混流泵，电机电流略有增加：对于 离心泵，电流减少。这时应立即开启出口门。总之，对于循环水中断或大量大幅度 减少的可能原因，要进行详细检查。 2 射水泵工作失常 如果发现射水泵出口压力、电机电流同时到零，说明射水泵跳闸；如射水泵压 力、电流下降，说明泵本身故障或侵入空气。发生以上情况时，均应启动备用射水 浆及射水抽气器。有一台机组，射水池补水来自水源地供水管，且直接补到射水泵 入口管处。在切换供水管时，大量空气侵入泵内，造成泵不打水，真空急剧下降、 一旦发生这种故障，处理时可暂时关闭射水器空气门，以减缓真空下降速度( 相当 于做真空严密性试验的情况) 。开启泵体放空气门，充分排气后再启动，待射水泵 工作讵常后再开启射水器空气门。 圭塑窒望查堂堡主堂垡堡苎一 3 凝汽器满水 凝汽器在短时间内满水，一般是凝汽器铜管漏泄严重，大量循环水进入汽侧或 凝结水泵故障所致。凝汽器满水的现象是，水位表指示最大；高水位报警信号灯 亮；玻璃水位计满水；凝结水严重过冷。处理方法是立即开大水位调整门并启动备 用凝结水泵，或同时转两个泵，必要时可将凝结水排入地沟，直到水位恢复正常； 如果铜管漏泄，还表现为凝结水硬度增加。这时应停止泄漏的凝汽器，严重时 则要停机。 如果凝结水泵故障，可以从出口压力和电流来判断。比如早期投产的凝结水 泵，运行中曾发生过断轴事故。其现象是凝结水压力到零，电流表指示值是电机空 载电流，造成凝汽器满水，真空急剧下降。由于及时启动了备用泵，保证了机组的 正常运行。 4 轴封供汽中断 如果轴封供汽压力到零或出现微负压，说明轴封供汽中断。其原因可能是轴封 压力调整器失灵、人为调整不当或汽封系统进水所致，特别是低压后轴封供汽不 足，将使真空迅速下降。此时应开启轴封调整器的近路门，开大后汽封供汽分门； 检查除氧器是否满水( 轴封汽源来自除氧器汽平衡时) 。如果满水，迅速降低其水 位到正常值，倒换轴封的备用汽源。 二、真空系统缓慢下降的检查和处理 因为真空系统庞杂，影响真空的因素较多，所以真空缓慢下降时，检查原因比 较困难。重点可以检查以下各项，并进行处理。 ( i ) 检查凝汽器出入口温度。无论开式循环或闭式循环的冷却水系统，凝冷器 都有可能因进入杂物而堵塞，从而使凝冷器人口压力升高，出入口温差增加。对于 装有胶球清洗装置的机组，应进行反冲洗，或停止堵塞的凝汽器进行人工清扫。对 于凝汽器出口管有虹吸的机组，应检查虹吸是否破坏。其现象是，凝汽器出口侧真 空到零，同时凝汽器入口压力增加。出现上述情况时，应使用循环水系统的辅助抽 气器，恢复出口处的真空，必要时可增加进入凝汽器的循环水量。如凝汽器上部水 空等处有不严密处或出口水管伸入虹吸井的长度太短时，应在最短时间内设法消 除。 如果凝汽器出入口温差增加，还可能是循环水出口管积存空气。这时只要开启 出口管空气门，排除空气，真空即可恢复。例如有一台机组，真空缓慢下降，经检 查发现凝汽器出入口温差达2 0 ，将出口管积存空气放出后，凝汽器负压，( 真 空) 上升1 6 0 k p a 。 ( 2 ) 检查射水抽气器工作水温是否升高。对于闭式循环的射水抽气器，罕求经 常补充工业水。工业水压力降低或补水门误关，都将使射水池内水温升高。有一台 机组，夏季运行时，同一工业水源分别向冷油器和射水池内补水。当工业水压力降 低时，循环水倒入工业水系统，使射水池水温升高，真空缓慢下降。找到原因后， 提高了工业水压力，真空恢复。 ( 3 ) 检查轴封压力是否正常。如果轴封压力不足，应开大调整门，保持轴封供 汽母管压力及去各轴封分压力保持在规程规