核电厂汽轮机系统在线监测技术指南

4核电厂汽轮机系统在线监测技术指南本标准规定了核电厂汽轮机系统状态在线监测的功能、基本结构、测点布置以及相关技术要求。本标准将在线监测的最新技术如人工智能、大数据分析和应用等推荐应用到核电厂汽轮机系统在线监测体系中。本标准适用于核电厂汽轮机系统的状态在线监测系统的设计、制造和运行管理。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/TNB/TNB/T29626-201925019-201425029-2014汽轮发电机状态在线监测系统应用导则核电厂汽轮机仪表和控制条件核电厂汽轮机运行维护导则3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1汽轮机在线监测系统on-lineconditionmonitoringsystemforsteamturbine实时在线监测汽轮机系统各种运行参数（包括转速、偏心、键相、振动、轴向位移、胀差等）来监视汽轮机组的运行状态，并在被测参数超出预设定值时发出报警及停机的系统。3.2键相信号Keyphase汽轮机在线监测系统在主轴上的基准方位信号。3.3胀差Differentialexpansion汽轮机转子与汽缸膨胀之差。3.4轴向位移Axialdisplacement轴向位移又叫轴窜，即汽轮机转子沿着轴的方向上的位移。53.5转子偏心Rotoreccentricity转子由于弯曲变形导致轴心发生的偏移量。3.6振动vibration机组各部件指定点相对于平衡位置随时间的往复位移变化。3.7汽轮发电机扭振监测torsionalvibrationmonitoringforturbo-generator对汽轮发电机的扭振现象进行连续监测，分析机组的扭振模态频率、扭振模态阻尼，实时计算机组危险截面处的扭转功率、扭应力及扭振造成轴系的疲劳程度，同时根据需要发出扭振告警信号。3.8汽轮机智能诊断系统turbineintelligentdiagnosemonitoring采集汽轮机监视系统的数据，自动对数据进行监视分析及故障诊断的系统。3.9汽轮机末级叶片在线监测bladevibrationmonitoring通过非接触式测量，获取末级叶片频率等相关参数，分析和判断叶片运行状态。4总则4.1核电厂汽轮机系统在线监测装置一般包括以下部分：a)对机组的转速、偏心、键相、振动、扭振、轴向位移、胀差、热力参数、汽水分离器液位、真空、油压、油位、主/调节汽门开度、弹簧基础标高等运行状态进行实时监测；b)在额定、瞬态等不同工况下，通过对上述状态监测数据进行实时采集，并能够保存历史数据及趋势，实现对汽轮机系统运行状态的分析及诊断；c)被测参数超出预设定值时能及时发出报警及停机的指令；d)通过人工智能或人工辅助的分析对监测结果进行智能化、逻辑化处理，提出故障或事故征兆的预报及原因的锁定。4.2核电厂汽轮机系统在线监测装置的设置应根据机组型号、单机容量及电站运行方式等条件和实际需要来选择监测项目和系统规模，可以一次性规划整体实施，也可以统筹规划、分步实施，但保障机组运行安全的监测项目必须一次规划到位。4.3核电厂汽轮机系统在线监测装置应具有良好的扩展功能和系统升级功能，以不断满足核电站运行管理的需求。65系统功能5.1数据采集与实时监测汽轮机在线监测系统应能对汽轮机组的转速、偏心、键相、振动、扭振、轴向位移、胀差、热力参数、汽水分离器液位、真空、油压、油位、主/调节汽门开度、弹簧基础标高等进行实时采集和监测，并能以图表、曲线等形式进行显示。5.2数据分析与保护汽轮机在线监测系统应具备数据分析能力，能提供各种专业的数据分析工具，并根据监测的参数预测发展趋势，提供趋势预报的功能，对被测参数超出预设定值时能及时发出报警及停机的指令。5.3数据管理数据管理一般应具备以下功能：a)数据存储系统应物理隔离，确保数据安全；b)数据库应具备权限认证功能，只有经过权限认证的用户才能访问数据，禁止数据修改；c)数据服务器的数据库应采用高效数据压缩技术，应能存储至少一个大修周期的机组稳态、暂态过程（包括瞬态）数据；可完整记录机组出现异常前后的数据，确保系统能够提供完整详尽的数据用于分析机组状态；d)数据库应能自动管理数据，应具备自动搜索功能，便于用户随时查找所需数据。5.4故障诊断汽轮机在线监测系统能对设备故障或异常现象进行人工辅助诊断或智能诊断，并通过趋势分析进行预警，为机组正常运行提供保障、为故障诊断提供参考。通过故障诊断，为实现机组运行状态的调整提供依据。6技术要求6.1运行监测参数运行中应对表1所列主要参数进行测量监督。系统提示异常时，应及时进行分析和诊断，或者进行专项试验进行辅助判定。汽轮机热力性能监督可参见附录B。a)汽轮机转速（包括零转速）b)转子偏心c)键相d)振动（轴承振动、轴振动、轴系扭振、叶片振动等）7e)轴向位移f)胀差（高压胀差、低压胀差）g)温度（径向轴承温度、推力轴承温度、进排汽温度、给水温度、海水温度等）h)压力（油压、主蒸汽压力、调节阀后压力、级段抽汽压力、进排汽压力、凝汽器压力等）i)汽水分离器液位j)汽轮机真空度k)主蒸汽调节阀开度l)机组电功率m)反应堆热功率6.2监测数据的准确度用于汽轮机状态监测的性能参数所要求的准确度，应能准确反映故障特征并具有重复性。6.3预警和报警准则为了尽早的指示故障的发生，监测系统应具备偏差预警、数据自学习等智能预警功能。监测设备应具备监视测量值的变化率及累计值的能力。监测系统有部分根据预警自适应调整机组运行状态功能或灯光、声音警报提醒人工干预。6.4采样频率数据采样频率应满足故障信号的特征值提取和数据分析准确性的要求。6.5重要参数监测设计要求重要测量信号应采用多个测点的冗余设计原则，重要的报警及跳机信号应采用硬接线的连接方式。7试验和检验7.1一般要求汽轮机在线监测系统的主要设备元件应符合有关技术条件和安全规范，且应具备有效的型式试验证书，出厂前应进行检查和试验且能证明：a)所提供设备符合有关技术条件和安全规范；b)安全装置动作正确；c)达到供货合同规定的保证值；d)满足供货合同规定的其他特殊要求。7.2试验和检验项目出厂前试验和现场检验试验应尽可能全面完整。87.2.1出厂前试验和检验项目一般包括：a)外观检查；b)电源切换试验；c)环境条件试验；d)性能试验；e)功能试验；f)特殊的专项试验；g)用户的其他要求。根据用户需要，由用户与制造厂协商是否与汽轮机控制系统和DCS进行联合测试。7.2.2现场试验和检验项目一般包括：a)外观检查；b)性能测试试验；c)系统开环调试（无负荷运行调试在分步试运行时进行）；d)系统调试（带负荷运行调试随机组状态进行）；e)应在现场对下列装置（或与DCS配合）进行考核、验收，包括汽轮机调节、监测系统；通过现场联调试验，进行考核、验收。8文件与资料汽轮机在线监测系统文件与资料一般要求：汽轮机制造厂家为用户提供的文件应包括五个基本部分：设计文件、安装文件、操作文件、维护文件及试验文件；汽轮机制造厂提出的文件内容应详尽、完整，格式统一，图文工整清晰，印刷装订美观。9核电厂汽轮机在线监测系统典型结构示意图图A.1核电厂汽轮机在线监测系统典型结构示意图核电厂汽轮机热力在线监测与分析系统(ThermalPerformanceMonitorSystem)B.1概述该系统进行温度、流量、压力、水位、阀位和电功率等信号的实时采集，这些物理量由DCS或其它实时数据系统服务器提供，经核电厂汽轮机热力在线监测与分析系统服务器计算处理并分析后，提供给专业工程师对汽轮机热力性能状况进行综合监督和诊断。B.2系统设计原则系统功能建设将遵循以下原则：安全性：核电厂汽轮机热力在线监测与分析系统系统直接与电厂生产系统或其它实时数据库系统相连接，在设计时的首要任务是确保生产系统的安全稳定运行，确保生产系统的安全、稳定运行。扩展性：系统具有良好的扩展性，不但可以满足本期工程的要求，同时可以满足今后的功能扩展。可维护性：实时系统宜采用B/S结构，系统的维护和管理集中于实时数据库服务器。提供可视化的管理和维护界面。实时性：实时数据的采集与现场同步。灵活性：用户可以在线更新系统的配置，如采样配置、数据库配置、试验分析及计算相关配置等。开放性：提供API、ODBC/JDBC、DDE等多种通用的数据接口，方便与其它系统进行数据交互及用户的二次开发。高可靠性：采用功能强大的专用数据库服务器作为系统的主机，保证系统可靠性。B.3系统整体结构系统结构如下图所示图B.1核电厂汽轮机热力在线监测与分析系统系统网络连接示意图B.4系统功能B.4.1功能模块图图B.2核电厂汽轮机热力在线监测与分析系统系统软件架构示意图B.4.2实时性能计算实时性能计算模块包括核电厂二回路热力系统热平衡计算、汽轮机效率计算、做功级段特征通流面端差计算以及蒸汽发生器传热性能计算等，同时显示以汽轮机为主要设备的参数信息，应包含设计参数、实时计算的指标参数，以进行对比分析。实时性能计算模块提供常数手动输入功能，如海水盐度、环境温度以及孔板结构参数等。系统根据输入的海水盐度自动计算海水密度、海水比热容。B.4.3出力修正计算核电厂机组出力修正出力计算包括简化修正计算和自定义修正计算两大主要功能；简化修正计算是指仅进行热功率，海水温度两项修正，用以每日统计监督；自定义修正可以根据专业工程师的计算需求，进行参数修正和系统修正，实现对汽轮机出力异常的识别和分析诊断。B.4.4工况寻优寻优工况库由系统高级用户（系统维护工程师）实行管理，系统普通用户(专业工程师)仅具有使用功能。系统高级用户可针对寻优工况表中数据记录进行手工删除、修改、强制等操作，一旦某条记录被强制，则系统寻优时本条记录不会被删除。B.4.5回归分析系统提供统计组态功能：即人工设置统计对象、统计参量、筛选范围、筛选条件，系统自动对历史数据进行筛选与统计，统计结果以列表形式显示，统计结果可存储到数据库服务器中，也可以将数据下载到网络中其它计算机中。系统应主要具备如下统计项目：1)循环水进水温度与凝汽器背压之间的关系2)循环水进水温度与机组电功率之间的关系3)凝汽器背压与机组电功率之间的关系4)反应堆热功率与汽轮机级前压力之间的关系5)汽轮机级前压力与机组电功率之间的关系6)反应堆热功率与机组电功率之间的关系7)给水温度与二回路热功率之间的关系B.4.6出力异常诊断出力异常诊断模块实现出力异常判断和功率损失计算两个功能。出力异常诊断的前提条件是机组出力能力变化应超过0.2%（约2MW）。诊断遵循先简单，后复杂的原则，宜采用故障树方法对热端、中间段和冷端进行识别和诊断。诊断出的故障部件，在系统中进行闪烁报警显示，以提示专业工程师进行分析和诊断。也可采用大数据的方法进行预警和分析。功率损失计算采用查修正曲线、变背压修正计算、等效焓降－循环函数法等多种计算方法，每个参数偏差分别对应制定的偏差定量计算方法。修正曲线来源为汽轮机制造商提供的设计资料或机组商业运行后统计数据。变背压修正计算和等效焓降－循环函数法计算需根据不同机型进行建模。核电厂汽轮机弹性基础标高变化监测系统C.1概述核电半速汽轮机多采用弹簧基础来支撑汽轮机基础平台。机组启停和功率变化阶段，弹性基础平台标高变化较大，影响整个轴系各轴承的负荷变化，如变化超出相应标准，则可能会导致轴承运行温度异常升高、机组振动水平上涨等故障。需要有一套汽轮机弹性基础标高变化监测系统实时对机组运行过程中的基础标高变化情况进行监测、评估，以便准确判断、及时干预，避免设备损坏。C.2机组大修时汽轮机弹性基础标高测量C.2.1测量设备及环境大修时使用激光跟踪仪对汽轮机弹性基础标高进行测量，所选用激光跟踪仪应符合以下参数，适用以下测量环境。表C.1标高测量设备参数要求及测量环境要求参数指标测量范围及参数分辨率：0.05角秒，长度分辨率：0.1μm，采样速率：大于256点/秒，最大跟踪速度：大于4米/秒，测量距离（IFM/ADM）：大于50米三维空间测量精度静态：5ppm（5μm/m），动态：10ppm（10μm/m），坐标重复性：优于2.5ppm。干涉仪精度测量分辨率：1μm，测量精度：1ppm绝对测距精度米以外）电源参数电压100-220V）+/-10%，频率50/60）Hz，消耗功率：100W（连续），350W（峰值）靶球精度中心位置精度±3μm，球度精度±1.5μm环境温度-10℃—50℃,测量过程中，被测物体所处环境温度均匀，环境温度梯度小于2℃,测量过程温度变化小于3℃。环境湿度10%—92.5%基础振动小于0.01mm/sC.2.2监测点的选择监测点的选择必须能代表汽轮机弹性基础的标高，能起到监测轴系标高变化的作用，一般选择每个轴承支撑位置或其附近。监测点必须固定，每次大修测量同一监测点。C.2.3测量要求一般每次大修要求测量一次，测量时要求机组处于完全冷态。当轴系对轮有解体工作时，要求在轴系中心调整前、后各测量一下，调整后要求在对轮连接状态下测量。C.2.4数据处理对各弹性基础标高变化的监测点测量数据进行处理，并与历史标高记录及安装要求进行对比分析，判断弹性基础标高是否满足要求，是否有变形等，并进行针对性处理。C.3汽轮机弹性基础标高在线监测系统C.3.1检测单元汽轮机弹性基础标高监视系统检测单元应包含前台位移监测装置，其包含位移采集模块、信号传输模块；及后台主机装置，其包含信号接收处理模块、显示模块、存储模块。图C.1汽轮机弹性基础标高变化监测系统C.3.2位移传感器及测点布置汽轮机弹簧基础标高变化监测宜选用非接触式的激光位移传感器。C.3.3监测测点布置监测测点布置的个数及位置根据不同的汽轮机弹性基础，一般建议每个支撑立柱处安装四个位移传感器，分别安装于立柱四角。图C.2弹性基础标高变化监测点布置示意图C.3.4通信系统采用无线数据传输模式，所用通信设备具有能绕射、传输距离远（大于100m）、抗干扰能力强的特点，能保证数据安全、可靠的传输至数据服务器。C.3.5数据采集及储存a)系统应具备实时连续采集功能，具备在整个运行周期内实时采集功能。b)系统应具有定时存储功能，时间间隔可设置。c)系统应具备预警和报警两个级别的触发采集和存储功能，报警阈值可设置。C.3.6数据显示及分析数据显示及分析平台具备的功能包括：a)数据通信功能：用于与检测单元进行数据交互，接收检测单元所采集的数据。b)数据管理功能：用于管理本地服务器数据，存储接收数据；具备手动或自动备份数据库功能。c)数据显示功能：用于对时域、幅值等数据进行显示，包含曲线图、趋势图等。d)位移变化幅值报警功能：系统应具备对基础标高变化情况根据相关标准提高报警功能，至少设置两个级别报警。e)数据分析功能：系统能实现数据按EXCEL格式导出，并根据需要显示动态曲线、趋势等。f)运行控制及通信功能：系统应对传感器、检测单元、通信设备状况进行监控，并能对异常状况进行记录存储；应能对检测单元采集参数进行更改，实现手动采集。g)用户管理功能：系统应具备用户管理功能，实现不同用户不同的访问及操作权限。核电厂汽轮机汽水分离再热监测系统D.1汽轮机汽水分离再热系统在线监测项目D.1.1循环蒸汽a)壳侧循环蒸汽进口温度b)壳侧循环蒸汽进口压力c)壳侧循环蒸汽出口温度d)壳侧循环蒸汽进出口压差e)壳侧一级再热后循环蒸汽温度f)高低压管束间循环蒸汽温度D.1.2一级再热器a)低压管束蒸汽进口温度b)低压管束蒸汽进口压力c)低压管束管侧温度d)低压管束加热蒸汽流量D.1.3二级再热器a)高压管束加热蒸汽进口温度b)高压管束加热蒸汽进口压力c)高压管束第二流程蒸汽温度d)高压管束第四流程蒸汽温度e)高压管束加热蒸汽流量f)二级再热蒸汽调节阀阀位g)高压管束管侧温度D.1.4高压疏水箱a)高压疏水箱压力b)高压疏水箱疏水流量c)高压疏水箱疏水阀阀位D.1.5低压疏水箱a)低压疏水箱压力b)低压疏水箱疏水流量c)低压疏水箱疏水阀阀位D.1.6壳侧疏水箱d)壳侧疏水箱压力e)壳侧疏水箱疏水流量f)壳侧疏水箱疏水阀阀位g)壳侧液位开关D.1.7管板a)一级再热管板温度b)二级再热管板温度D.2汽轮机汽水分离再热系统测点布置图D.1汽轮机汽水分离再热系统测点布置图D.3报警为防止汽轮机进水，汽轮机动静碰摩以及汽水分离再热器超压等事故，汽轮机汽水分离再热监测系统应具备以下报警功能：a)壳侧疏水箱液位高及高高b)低压疏水箱液位高及高高c)高压疏水箱液位高及高高d)壳侧循环蒸汽出口温差大e)高压管束蒸汽进口温度温升速率高核电厂汽轮机轴系扭振在线监测系统E.1监测方法E.1.1扭振测量扭振测量为宽带特征，充分覆盖机组扭振模态频率。频率范围依据所考虑的机组特性确定。监测量包括：1）转速测点位置测量的角速度变化量；2）各扭振模态角速度变化量。E.1.2测点布置依据核电厂汽轮机机组轴系扭振特点，为避免漏检项，一般在轴系前、后两端加装扭振监测探头，机端利用转子测速齿轮，电端利用发电机转子励磁端自带齿轮。若发电机转子尾端没有设置测速齿轮，可通过对后侧低压转子发电机端靠背轮补充加工的方式增加配套测速齿。图E.1传感器布置示意图E.1.3信号处理通过安装在机头或者机尾的传感器收集轴系扭振原始信号，经采集系统采集后，进行分析处理获得轴系扭振的波谱图；通过实时测量汽轮机组轴系转速差提取各模态特征量，将信号送入DCS系统并显示；通过计算出的轴系扭振响应，依据机组的扭应力—寿命（S—N曲线）计算出轴系危险截面的疲劳损耗百分数，实时累计单次扰动下的轴系各段的疲劳损伤。E.2在线监测系统数据分析E.2.1基本数据分析在线监测系统需满足基本数据分析：能够实时监测机组轴系测点的各个模态幅值、能够实时监测显示各个模态的动态曲线、能够实时计算各个危险截面的疲劳损伤、能够监测显示轴系各个模态的历史曲线。E.2.2数据诊断及报警扭振值达到规定值或数值发生显著变化时，发出报警信息，提示需要采取措施避免机组发生扭振，进一步进行数据诊断以确定扭振发生原因进而采取措施避免发生故障扩大。E.3扭振监测装置的配置原则上百万千瓦核电汽轮机组均应配置扭振在线监测装置（高温气冷堆等四代核电小型汽轮机组可根据运行环境的需要配置扭振在线监测装置）。核电厂汽轮机低压末级叶片智能监测诊断系统F.1监测系统F.1.1系统组成核电厂汽轮机低压末级叶片智能监测诊断系统的硬件主要由传感器、信号调理器、数据采集器、分析服务器等组成，软件系统主要有智能分析软件。F.1.2传感器布置叶片监测系统的传感器布置在叶片尖端附近的静部件上。由于汽轮机转子和汽缸存在轴向差胀，应在多个轴向位置安装传感器，从而在汽轮机启停期间实现低压末级叶片的振动监测。若不考虑传感器冗余，使用两个传感器（每个传感器布置于不同轴向位置）可实现末级叶片振动趋势的长期监测，包括叶片倾斜、扭曲和共振频率变化的趋势。传感器通常集中安装在汽轮机缸体的下半部分或上半部分。将传感器集中安装在缸体一侧可降低大修期间拆装传感器的时间。传感器安装位置还需考虑缸体的几何结构，应预留传感器放置孔的空间。传感器倾斜角度对是否能获得良好脉冲信号至关重要，应确保传感器安装到正确的设计角度。图F.1传感器布置示意图F.2在线监测系统数据分析F.2.1长期监测诊断汽轮机启停期间或以恒定转速长时间运行时，核电厂汽轮机末级叶片智能监测诊断系统实时采集叶片尖端掠过传感器的时间间隔，并以预设的时间间隔计算分析叶片运行位置和振动情况。F.2.2变化趋势分析末级叶片振动变化可分为弹性变化（由于叶片刚度的变化）和塑性变化（由于永久变形基于末级叶片智能监测诊断系统，可监测上述因素随时间所产生的变化趋势，从而分析叶片的退化状态。F.2.3危险预警出现危险情况时，末级叶片智能监测诊断系统将产生预警提示，并生成参数报告，通过预设的信息分发路径发送给指定系统和制定人员。F.3叶片