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基于CA技术的汽轮机组动静碰磨故障诊断体系构建与应用探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业体系中，汽轮机组作为一种关键的动力设备，广泛应用于电力、石油、化工、冶金等众多重要领域。在电力行业，汽轮机组是火力发电、核能发电等发电方式中的核心设备，承担着将热能转化为机械能，进而带动发电机发电的关键任务，其稳定运行直接关系到电力供应的稳定性和可靠性。以大型火力发电厂为例，一台30万千瓦的汽轮机组，若因故障停机一天，可能导致数百万度的电量损失，不仅影响电力企业的经济效益，还可能对地区电力供应造成紧张局面，影响工业生产和居民生活用电。在石油化工行业，汽轮机组常用于驱动压缩机、泵等设备，为生产过程提供动力支持，确保石油炼制、化工产品合成等工艺流程的顺利进行。一旦汽轮机组出现故障，可能引发整个生产系统的停产，造成原材料浪费、产品质量下降以及高额的维修成本等严重后果。

然而，汽轮机组在长期运行过程中，由于受到高温、高压、高转速以及复杂工况等多种因素的影响，容易出现各种故障，其中动静碰磨故障是较为常见且危害严重的一种。动静碰磨是指汽轮机转子与静止部件之间发生的接触摩擦现象。当动静碰磨发生时，首先会对机组的振动特性产生显著影响，引发强烈的振动。这种振动不仅会加速设备零部件的磨损，还可能导致零部件的疲劳损坏，缩短设备的使用寿命。例如，某电厂的一台60万千瓦汽轮机组，在运行过程中因动静碰磨故障，导致轴承座振动幅值急剧增大，超过了报警值，使得轴颈与轴承之间的油膜受到破坏，加剧了轴颈与轴承的磨损，严重影响了机组的正常运行。

动静碰磨还可能引发更为严重的事故，如大轴弯曲、叶片断裂等。当碰磨产生的摩擦力矩超过转子的承受能力时，会导致转子的弯曲变形，破坏机组的动平衡，进一步加剧振动，形成恶性循环。叶片在碰磨过程中受到不均匀的作用力，容易发生断裂，断裂的叶片可能会在高速旋转的作用下，对其他部件造成严重的冲击损伤，甚至引发机组的飞车事故，对人员安全和设备设施造成巨大威胁。

准确、及时地诊断汽轮机组动静碰磨故障对于保障设备安全稳定运行、提高生产效率、降低维修成本具有重要意义。传统的故障诊断方法主要依赖于人工经验和简单的监测手段，存在诊断准确性低、及时性差等问题，难以满足现代工业对设备可靠性的要求。随着计算机技术、信息技术和人工智能技术的飞速发展，各种先进的故障诊断技术应运而生，为汽轮机组故障诊断提供了新的思路和方法。

混沌理论（ChaosTheory，简称CA）作为一门研究非线性系统复杂行为的新兴学科，近年来在故障诊断领域得到了广泛的关注和应用。混沌系统具有对初始条件极度敏感、长期行为不可预测、具有丰富的动力学特性等特点，这些特性使得混沌理论能够有效地处理复杂系统中的不确定性和非线性问题。将混沌理论应用于汽轮机组动静碰磨故障诊断，能够充分挖掘振动信号中的隐藏信息，提取出能够准确表征故障特征的参数，提高故障诊断的准确性和可靠性。

通过深入研究CA在汽轮机组动静碰磨故障诊断中的应用，不仅可以为汽轮机组故障诊断提供一种新的有效方法，丰富故障诊断的理论和技术体系，还能够为实际生产中的设备维护和管理提供科学依据，降低设备故障率，提高生产效率，保障工业生产的安全稳定运行，具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国外对于汽轮机组故障诊断的研究起步较早，在理论研究和实际应用方面都取得了丰硕的成果。美国作为最早开展汽轮机故障诊断研究的国家之一，在该领域处于世界领先水平。美国电力研究协会（EPRI）及部分电力公司，以及西屋、Bently、IRD、CSI等公司都在积极投入汽轮机故障诊断技术的开发与研究。例如，美国Bechtel电力公司于1987年开发的火电站设备诊断用专家系统（SCOPE），该系统在分析时不仅考虑控制参数的当前值，还关注其随时间的变化情况。当参数偏离标准值时，能对信号进行调节，给出消除故障的建议说明，并推测可能临近的损坏时间。这一系统的出现，为火电站设备故障诊断提供了更加全面和准确的分析方法，有效提高了设备的安全性和可靠性。

美国Radial公司开发的汽轮发电机组振动诊断用专家系统（Turbomac），在建立逻辑规则的基础上，设有表征振动过程各种成分与其可能故障源之间关系的概率数据，其搜集知识的子系统具有人-机对话形式，含有9000条知识规则，库容巨大。该系统能够通过对振动信号的深入分析，快速准确地判断故障类型和原因，为维修人员提供详细的故障诊断信息，大大提高了故障诊断的效率和准确性。西屋公司（WHEC）率先将网络技术应用于汽轮机故障诊断，在已开发的汽轮发电机组故障诊断系统（AID）基础上，在奥兰多建立了诊断中心（DOC），实现了对分布于各地电站多台机组的远程诊断。