王恩重，馮治國(guó)

(國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司檢修安裝分公司，四川樂(lè)山614900)

1 概述

水力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究的主要內(nèi)容就是完善流域各電站機(jī)組現(xiàn)有的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，增加氣隙、局放、空化空蝕以及一次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器的信息按一定的準(zhǔn)則加以自動(dòng)分析并進(jìn)行綜合的數(shù)據(jù)處理。通過(guò)故障診斷專家系統(tǒng)，以及一系列的推理，快速的找到最終故障源或最有可能的故障，根據(jù)狀態(tài)檢修信息數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)設(shè)備是否需要進(jìn)行維修，什么時(shí)候進(jìn)行維修，維修哪些項(xiàng)目等做出決策，提出維修報(bào)告，提交給電站技術(shù)管理人員。

2 大渡河流域各電站現(xiàn)狀

2.1 大渡河流域各電站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)情況

大渡河流域已投產(chǎn)的瀑布溝水電站、龔嘴水電站下廠、銅街子水電站均采用奧技異公司生產(chǎn)的PSTA2003狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，深溪溝電站采用的是華科同安生產(chǎn)的TN8000狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已投運(yùn)設(shè)備均布置了目前行業(yè)領(lǐng)域較為成熟的相關(guān)技術(shù)，同時(shí)對(duì)一些還不太成熟的監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了一定的探索。

目前大渡河流域各電站安裝的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均可以實(shí)現(xiàn)以下功能:實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能、報(bào)警預(yù)警功能、現(xiàn)地手工試驗(yàn)功能及虛擬試驗(yàn)功能、現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)分析功能、系統(tǒng)維護(hù)及數(shù)據(jù)管理功能、數(shù)據(jù)通訊和系統(tǒng)集成功能、事故追憶功能、事件日志、數(shù)據(jù)輸出功能;集控中心運(yùn)行調(diào)度人員可以通過(guò)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)與現(xiàn)地的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，并利用現(xiàn)有的監(jiān)控通道傳送到流域公司集控中心的網(wǎng)絡(luò)鏈路，獲取相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)以下功能:查看振動(dòng)值、擺度值、壓力脈動(dòng)值等，以及遠(yuǎn)程報(bào)警、預(yù)警功能;機(jī)組在運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)等監(jiān)測(cè)量超標(biāo)或其他故障時(shí)，系統(tǒng)能發(fā)出報(bào)警及停機(jī)信號(hào)，對(duì)機(jī)組實(shí)施保護(hù)停機(jī)。

2.2 大渡河流域各電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題

雖然狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的投入運(yùn)行在機(jī)組的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方面起到了一定的作用，但在故障診斷方面基本上處于初級(jí)階段?？傮w而言，大渡河流域水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的研究及應(yīng)用狀況還存在以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)雖然監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍取得了一定的擴(kuò)展，從過(guò)去單一的振動(dòng)、擺度監(jiān)測(cè)發(fā)展到現(xiàn)在的包括振動(dòng)、擺度、壓力、溫度、噪聲等多項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)，但在氣隙與磁場(chǎng)強(qiáng)度、局放、油氣在線監(jiān)測(cè)方面還沒(méi)有完全設(shè)置到位。

(2)雖然水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)基本成熟，且目前所使用的傳感器大部分為進(jìn)口，但設(shè)備精度和穩(wěn)定性仍不高。

(3)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前還僅僅具有在線的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和分析功能，尚不具備較好的故障診斷能力。在狀態(tài)監(jiān)測(cè)的行業(yè)中，專家系統(tǒng)技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍是水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷技術(shù)研究的熱點(diǎn)，但多年還停留在方法的匯合、算法的改進(jìn)上，始終未能成功地生產(chǎn)出具有工程性的使用產(chǎn)品。

(4)目前大渡河流域還未能形成一個(gè)區(qū)域性多機(jī)組的監(jiān)測(cè)、診斷、管理、維修一體化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)有水電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析功能還不夠強(qiáng)大;雖然個(gè)別電站采用專家系統(tǒng)技術(shù)提供了初級(jí)故障診斷功能，但缺乏來(lái)自故障機(jī)理的、深層次的理論和技術(shù)支持，且缺少大量寶貴的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際診斷經(jīng)驗(yàn)，與工程實(shí)際應(yīng)用存在較大差距，狀態(tài)檢修功能基本空白。

2.3 造成以上問(wèn)題的主要原因

(1)水輪機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

低頻振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)存在較大困難。由于傳統(tǒng)慣性式低頻振動(dòng)傳感器輸出信號(hào)信噪比低的固有缺陷，使得低頻振動(dòng)測(cè)量在負(fù)荷變化時(shí)還存在測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題;測(cè)量壓力脈動(dòng)通常采用壓力傳感器，所選用的壓力傳感器需要具有良好的動(dòng)態(tài)特性，但目前使用的壓力傳感器的安裝存在較大的問(wèn)題，需經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的取壓管路后安裝，導(dǎo)致壓力脈動(dòng)有所衰減或管路共振，給測(cè)量帶來(lái)較大的誤差，動(dòng)態(tài)特性也很難滿足要求。

在狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，目前使用的水輪機(jī)空化、泥沙磨損、水輪機(jī)主要部件的應(yīng)力與裂紋監(jiān)測(cè)技術(shù)尚屬空白，大渡河流域各電站機(jī)組均未安裝相關(guān)監(jiān)測(cè)儀器?？栈瘴g振動(dòng)屬高頻振動(dòng)，振動(dòng)源不好判斷，位置不好確定，同時(shí)沒(méi)有特別明顯的頻段能夠確定是否存在空化及其嚴(yán)重程度;由于水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，空化監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝固定也非常困難。目前國(guó)內(nèi)對(duì)空化監(jiān)測(cè)的研究很少，沒(méi)有比較成熟的產(chǎn)品可以直接應(yīng)用。近年來(lái)，也有個(gè)別電站利用超聲波和加速度傳感器對(duì)空化監(jiān)測(cè)進(jìn)行了試探性的研究，但技術(shù)還不成熟，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差大，參考價(jià)值不大。

(2)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

目前，國(guó)內(nèi)外發(fā)電機(jī)空氣氣隙與磁場(chǎng)強(qiáng)度、絕緣與局部放電參數(shù)的監(jiān)測(cè)僅有相關(guān)的研究，國(guó)內(nèi)也僅有局部電站應(yīng)用，但該監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用還相對(duì)落后。目前，深溪溝電站所采用的華科同安TN8000狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也引入了氣隙監(jiān)測(cè)，但監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際手動(dòng)通過(guò)塞尺測(cè)量的結(jié)果誤差較大，測(cè)量結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用意義不大。如何根據(jù)氣隙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行氣隙偏心診斷，判定問(wèn)題磁極位置，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)潛在故障還無(wú)法實(shí)現(xiàn)，仍需要更深層次地進(jìn)行研究。

目前發(fā)電機(jī)局部放電技術(shù)的測(cè)量因受到外部電磁干擾的影響而不能取得很好的效果，只能作為在其檢修工作的參考，包括三峽電站使用的國(guó)外的監(jiān)測(cè)技術(shù)，在其應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對(duì)泄露電流的監(jiān)測(cè)必須通過(guò)經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)技術(shù)人員對(duì)采集的波形型態(tài)進(jìn)行分析后才能確定設(shè)備局放的狀態(tài)，系統(tǒng)分析功能較弱，對(duì)分析人員的經(jīng)驗(yàn)要求非常高。國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ笮桶l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的直接測(cè)試手段尚在研究中，目前還沒(méi)有成功應(yīng)用的先例。

(3)軸承系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)是推力軸承監(jiān)測(cè)。目前，在大渡河流域已投產(chǎn)的兩廠四站均未能實(shí)現(xiàn)對(duì)推力軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。根據(jù)推力軸承的運(yùn)行特性及故障特征，通常測(cè)量的參數(shù)為:推力軸承潤(rùn)滑參數(shù)，即軸瓦的油膜厚度、油膜壓力、油膜溫度、瓦體溫度及軸瓦的摩擦系數(shù)等。如此多的監(jiān)測(cè)參數(shù)，測(cè)點(diǎn)數(shù)量相當(dāng)多，測(cè)點(diǎn)布置繁雜，而且測(cè)量精度不高，僅憑經(jīng)驗(yàn)選擇埋設(shè)位置誤差較大，因此其具體應(yīng)用尚需做進(jìn)一步的研究，無(wú)成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

目前，主變最關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心是氣相色譜儀，其可以監(jiān)測(cè)多種可燃?xì)怏w和油溫、水分等。目前，除龔嘴電站外，其余電站均安裝了該系統(tǒng)，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在線監(jiān)測(cè)量與離線監(jiān)測(cè)量比較，兩者存在較大的偏差，測(cè)量數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于實(shí)際的意義不大，只能作為一種參考數(shù)據(jù)。

2.4 水電機(jī)組故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在水電機(jī)組故障診斷技術(shù)方面的研究起步較晚，20世紀(jì)70年代才開(kāi)始研究測(cè)試診斷技術(shù)，20世紀(jì)90年代才開(kāi)始進(jìn)行智能化故障診斷的研究工作，研究方法集中在模糊邏輯法、故障樹(shù)分析法、專家系統(tǒng)技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，許多監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)也開(kāi)始投入使用，但大都集中在汽輪機(jī)以及其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)與故障診斷，而針對(duì)水電機(jī)組的應(yīng)用卻很少。

目前，不管是在大渡河流域的兩廠四站，還是在國(guó)內(nèi)的其他電站，狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅具有可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理和分析功能，沒(méi)有達(dá)到在線自動(dòng)診斷的功能目標(biāo)，不能向運(yùn)行人員和生產(chǎn)管理人員提供有效的診斷結(jié)果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足水電站狀態(tài)檢修的實(shí)際需要，主要原因如下:

(1)缺乏來(lái)自故障機(jī)理深層次的理論和技術(shù)支持。如水力機(jī)械的振動(dòng)故障復(fù)雜，除了考慮機(jī)械方面的原因外，尚需考慮流體、動(dòng)壓力及發(fā)電機(jī)電磁力的影響，且某些故障機(jī)理及特征表現(xiàn)形式還沒(méi)有很好的被研究透徹，如泥沙磨損與空化等，進(jìn)而增加了故障診斷的難度。

(2)缺乏將大量寶貴的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際診斷經(jīng)驗(yàn)有效地融入診斷的推理系統(tǒng)。由于故障診斷是一項(xiàng)實(shí)踐性極強(qiáng)的技術(shù)，研究人員必須與從事現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際診斷的工程技術(shù)人員相結(jié)合并與具有豐富知識(shí)的專家一起建立盡可能接近實(shí)際的規(guī)則，并將推理機(jī)制與實(shí)際診斷的思維方法、診斷信息相結(jié)合，才能建立接近人工診斷的推理系統(tǒng)機(jī)制。但多數(shù)研究人員缺乏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際診斷過(guò)程和特點(diǎn)的了解。

(3)數(shù)據(jù)分析中，不管是時(shí)域分析還是頻域分析，以及時(shí)頻域分析對(duì)機(jī)組在升降速過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)分析均是離散分析，不能實(shí)現(xiàn)較好的連續(xù)性，所有的分析值均為相對(duì)值，分析結(jié)果的精度較差。

(4)故障診斷中最常用的為專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別系統(tǒng)。而專家系統(tǒng)知識(shí)獲取困難，大部分專家系統(tǒng)知識(shí)需要人工移植且處理復(fù)雜問(wèn)題時(shí)間長(zhǎng)、容錯(cuò)能力差;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也僅適合一些規(guī)模較小的問(wèn)題，系統(tǒng)性能受訓(xùn)練樣本的限制且無(wú)法向用戶提出必要的詢問(wèn)、提供解釋和指導(dǎo)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)在工程應(yīng)用方面還未達(dá)到人們期望的水平。

3 關(guān)鍵問(wèn)題

3.1 故障行為征兆的自動(dòng)獲取困難

故障行為征兆的自動(dòng)獲取是所有智能化診斷系統(tǒng)所必須解決的首要問(wèn)題。目前，對(duì)于故障征兆中的數(shù)值型征兆可以直接通過(guò)傳感器的信息自動(dòng)獲取，但存在傳感器精度不高，某些數(shù)據(jù)獲取困難甚至某些數(shù)據(jù)目前尚無(wú)法通過(guò)傳感器獲得的問(wèn)題。對(duì)于語(yǔ)義型和圖形征兆，自動(dòng)獲取的難度相當(dāng)大，大部分目前還不能自動(dòng)獲取，必須依靠人工來(lái)完成。

3.2 故障自動(dòng)診斷策略的制定困難

故障診斷系統(tǒng)除了能判別已有故障外，還必須能夠自動(dòng)識(shí)別和分類新出現(xiàn)的故障，并根據(jù)該故障所表現(xiàn)出的征兆自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)新的診斷模塊用于以后診斷該類故障。但目前還無(wú)法識(shí)別并分類新出現(xiàn)的故障，尤其是同時(shí)新出現(xiàn)多個(gè)故障時(shí)如何分類是其最大的困難。

3.3 診斷系統(tǒng)自學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)困難

機(jī)械故障本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的，即隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，故障嚴(yán)重程度發(fā)生改變，或者機(jī)組大修前后安裝條件的不同，都會(huì)導(dǎo)致同樣的故障所表現(xiàn)出的征兆存在差異，因此，診斷系統(tǒng)必須具備自學(xué)習(xí)功能才能適應(yīng)機(jī)組不斷的狀態(tài)變化。目前大渡河流域各電站，包括國(guó)內(nèi)外行業(yè)領(lǐng)域均不能實(shí)現(xiàn)。

3.4 行為預(yù)測(cè)困難

機(jī)組運(yùn)行是一個(gè)動(dòng)態(tài)的非線性過(guò)程。對(duì)于這樣一個(gè)過(guò)程，建立一個(gè)模型進(jìn)行分析、診斷，必須能反應(yīng)動(dòng)態(tài)行為特征。目前所采用的預(yù)測(cè)均為非線性的或是離散的分析，最新提出的動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及基于DNN的建模和預(yù)報(bào)方法都還僅僅是一種理念，沒(méi)有很好的應(yīng)用理論和工程應(yīng)用作支撐。

4 檢修策略

目前我國(guó)水電廠的維修制度是在引用原蘇聯(lián)水電廠維修制度的基礎(chǔ)上建立并形成的、具有中國(guó)特點(diǎn)的定期保養(yǎng)和修理制度，并在不斷修改補(bǔ)充，2002年形成的《發(fā)電廠檢修規(guī)程》SD230－87仍是我國(guó)各水電廠設(shè)備維修的基本法規(guī)。該規(guī)程主要是以“預(yù)防為主、計(jì)劃?rùn)z修”和“到期必修、修必修好”為主要方針。大渡河流域的龔、銅兩站機(jī)組檢修和改造工作也基本上按照該項(xiàng)規(guī)程和主要方針進(jìn)行機(jī)組的年度檢修工作。

2010年，大渡河公司提出了“精益運(yùn)維、精益檢修”的理念?！熬孢\(yùn)維”和“精益檢修”就是利用先進(jìn)的管理手段或方法，建立可靠的設(shè)備管理、技術(shù)管理系統(tǒng)，通過(guò)相應(yīng)的定性、定量管理，對(duì)設(shè)備維護(hù)、檢修生產(chǎn)等進(jìn)行事前的預(yù)控，從而提高設(shè)備健康水平，提升安全管理水平，保證職工安全和設(shè)備健康?！熬鏅z修”的目的是從事中、事后控制延伸到事前。在實(shí)際的操作層面，圍繞“安全管理、技術(shù)管理、設(shè)備管理、運(yùn)維管理”4個(gè)方面，立足“預(yù)防、預(yù)控”和“可控、在控”兩預(yù)兩控，深化“閉環(huán)管理、對(duì)標(biāo)管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、經(jīng)營(yíng)管理”4個(gè)管理，把握“抓住重點(diǎn)、解決難點(diǎn)、控制風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、掌控關(guān)鍵點(diǎn)”4個(gè)要點(diǎn)，著力抓好“機(jī)制建設(shè)、制度建設(shè)、體系建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)”4個(gè)建設(shè)，開(kāi)展“定時(shí)、定人、定量、定性”四定分析，最終實(shí)現(xiàn)“作業(yè)零違章、設(shè)備零缺陷、人身零傷亡、安全零事故”四零目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

水電設(shè)備的狀態(tài)檢修是運(yùn)用綜合性的技術(shù)手段對(duì)水電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，是一種新興技術(shù)和一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程。由于受傳感器技術(shù)、監(jiān)測(cè)儀器等諸多技術(shù)發(fā)展的限制，一些諸如低頻振動(dòng)、空化空蝕和轉(zhuǎn)子溫度的在線監(jiān)測(cè)等技術(shù)還未實(shí)現(xiàn)，由于缺乏一套行之有效的故障推理機(jī)理和故障案例庫(kù)，致使機(jī)組故障診斷基本上還停留在人工診斷階段，對(duì)狀態(tài)檢修的研究還處于起步階段。

目前，現(xiàn)有的技術(shù)手段還不足以應(yīng)付發(fā)電機(jī)組所有設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)要求，也不適合推廣應(yīng)用于大渡河流域各電站機(jī)組的檢修中。從國(guó)外實(shí)施狀態(tài)檢修的經(jīng)驗(yàn)看，國(guó)外電廠參與狀態(tài)檢修的設(shè)備主要還是一些輔助設(shè)備。對(duì)于機(jī)組大修的間隔仍取決于主要檢修項(xiàng)目的要求和檢修技術(shù)水平。經(jīng)過(guò)研究和實(shí)踐，目前電力行業(yè)普遍認(rèn)可的發(fā)電設(shè)備檢修應(yīng)是一種綜合或復(fù)合的檢修方式，這和大渡河公司提出的“精益檢修”是統(tǒng)一的。