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[摘 要]燃气轮机作为重要的旋转叶轮式动力机械，工作条件较为恶劣，在工作过程中发生热力学的双向耦合，极易产生多种故障问题而导致重大的经济损失。对燃气轮机的故障诊断技术进行研究探索，并总结出完善的故障诊断方法，可以提高对动力系统中故障测定的准确度，有效降低由故障帶来的各种损失。鉴于此，文章基于模型的重型燃气轮机气路故障诊断进行研究分析，旨在为业内人士提供一些建议和帮助。
[关键词]模型；燃气轮机；气路故障；诊断方法
中图分类号：TK478 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0243-01
引言
随着科技不断进步，燃气轮机作为一种新型的动力设备，由于它的热效率极高，而且污染小，并且操作起来比较安全，正在逐渐受到人们的关注。燃气轮机目前在我国国内的应用范围是非常广泛的，从高科技航空航天产业到交通运输领域，再到电力部门发电，燃气轮机都占据着不可替代的地位。但是燃气轮机的构造是非常复杂的，一旦发生故障停止运转，就需要企业投入大量的资金和人力来及时进行诊断和维修，这给企业带来的经济损失是很大的，并且如果燃气轮机发生故障，没有及时进行诊断维修而使它继续运转，甚至可能对一线操作员工的生命安全造成威胁。因此，能否对燃气轮机发生故障时及时进行故障查除，并且进行故障处理，这是一项很艰巨的工作，需要引起企业的高度重视。
1燃气轮机常见气路故障分析
燃气轮机六类典型的气路故障如下：第一，结垢，使表面增厚、粗糙，减小通流面积，增大阻力系数，改变流线；第二，压气机叶顶间隙增大，增加有效做功工质的流失；第三，叶片磨损，使表面粗糙，增大阻力系数，改变流线；第四，机械损伤；第五，涡轮热腐蚀，也会造成表面粗糙，增大阻力系数，改变流线；第六，燃烧室故障。以上故障中结垢、机械损伤、叶片磨损常常发生在低压压气机和高压涡轮，压气机工作环境的恶化通常是影响燃机整机性能的主要原因。对于船用燃气轮机，高盐的条件能够加重结垢、磨损等气路故障。不同的气路部件发生的故障有不同的特点，对于压气机，主要发生的气路故障是磨损、腐蚀、结垢、蠕变、叶顶间隙变大等，会造成压气机效率的下降。对于燃烧室，主要发生的故障是喷嘴积碳堵塞、部件变形缺损等，会产生局部高温，甚至会烧蚀透平叶片。对于透平，主要发生的气路故障是叶片蠕变、腐蚀。燃气轮机发生气路故障时会导致燃机性能的显著下降，表现多为最大负荷下降，部件效率下降，涡轮排温过高等，属于性能型故障。
2基于模型的重型燃气轮机气路故障诊断研究
2.1模块化建模
热力系统中的结构和工质的流动过程复杂多变，但无论系统如何复杂，总可以归结到由少数几个典型的部件所组成。每个单独的部件都遵循质量守恒、能力守恒、动量守恒等基本定理，假设工质的状态参数也满足工质热物性的函数，则只需对系统中的典型部件进行机理建模，将部件内部参数加以封装，使用时只需将部件连接、组合即可实现不同的仿真建模的目的，从而大大提高效率。这就是模块化建模思想，模块化建模优点有以下几点：第一，将复杂大系统分解为若干简单的子系统或部件，降低建模复杂性；第二，各个模块按统一的规则进行划分，有通用的接口，对于不同的系统可以选择相应的模块进行组合，避免了重复劳动；第三，用户只需进行模块组合连接，修改模块参数，而不涉及模块内部的实现算法，使用简单；第四，可扩展性。对于某些未提供的物理模块，只需建立新的模块，就可和已有模块配合使用。重型燃气轮机部件繁多，结构复杂，故本文采用模块化建模的方法对其建立特性模型。
2.2基于EKF的重型燃气轮机气路故障诊断研究
卡尔曼滤波器（KF）及其相关滤波器属于自适应滤波器，可以自行设计，可以进行实时运算。自适应滤波器依靠递归算法进行运算，在只有很少或没有任何关于信号与噪声的先验统计知识，它都有可能跟踪输入数据统计特性随时间的变化，迭代收敛于某种统计意义下的最优解，进行有效的估计。基于卡尔曼滤波的燃机故障诊断方法属于基于模型的故障诊断，其基本思路是利用可测的主要参数，如压力、温度，转速等，在包含测量参数与燃机部件健康参数之间的映射关系的数学模型基础上，实现故障的检测、隔离和诊断。如图1所示，燃气轮机模型为包含表征燃气轮机部件性能的健康参数的故障模型，卡尔曼滤波器根据模型输出与真实系统输出的偏差，估计燃气轮机的状态变量。卡尔曼滤波器利用偏差直接对状态变量进行估计，而在燃气轮机故障模型中，健康参数已经增广为状态变量，因此可以通过卡尔曼滤波器得到部件健康参数估计结果。在此同时，故障模型中健康参数通过进行不断的修正，保证对于燃气轮机对象的自适应跟踪能力。
3我国燃气轮机发展趋势
3.1诊断系统发展
最初的专家诊断系统均采用基于规则的诊断方法，该方法采用直接及启发式知识表示，诊断速度较快，且容易实现编程和系统开发，具有直观方便的优点。不过由于知识库中的故障类型较少，面对新的故障问题时就显得无从下手，极易导致诊断失误或者失败。基于人工神经网络的故障诊断主要是建立故障源和征兆间的映射，具有高度的容错机制及非线性等优点。不过由于神经网络的诊断方法对系统内部的潜在关系不能进行准确的揭示，因而增加了该方法出现误诊的概率。混合型智能诊断方法可以依据发动机组性能参数的不同以及采集存储的历史数据信息，按照一定的选用规则选取合理的诊断方法，具有良好的综合性能。
3.2发展趋势
由于研制和生产大功率、高压比、高效率的集成化、系列化、规模化、谱系化燃气轮机的难度较大，要在技术较为成熟、应用效果较好燃气轮机的基础上，不断进行升级改进，提高其工作性能和热效率，降低能耗和排放。我国燃气轮机应向高效率和低污染等方向发展，通过采取提高压比、涡轮进口温度、以及金属结构优化等技术措施，有效提高轻型航改燃气轮机和重型燃气轮机的热效率；在环境保护意识不断增强和国际燃气轮机排放标准不断提高的基础上，结合贫油直接喷射燃烧（LDI）、贫油预混气化燃烧（LPW/PY）、以及富油-猝熄-贫油燃烧（RQL）等先进的干低排放燃烧技术，即在不对燃气轮机燃烧系统稳定性产生不利影响的前提下，降低燃烧区的火焰温度，达到降低CO以及UHC等环境污染物的排放量，达到节能降耗的目的。
结束语
综上所述，燃气轮机故障诊断技术的发展直接关系到其经济性，必须得到充分的关注和研究，目前已建立有一定代表性的故障诊断系统，不过随着新技术、新知识、新方法的不断出现，对燃气轮机故障诊断技术的研究还需更加深入。
参考文献
[1]孙宇.重型燃气轮机故障分析与诊断[D].华北电力大学，2015.
[2]宋崇明.基于模型的三轴燃气轮机气路故障诊断研究[D].哈尔滨工业大学，2014.
[3]蒲星星，刘尚明，张文杰，魏成亮，蒋洪德.一种重型燃气轮机通用模型的建立[J].热力透平，2012，41（01）：7-12+65.
[关键词]模型；燃气轮机；气路故障；诊断方法
中图分类号：TK478 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0243-01
引言
随着科技不断进步，燃气轮机作为一种新型的动力设备，由于它的热效率极高，而且污染小，并且操作起来比较安全，正在逐渐受到人们的关注。燃气轮机目前在我国国内的应用范围是非常广泛的，从高科技航空航天产业到交通运输领域，再到电力部门发电，燃气轮机都占据着不可替代的地位。但是燃气轮机的构造是非常复杂的，一旦发生故障停止运转，就需要企业投入大量的资金和人力来及时进行诊断和维修，这给企业带来的经济损失是很大的，并且如果燃气轮机发生故障，没有及时进行诊断维修而使它继续运转，甚至可能对一线操作员工的生命安全造成威胁。因此，能否对燃气轮机发生故障时及时进行故障查除，并且进行故障处理，这是一项很艰巨的工作，需要引起企业的高度重视。
1燃气轮机常见气路故障分析
燃气轮机六类典型的气路故障如下：第一，结垢，使表面增厚、粗糙，减小通流面积，增大阻力系数，改变流线；第二，压气机叶顶间隙增大，增加有效做功工质的流失；第三，叶片磨损，使表面粗糙，增大阻力系数，改变流线；第四，机械损伤；第五，涡轮热腐蚀，也会造成表面粗糙，增大阻力系数，改变流线；第六，燃烧室故障。以上故障中结垢、机械损伤、叶片磨损常常发生在低压压气机和高压涡轮，压气机工作环境的恶化通常是影响燃机整机性能的主要原因。对于船用燃气轮机，高盐的条件能够加重结垢、磨损等气路故障。不同的气路部件发生的故障有不同的特点，对于压气机，主要发生的气路故障是磨损、腐蚀、结垢、蠕变、叶顶间隙变大等，会造成压气机效率的下降。对于燃烧室，主要发生的故障是喷嘴积碳堵塞、部件变形缺损等，会产生局部高温，甚至会烧蚀透平叶片。对于透平，主要发生的气路故障是叶片蠕变、腐蚀。燃气轮机发生气路故障时会导致燃机性能的显著下降，表现多为最大负荷下降，部件效率下降，涡轮排温过高等，属于性能型故障。
2基于模型的重型燃气轮机气路故障诊断研究
2.1模块化建模
热力系统中的结构和工质的流动过程复杂多变，但无论系统如何复杂，总可以归结到由少数几个典型的部件所组成。每个单独的部件都遵循质量守恒、能力守恒、动量守恒等基本定理，假设工质的状态参数也满足工质热物性的函数，则只需对系统中的典型部件进行机理建模，将部件内部参数加以封装，使用时只需将部件连接、组合即可实现不同的仿真建模的目的，从而大大提高效率。这就是模块化建模思想，模块化建模优点有以下几点：第一，将复杂大系统分解为若干简单的子系统或部件，降低建模复杂性；第二，各个模块按统一的规则进行划分，有通用的接口，对于不同的系统可以选择相应的模块进行组合，避免了重复劳动；第三，用户只需进行模块组合连接，修改模块参数，而不涉及模块内部的实现算法，使用简单；第四，可扩展性。对于某些未提供的物理模块，只需建立新的模块，就可和已有模块配合使用。重型燃气轮机部件繁多，结构复杂，故本文采用模块化建模的方法对其建立特性模型。
2.2基于EKF的重型燃气轮机气路故障诊断研究
卡尔曼滤波器（KF）及其相关滤波器属于自适应滤波器，可以自行设计，可以进行实时运算。自适应滤波器依靠递归算法进行运算，在只有很少或没有任何关于信号与噪声的先验统计知识，它都有可能跟踪输入数据统计特性随时间的变化，迭代收敛于某种统计意义下的最优解，进行有效的估计。基于卡尔曼滤波的燃机故障诊断方法属于基于模型的故障诊断，其基本思路是利用可测的主要参数，如压力、温度，转速等，在包含测量参数与燃机部件健康参数之间的映射关系的数学模型基础上，实现故障的检测、隔离和诊断。如图1所示，燃气轮机模型为包含表征燃气轮机部件性能的健康参数的故障模型，卡尔曼滤波器根据模型输出与真实系统输出的偏差，估计燃气轮机的状态变量。卡尔曼滤波器利用偏差直接对状态变量进行估计，而在燃气轮机故障模型中，健康参数已经增广为状态变量，因此可以通过卡尔曼滤波器得到部件健康参数估计结果。在此同时，故障模型中健康参数通过进行不断的修正，保证对于燃气轮机对象的自适应跟踪能力。
3我国燃气轮机发展趋势
3.1诊断系统发展
最初的专家诊断系统均采用基于规则的诊断方法，该方法采用直接及启发式知识表示，诊断速度较快，且容易实现编程和系统开发，具有直观方便的优点。不过由于知识库中的故障类型较少，面对新的故障问题时就显得无从下手，极易导致诊断失误或者失败。基于人工神经网络的故障诊断主要是建立故障源和征兆间的映射，具有高度的容错机制及非线性等优点。不过由于神经网络的诊断方法对系统内部的潜在关系不能进行准确的揭示，因而增加了该方法出现误诊的概率。混合型智能诊断方法可以依据发动机组性能参数的不同以及采集存储的历史数据信息，按照一定的选用规则选取合理的诊断方法，具有良好的综合性能。
3.2发展趋势
由于研制和生产大功率、高压比、高效率的集成化、系列化、规模化、谱系化燃气轮机的难度较大，要在技术较为成熟、应用效果较好燃气轮机的基础上，不断进行升级改进，提高其工作性能和热效率，降低能耗和排放。我国燃气轮机应向高效率和低污染等方向发展，通过采取提高压比、涡轮进口温度、以及金属结构优化等技术措施，有效提高轻型航改燃气轮机和重型燃气轮机的热效率；在环境保护意识不断增强和国际燃气轮机排放标准不断提高的基础上，结合贫油直接喷射燃烧（LDI）、贫油预混气化燃烧（LPW/PY）、以及富油-猝熄-贫油燃烧（RQL）等先进的干低排放燃烧技术，即在不对燃气轮机燃烧系统稳定性产生不利影响的前提下，降低燃烧区的火焰温度，达到降低CO以及UHC等环境污染物的排放量，达到节能降耗的目的。
结束语
综上所述，燃气轮机故障诊断技术的发展直接关系到其经济性，必须得到充分的关注和研究，目前已建立有一定代表性的故障诊断系统，不过随着新技术、新知识、新方法的不断出现，对燃气轮机故障诊断技术的研究还需更加深入。
参考文献
[1]孙宇.重型燃气轮机故障分析与诊断[D].华北电力大学，2015.
[2]宋崇明.基于模型的三轴燃气轮机气路故障诊断研究[D].哈尔滨工业大学，2014.
[3]蒲星星，刘尚明，张文杰，魏成亮，蒋洪德.一种重型燃气轮机通用模型的建立[J].热力透平，2012，41（01）：7-12+65.