水輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷

水輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷

余軍

(信陽(yáng)市南灣山庫(kù)水電站，河南 信陽(yáng)464031)

【摘要】水輪發(fā)電機(jī)組是水電廠的核心設(shè)備之一，其運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性與安全性直接關(guān)系到水電廠的安全。本文在分析水輪發(fā)電組振動(dòng)機(jī)理、監(jiān)測(cè)內(nèi)容及典型故障的基礎(chǔ)上，對(duì)水輪發(fā)電組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】水輪發(fā)電機(jī)組；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷；水電站

中圖分類(lèi)號(hào)：TV734.1

State monitoring and fault diagnosis of water-turbine generator set

YU Jun

(XinyangNanwanshanReservoirHydropowerStation,Xinyang464031,China)

Abstract:Water-turbine generator set is one of core equipment in hydropower station. The stability and safety of its running state are directly related to the safety of hydropower station. In the paper, the vibration mechanism, monitoring content and typical faults of water-turbine generator set are analyzed. On the basis, the state monitoring and fault diagnosis systems of water-turbine generator set are described.

Key words: water-turbine generator set; state monitoring; fault diagnosis; hydropower station

1水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)機(jī)理、監(jiān)測(cè)內(nèi)容及典型故障

1.1振動(dòng)機(jī)理

推動(dòng)或維持水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的直接動(dòng)力是水能。引發(fā)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的因素有很多，其中最重要的因素有三類(lèi)：水力因素、電磁因素及機(jī)械因素。在水力因素方面引起水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的主要原因如下：

a.設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)不當(dāng)。若轉(zhuǎn)輪與迷宮的參數(shù)不合理，則會(huì)由于水力而產(chǎn)生振動(dòng)。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪與迷宮之間止漏環(huán)徑間隙的存在，也會(huì)引發(fā)振動(dòng)，且隨著流量的增大，振動(dòng)的范圍也會(huì)增大。因此，在對(duì)兩者之間的止漏環(huán)間隙進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須使之合理。

b.卡門(mén)渦流。以f為卡門(mén)渦的頻率，t為尾部的最大寬度，v為水的流速，St為系數(shù)，則卡門(mén)渦流頻率的計(jì)算公式為f=Stv/t。其中，f的單位為Hz；t的單位為m；v的單位為m/s；St一般在0.18～0.22之間。

除此之外，其他影響因素還有尾水管渦帶、轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處壓力波動(dòng)以及汽蝕。

1.2振動(dòng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

振動(dòng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括機(jī)殼振動(dòng)監(jiān)測(cè)、大軸狀態(tài)監(jiān)測(cè)、軸心軌跡監(jiān)測(cè)以及水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)測(cè)點(diǎn)選擇與布置。

1.3常見(jiàn)故障

常見(jiàn)故障包括轉(zhuǎn)子不平衡、軸系不對(duì)中以及油膜渦動(dòng)與油膜振蕩。其中，轉(zhuǎn)子不平衡是水輪發(fā)電機(jī)組中最為常見(jiàn)、最易發(fā)生的故障。軸系不對(duì)中可分為軸承不對(duì)中和聯(lián)軸器不對(duì)中兩種，后者又可分為平行不對(duì)中、平行偏角不對(duì)中以及偏角不對(duì)中。油膜渦動(dòng)故障出現(xiàn)的特征是軸心軌跡的形狀類(lèi)似內(nèi)“8”字形，油膜振蕩故障出現(xiàn)的特征是軸心軌跡的形狀為花瓣形。

2振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能是對(duì)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其方法主要是利用傳感器檢測(cè)機(jī)組設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下的重要物理量。按軸線(xiàn)位置對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行分類(lèi)，有立式與臥式。按能量方式轉(zhuǎn)換的不同可分為反擊式與沖擊式。下面以立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組為例，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)，采用多層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)其振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1　狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由四部分組成：各振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器、監(jiān)控中心設(shè)備、就地?cái)?shù)據(jù)采集站以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。該系統(tǒng)具體的硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

2.2.1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇與布置

在對(duì)發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行選擇與布置時(shí)，為了確保其科學(xué)性與合理性，必須嚴(yán)格遵守以下原則：?監(jiān)測(cè)點(diǎn)必須能夠全面反映出該系統(tǒng)的狀態(tài)，且能夠滿(mǎn)足后續(xù)分析診斷的需要；?監(jiān)測(cè)點(diǎn)的安裝要確保機(jī)組的正常運(yùn)行；?所選擇的監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器不僅要便于安裝，而且也便于日后的維修；?在充分滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)需要的前提下，還必須考慮傳感器的性?xún)r(jià)比。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的部分設(shè)置見(jiàn)表1，其布局見(jiàn)表1、圖2。

表1　立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)

圖2　測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.2.2傳感器的選型

傳感器在整個(gè)系統(tǒng)中起到關(guān)鍵性作用，因此必須在水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體實(shí)際需要選擇傳感器。同時(shí)，所選擇的傳感器必須滿(mǎn)足各項(xiàng)重要指標(biāo)要求，主要有靈敏度、線(xiàn)性度、精度、動(dòng)態(tài)范圍、動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)定性以及抗干擾能力等。按傳感器測(cè)量參數(shù)的數(shù)據(jù)類(lèi)型對(duì)其進(jìn)行劃分，在振動(dòng)測(cè)試中可分為位移傳感器、速度傳感器以及加速傳感器。

該系統(tǒng)中，所運(yùn)用的傳感器及其所選用的型號(hào)為：鍵相與擺度傳感器選用電渦流傳感器，振動(dòng)傳感器采用低頻速度傳感器，定子鐵芯振動(dòng)傳感器采用加速度型傳感器，壓力脈動(dòng)傳感器采用壓電型壓力變送器，抬基量傳感器選用最大直徑的電渦流傳感器。例如：該系統(tǒng)機(jī)架振動(dòng)傳感器所選用低頻速度傳感器的類(lèi)型為MLS/V—9，其具體參數(shù)為：靈敏度為300Mv/mm，頻率響應(yīng)在0.5～200Hz之間，幅值線(xiàn)性度要小于3%，工作溫度在-30～60℃之間，供電電源為±12VDC、±24VDC，輸出形式為-10～+10V、4～20mA。

2.2.3數(shù)據(jù)采集站設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站設(shè)備連接圖見(jiàn)圖3，其中，機(jī)柜內(nèi)直流電源箱的功能是為系統(tǒng)中的傳感器提供±12V和±24V的直流電源。

圖3　數(shù)據(jù)采集站設(shè)備連接

根據(jù)上面提到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集箱所包括的模板主要有鍵相模板、擺度模板、振動(dòng)模板、壓力脈動(dòng)模板、過(guò)程量輸入模板、繼電器輸出模板、系統(tǒng)板以及存儲(chǔ)板。各采集模板之間互不影響，都可以獨(dú)立工作。各模板之間的連接圖見(jiàn)圖4。

圖4　數(shù)據(jù)采集箱功能模板連接

2.3監(jiān)控中心設(shè)備選型

監(jiān)控中心設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站、WEB服務(wù)器、硬件防火墻以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。其中，數(shù)據(jù)服務(wù)器與WEB服務(wù)器采用的是7945O85機(jī)架式服務(wù)器，工程師站采用的是TinkCentre M8300t臺(tái)式機(jī)，防火墻采用的是PIX—535—FO—BUN，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星形結(jié)構(gòu)。

2.4系統(tǒng)主要功能

該系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)時(shí)顯示機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息，對(duì)時(shí)域、頻域以及過(guò)量信號(hào)的分析，不同工況的報(bào)警與預(yù)警，輔助工作人員完成機(jī)組的各種性能試驗(yàn)并能自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的實(shí)時(shí)狀態(tài)報(bào)告與長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告以及能夠?qū)C(jī)組進(jìn)行遠(yuǎn)程分析與診斷。

3水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障診斷

穩(wěn)定性是衡量水輪發(fā)電機(jī)組性能的重要指標(biāo)之一。隨著大批巨型機(jī)組的投入使用，其穩(wěn)定性也日益重要。若不及時(shí)采取有效措施維護(hù)機(jī)組的穩(wěn)定性，易導(dǎo)致事故發(fā)生，嚴(yán)重危害到生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，非常有必要對(duì)水輪發(fā)電機(jī)的故障進(jìn)行診斷。

目前，水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障診斷技術(shù)已取得了較大成就。其中，研究以及應(yīng)用比較廣泛的技術(shù)主要有模糊診斷法、小波分析、專(zhuān)家系統(tǒng)診斷法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法等。水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的特點(diǎn)包括分布不均勻性、漸變性或耗損性、復(fù)雜多樣性以及不規(guī)則性。根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的特點(diǎn)，筆者主要對(duì)專(zhuān)家系統(tǒng)診斷法進(jìn)行分析。

3.1故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的特點(diǎn)，該振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要是在規(guī)則與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。這樣，可以將傳統(tǒng)的專(zhuān)家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法的優(yōu)點(diǎn)融合起來(lái)，大大提高故障診斷系統(tǒng)的科學(xué)性與權(quán)威性。該振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)主要由兩部分組成：在線(xiàn)故障自動(dòng)診斷和離線(xiàn)故障診斷。其中，前者是機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)的，后者是人工啟動(dòng)的。診斷的基本流程見(jiàn)圖5。

圖5　故障診斷的基本流程

振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)的組成及其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6　故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2故障診斷知識(shí)的獲取

水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷知識(shí)獲取的方法為分層次。例如：設(shè)備的結(jié)構(gòu)、功能、技術(shù)規(guī)程以及操作范圍等方面的知識(shí)，可以從設(shè)計(jì)文件、技術(shù)規(guī)程以及操作規(guī)程等中獲取。

該系統(tǒng)的故障診斷知識(shí)是存儲(chǔ)在故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)之中的，且以表格的形式分類(lèi)存儲(chǔ)。以水導(dǎo)擺度報(bào)警為例，其部分相關(guān)診斷知識(shí)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2　水導(dǎo)擺度報(bào)警相關(guān)知識(shí)數(shù)據(jù)

3.3信號(hào)分析與征兆提取

征兆獲取是整個(gè)診斷過(guò)程的首要任務(wù)，它直接關(guān)系到診斷過(guò)程的速度與診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。要使診斷過(guò)程的時(shí)間最短、結(jié)果準(zhǔn)確性最高，就必須采取行之有效的手段獲得更多、更準(zhǔn)確以及更有效的征兆。信號(hào)分析正是獲取故障征兆的重要手段之一，因此必須采取多種方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。

3.4故障診斷系統(tǒng)的主要功能

該振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)的功能主要有在線(xiàn)自動(dòng)診斷功能、高級(jí)離線(xiàn)診斷功能、故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)編輯功能、故障分級(jí)處理功能、監(jiān)測(cè)量屏蔽功能以及故障查詢(xún)管理功能。

4結(jié)語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到水電站的運(yùn)行及安全。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中引起振動(dòng)的原因較多，但目前還沒(méi)有可以徹底解決這一類(lèi)問(wèn)題的辦法。只能通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)即時(shí)監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行狀況，通過(guò)不斷地積累經(jīng)驗(yàn)和尋找規(guī)律，提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全及穩(wěn)定性能。

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