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基于特征通流面积理论的电站汽轮机通流部分故障诊断研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代电力生产体系中，电站汽轮机占据着极为关键的地位，是火力发电、核能发电等多种发电形式中实现能量转换的核心设备。以火力发电厂为例，燃料燃烧产生的热能被传递给蒸汽，蒸汽进入汽轮机后，通过一系列复杂的能量转换过程，将热能转化为机械能，进而驱动发电机产生电能。在这个过程中，汽轮机的稳定运行直接关系到电力供应的可靠性与稳定性。据相关统计数据显示，在我国的电力结构中，火电占比较大，而汽轮机作为火电设备的关键组成部分，其运行状态对整个电力系统的影响举足轻重。若汽轮机出现故障，不仅会导致发电中断，影响电力的正常供应，还可能引发连锁反应，对电网的稳定性造成冲击。

汽轮机的通流部分作为实现蒸汽热能向机械能转换的关键区域，其运行状态的优劣直接决定了汽轮机的性能和效率。通流部分主要包括喷嘴、动叶、静叶等部件，蒸汽在这些部件间流动并进行能量交换。然而，在实际运行过程中，通流部分极易受到多种因素的影响而出现故障。例如，蒸汽中携带的杂质可能会导致叶片结垢、腐蚀，降低叶片的效率和强度；长期的高温、高压环境会使部件材料发生蠕变、疲劳等损伤；运行过程中的振动、冲击等也可能引发部件的松动、磨损甚至断裂。这些故障一旦发生，会导致通流部分的通流能力下降，蒸汽流动不畅，进而使汽轮机的效率降低，功率输出减少，严重时甚至会引发停机事故，给电力生产带来巨大的经济损失。有研究表明，汽轮机通流部分故障导致的发电损失和维修成本每年可达数千万元，这还不包括因停机对工业生产和社会生活造成的间接损失。

故障诊断技术对于保障汽轮机通流部分的安全稳定运行具有不可或缺的作用。通过有效的故障诊断，可以及时发现通流部分潜在的故障隐患，提前采取相应的维修措施，避免故障的进一步发展和恶化。这不仅能够减少停机时间，提高电力生产的连续性和可靠性，还能降低维修成本，延长设备的使用寿命。传统的故障诊断方法虽然在一定程度上能够发现一些明显的故障，但对于一些早期的、潜在的故障，往往难以准确诊断。随着电力工业的不断发展，对汽轮机运行的安全性、可靠性和经济性提出了更高的要求，迫切需要一种更加先进、准确的故障诊断技术。

特征通流面积理论为汽轮机通流部分故障诊断提供了新的思路和方法。该理论通过对汽轮机通流部分特征通流面积的分析，能够定量地描述通流部分的状态变化，从而更准确地判断故障的类型、位置和严重程度。与传统方法相比，基于特征通流面积理论的故障诊断技术具有更高的灵敏度和准确性，能够在故障早期就检测到异常信号，为及时采取维修措施提供充足的时间。在某电站的实际应用中，采用特征通流面积理论进行故障诊断，成功提前发现了汽轮机通流部分的叶片结垢故障，避免了因故障恶化导致的停机事故，为电站节省了大量的维修成本和发电损失。深入研究特征通流面积理论在电站汽轮机通流部分故障诊断中的应用，对于提高电力生产的安全性、可靠性和经济性具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

国外在电站汽轮机故障诊断领域起步较早，取得了一系列具有重要影响力的成果。美国的EPRI及部分电力公司，以及西屋、Bently等公司在汽轮机故障诊断技术的研发方面投入了大量资源。其中，Bently公司在转子动力学和旋转机械故障诊断机理方面研究深入，其开发的旋转机械故障诊断系统（ADR3）在实际应用中表现出色，能够准确监测和诊断汽轮机的多种故障，得到了广泛的应用和认可。西屋公司率先将网络技术应用于汽轮机故障诊断，建立的远程诊断中心可以对分布在各地电站的多台机组进行实时监测和诊断，大大提高了故障诊断的效率和及时性。

日本同样高度重视汽轮机故障诊断技术，由于该国规定1000MW以下的机组需参与调峰运行，因此在汽轮机寿命检测和寿命诊断技术研究方面成果显著。东芝电气公司与东京电力公司合作开发的大功率汽轮机轴系振动诊断系统，利用计算机在线快速处理振动信号的解析技术与评价判断技术，能够及时准确地诊断出轴系振动故障，有效保障了汽轮机的安全运行。日立公司开发的汽轮机寿命诊断装置HIDIC-08E，经过不断发展完善，形成了一套完整的寿命诊断方法，为汽轮机的维护和管理提供了重要依据。

在欧洲，法国电力部门（EDF）从1978年起就在透平发电机上安装离线振动监测系统，并在九十年代初提出了监测和诊断支援工作站的设想，其开发的专家系统PSAD及其DIVA子系统在透平发电机组和反应堆冷却泵的自动诊断中得到了应用，显著提高了设备的可靠性和安全性。瑞士的ABB公司、德国的西门子公司、丹麦的BK公司等也都开发出了各自的诊断系统，这些系统在欧洲及全球范围内的电站中得到了不同程度的应用，为汽轮机的故障诊断提供了多样化的解决方案。

国内在汽轮机故障诊断技术方面的研究虽