李德軍

（中國水利水電第七工程局有限公司機電分局，四川 彭山 620860）

1 國內(nèi)外水電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀

（1）國外發(fā)展現(xiàn)狀。水電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)對保護水電機組，保障電力供應的可靠供應具有非常重要的現(xiàn)實意義。國外在開展水電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究方面較于我國相比具有開始時間早，技術(shù)比較成熟的特點。

現(xiàn)代機械設備的檢測與診斷技術(shù)研究，開始于20世紀60年代后期。重點是應用于軍事和航空領域。20世紀80年代該技術(shù)逐步進入普通工業(yè)技術(shù)應用領域。最早開展故障監(jiān)測診斷技術(shù)研究的是美國，他們先是針對航天系統(tǒng)開展故障機理、檢測、診斷和預測的研究和開發(fā)，然后發(fā)展到電站汽輪發(fā)電機組。美國從事電站故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)工作的主要公司有:西屋公司 (WHEC);IRD公司;Bently公司;BEI公司。美國西屋公司的人工智能集中診斷電站設備狀態(tài)專家系統(tǒng)PDS。歐洲也有不少公司從事故障診斷技術(shù)的研究、產(chǎn)品的開發(fā)及應用。如瑞士ABB公司發(fā)展以計算機為前終端核心的 “人機聯(lián)系(MMC)”振動觀察 (vibro－View)系統(tǒng)。法國于1978年在法國電氣研究與發(fā)展部研制了狀態(tài)振動監(jiān)測系統(tǒng)，近年又發(fā)展了以監(jiān)測與診斷輔助的PASD系統(tǒng)。丹麥的服K公司在20世紀90年代推出了新一代狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)—B&K3450型 COMPASS系統(tǒng)。英國的COLLACOTT公司，德國西門子公司也開發(fā)出了各自的診斷系統(tǒng)。據(jù)相關資料分析，目前已投入運行的比較先進的診斷系統(tǒng)主要有:美國西屋公司的GEN—AID系統(tǒng)和人工智能集中診斷電站設備狀態(tài)專家系統(tǒng);美國本特利·內(nèi)華達公司推出的瞬間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(TDM)和用于旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的工程師輔助系統(tǒng)(EA);德國西門子公司的Siemens/KMU系統(tǒng)等。

（2）國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀。目前，我國水電廠的運行模式正處在由傳統(tǒng)檢修模式的“計劃維修”方式到更具科學性的“狀態(tài)檢修”方式轉(zhuǎn)變進程中，實現(xiàn)“狀態(tài)檢修”是國內(nèi)乃至國際水電行業(yè)多年來一直為之奮斗的目標。國內(nèi)水電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究起步較晚，但是，近些年來，通過技術(shù)引進、消化、吸收，國內(nèi)該技術(shù)的發(fā)展速度是非?？斓模踩〉昧撕芏嘌芯砍晒?。自20世紀80年代初起步，從一些大專院校學術(shù)討論和小規(guī)模實際應用發(fā)展到許多高校、大企業(yè)聯(lián)合的深入研究開發(fā)和現(xiàn)場實施，發(fā)展非常迅速，主要經(jīng)歷了3個階段:第一階段是在20世紀70年代初期到80年代初期，當時主要是在引進和消化吸收國外先進技術(shù)的基礎上，開始研究各種機械設備的故障機理、診斷方法以及簡便的監(jiān)測與診斷儀器;第二階段是在20世紀80年代初期到80年代后期，這一階段主要是總結(jié)經(jīng)驗，探索新的診斷理論和方法，開發(fā)研制出我國自己的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置;第三階段是在20世紀80后期至今，從理論和生產(chǎn)應用上形成了具有我國特色的智能故障診斷理論。

目前我國從事故障診斷技術(shù)研究與開發(fā)的單位有幾十家，大都集中在火電汽輪機以及機械設備的監(jiān)測與故障診斷技術(shù)上，這些單位主要有華中理工大學、上海交通大學、華北電力大學等高等院校和上海發(fā)電設備成套設計研究所、山東電力科學試驗研究所、哈爾濱船舶鍋爐渦輪機研究所及一些汽輪機制造廠和大型電廠等。目前，我國開展水電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究的單位主要有華中科技大學、中國水利電力科學研究院、河海大學、北京英華達公司、西安理工大學等。主要研究成果有國內(nèi)的有華中科技大學的HSJ系統(tǒng);北京英華達公司的EN一8000;中國水利電力科學研究院的HM900O水電機組狀態(tài)監(jiān)測綜合分析系統(tǒng)等。

2 水輪發(fā)電機組故障診斷技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來，隨著技術(shù)引進、消化和吸收，我國水電機組狀態(tài)狀態(tài)監(jiān)測、分析與故障診斷方面取得了一系列卓有成效的研究成果。但由于水電機組單機裝機容量的不斷增大，水電設備結(jié)構(gòu)、運行狀態(tài)及故障機理的現(xiàn)實復雜性，故障特征及現(xiàn)場診斷方法的研究還有待進一步地深入。水輪發(fā)電機組是旋轉(zhuǎn)機械的一種，它與一般旋轉(zhuǎn)機械有許多共性，有關旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的技術(shù)與經(jīng)驗許多都可以借鑒。但水輪發(fā)電機組也有自己的固有特性，目前水輪發(fā)電機組故障診斷技術(shù)還存在以下幾個問題：

（1）由于水輪發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)復雜、影響因素眾多，對深層故障機理的研究還很缺乏。為了提高故障診斷的準確率，有必要對深層故障機理進行廣泛的研究。

（2）現(xiàn)有的大部分水輪發(fā)電機組故障診斷系統(tǒng)主要利用振動信號頻率成分結(jié)構(gòu)與頻率幅值兩個重要信息進行綜合自動診斷。由于水輪發(fā)電機組故障具有復雜性、隨機性、耦合性及頻譜結(jié)構(gòu)存在相似性等特點，僅僅依賴振動信號頻譜信息進行診斷，診斷類型不明確，常常出現(xiàn)誤診的現(xiàn)象，甚至會造成重大的損失。有必要結(jié)合故障機理分析，提取其他故障征兆特征，建立基于知識的診斷系統(tǒng)，這是改善故障診斷性能的有效途徑。

（3）當前開發(fā)的水輪發(fā)電機組故障診斷專家系統(tǒng)起不到真正意義上的故障診斷作用，由于各臺水電機組在制造、安裝和運行方式的不同，決定了每臺機組的健康評定標準也不盡相同，目前國內(nèi)的故障診斷專家系統(tǒng)過分依賴各種“規(guī)程規(guī)范”，不能有效地將積累的大量現(xiàn)場用戶檢修數(shù)據(jù)和實際檢修經(jīng)驗融入診斷系統(tǒng)，專家系統(tǒng)的知識庫和推理機制過分教條和簡單，導致診斷結(jié)果的失誤，以致實際意義不大。

3 水輪發(fā)電機組故障診斷技術(shù)發(fā)展方向

對狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法、實現(xiàn)技術(shù)等的研究是一個長期的過程，它的發(fā)展方向是應用當今前沿科學技術(shù)實現(xiàn)診斷模型和方法的多元化、綜合化，診斷技術(shù)的網(wǎng)絡化、高智能化，可能需要一大批該領域的科技工作者付出很長一段時間的努力，甚至是幾代人的努力，才能逐步完善水電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)、廣泛應用到現(xiàn)場實際，并取得理想的效果。

（1）新的信號分析技術(shù)的應用。由于現(xiàn)場實測的振動信號隨時間變化不十分規(guī)則，有些甚至是隨機變化的，現(xiàn)有診斷系統(tǒng)無法對機組振動信號進行分析處理，從而有效地提取機組運行狀態(tài)及故障特征。而利用小波分析技術(shù)對隨機信號進行分析處理能克服上述缺點，它的應用使信號分析技術(shù)有了新的突破。

（2）全息譜分解技術(shù)的應用。長期以來，在水電機組的故障診斷中，對于采集的數(shù)據(jù)大多數(shù)采用傳統(tǒng)的頻譜分析方法進行分析。全息譜分解技術(shù)充分利用在一般譜分析中被忽略的相位信息，結(jié)合相互垂直的兩個信號，按照頻譜分析的結(jié)果，對軸心軌跡進行分解，從而使故障診斷結(jié)果更可靠。

（3）多傳感器信息融合技術(shù)的應用。該技術(shù)充分利用了各個傳感器的時域、頻域數(shù)據(jù)、關系信息數(shù)據(jù)以及專家經(jīng)驗等故障相關信息，與人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊理論和證據(jù)推理等方法相結(jié)合，使得不確定知識和信息表達更直觀，從而實現(xiàn)融合診斷。

（4）網(wǎng)絡技術(shù)的應用。將工Internet網(wǎng)絡技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)與水電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)結(jié)合，可將水電機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷提升到遠程的網(wǎng)絡環(huán)境，以極大提高狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的水平和時效性，從而實現(xiàn)真正意義上的診斷網(wǎng)絡化。

（5）非線性原理和方法的應用。水電機組在發(fā)生故障時，其行為往往表現(xiàn)為非線性，將FFT、分形幾何、相關分析、奇異譜等理論應用于故障診斷系統(tǒng)中征兆的獲取，可提高整個診斷系統(tǒng)的可靠性和準確性。

4 結(jié)語

隨著未來水輪發(fā)電機組的巨型化、自動化、流程化、計算機化、技術(shù)密集化的程度不斷加大，先進的設備與落后的維修能力的矛盾日益突出。一方面要求企業(yè)增加設備的自動診斷能力和可維修性，要求設備具有更高的可靠性;另一方面要求更好的售后服務和社會化維修力量，減輕企業(yè)設備維修的負荷。因此對設備實行更先進、更科學的管理和維修體制越來越迫切，對水輪機的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)做出分析和智能診斷是今后水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測的重點突破方向。隨著技術(shù)的進步和經(jīng)驗的進一步積累，未來的狀態(tài)狀態(tài)監(jiān)測務必向智能化、自動化與實用化方向發(fā)展，真正做到狀態(tài)發(fā)展的預知性、問題發(fā)現(xiàn)的及時性以及故障解決的有效性，能夠容易操作和掌握，由少數(shù)專家分析的技術(shù)方法轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠖鄶?shù)人熟練使用的工具。

[1]劉玉剛.水輪發(fā)電機組振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設計與應用[D].西安：西安理工大學，2006.

[2]黃文虎.設備故障診斷原理、技術(shù)及應用[M].北京：科學出版社，1996.

[3]胡東海.水輪發(fā)電機組振動在線監(jiān)測和故障診斷研究[D].杭州：浙江大學，2008.