何理瑞

(浙江水利水電學院 工程實驗實訓中心，浙江 杭州 310018)

水輪機是水電站運行的核心設備，其工作狀態(tài)是否穩(wěn)定對整個電站發(fā)電系統(tǒng)的安全運行保障具有很大的影響，若設備出現(xiàn)重大安全事故往往會造成巨大的經(jīng)濟損失.有資料表明，水電機組所發(fā)生的70%～80%的故障都能通過水電機組的振動反映出來.振動故障預測和診斷是保障水輪機安全運行的有效技術(shù)手段之一.對水輪機振動故障診斷技術(shù)及失效分析的研究，具有很大的實際意義，有利于推動設備維護和狀態(tài)檢修工作的正常開展.水輪機振動故障診斷與失效分析研究，及時、正確地對水輪機各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)作出診斷，預防或消除故障，提高機械運行的可靠性、安全性和有效性，將水輪機故障的損失降低到最低水平.保證水輪機發(fā)揮最大的工作能力，制定合理的檢修制度，延長水輪機服役期限和使用壽命，降低其全壽命周期費用.

1 振動診斷的應用優(yōu)勢

利用振動信息進行故障診斷，一般是出于以下考慮：

(1)振動是機械運行過程中出現(xiàn)的必然現(xiàn)象，只要機械設備開動就有振動信號產(chǎn)生，而故障信息包含于振動信號之中；

(2)易于實現(xiàn)在線診斷和監(jiān)控；

(3)大部分機械內(nèi)部異常時，會導致振動量的增加以及振動頻率成分或振動形態(tài)的改變；

(4)不同的故障是由于機械故障所施加的激勵不同而引起的.因而產(chǎn)生的振動會具有各自的特點；

(5)測試手段、方法、理論相對比較成熟.

2 水輪機常見振動故障特點

水輪機振動與其他機器設備一樣，在運轉(zhuǎn)中的振動是普遍存在的、不可能安全避免和消除的現(xiàn)象.根據(jù)引起振動的誘發(fā)原因，水輪機振動故障特點主要表現(xiàn)為：

(1)水輪機振動故障的漸變性.水輪機轉(zhuǎn)速與其他旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速相比明顯較低，水輪機振動故障的發(fā)展一般屬于漸變性、耗損性故障.同時也為故障診斷和趨勢分析，捕捉事故征兆，早期預警帶來便捷.

(2)水輪機振動故障的復雜多樣性.水輪機是一個涉及機械和水力的復雜系統(tǒng).在運行過程中除了機械因素外還有水力因素的影響，可能是某一個因素引起的單一振動，也可能是幾種因素共同作用的耦合振動，振動機理相對復雜.

(3)水輪機振動故障的特殊性.整個水電站的設計、施工受地理位置、地質(zhì)狀況和經(jīng)濟技術(shù)等多方面的影響.導致了不同于一般振動故障的特性.

3 水輪機振動故障診斷

3.1 建立故障診斷專家系統(tǒng)

振動故障診斷的“專家系統(tǒng)”是指在計算機控制的振動在線監(jiān)測、特征分析和振動專家經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，應用人工智能方法實現(xiàn)振動故障的一種自動診斷系統(tǒng).它通常是水輪機振動在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的一個組成部分(見圖1).

圖1 專家系統(tǒng)的構(gòu)成

3.2 振動故障的識別

通常當水輪機運行狀態(tài)出現(xiàn)異常時，必然會反映到振動水平的改變或異常，特別是在振動頻率上表現(xiàn)得最為明顯.為了掌握故障征兆參數(shù)與故障原因之間的對應關(guān)系，建立故障樣本數(shù)據(jù)庫.對異常振動原因進行分析和推斷.運用頻譜分析方法，國內(nèi)外有關(guān)專家對遇到的大量實際故障進行分類統(tǒng)計，按照征兆對應的故障發(fā)生頻率建立了用于故障診斷的征兆頻率表(見表1).

3.3 故障的振動部位判別

振動幅值的大小是反映故障發(fā)生嚴重程度的一種度量.大量的工程實踐表明，當發(fā)生振動故障時，總會在水輪機的某個部位檢測到超過允許值的振動.

(1)若在水導軸承處的振動比其他部位更明顯時，可能是蝸殼、導葉及轉(zhuǎn)輪中的水力不平衡所引起的振動.

(2)若因轉(zhuǎn)輪葉片出水連線型差異、葉片尾部形成卡門渦列、尾水管中產(chǎn)生偏心渦帶等引起的振動，則在壓力鋼管、尾水管頂板均可測得明顯振動，蝸殼中會出現(xiàn)較大水壓波動.

因此，根據(jù)振動部位的不同，也可在一定程度上判斷振動故障原因.當水輪機發(fā)生振動故障時，總會在某個(或某些)部位產(chǎn)生較大的振動，即振動部位反映與振動故障有著一定的對應關(guān)系(見表2).

表1 水輪機振動故障頻譜特征表

注：表中f0為轉(zhuǎn)子工作頻率.

表2 水輪機振動故障幅值特征表

4 建立水輪機狀態(tài)監(jiān)測檢修系統(tǒng)

對于水輪機來說振動引起的各種故障或事故成為其檢修的主要原因.狀態(tài)監(jiān)測是對水輪機運行狀況和現(xiàn)存性能指標以及安全程度，失效分析的綜合描述.它是對水輪機整體或主要部件的各種性能指標定量或定性的反映，通過先進的監(jiān)測分析工具和方法，對水輪機的運行狀況進行監(jiān)測、記錄與分析，采用在線或離線故障診斷系統(tǒng)，對機組現(xiàn)存狀態(tài)作出科學評估、趨勢預測和失效分析.

水輪機狀態(tài)監(jiān)測檢修工作主要由五個環(huán)節(jié)組成：水輪機→狀態(tài)監(jiān)測→診斷分析并判斷決策→檢修管理→檢修評估，并形成有機的閉環(huán)系統(tǒng)(見圖2).對水輪機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，然后對機組進行故障診斷和綜合狀態(tài)評估，從而判定是否需要維修、何時維修、維修部件和部位，并給出狀態(tài)檢修建議，為檢修計劃、失效與否提供依據(jù).

圖2 水輪機狀態(tài)檢修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 語

隨著信息技術(shù)和數(shù)學方法的發(fā)展，尤其是智能化專家系統(tǒng)、模糊理論、灰色理論、遺傳理論和神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)等新興方法的建立與逐步成熟，計算機技術(shù)的有力支持，振動診斷在水輪機故障診斷與失效分析中的應用越來廣泛，應用振動故障診斷與處理技術(shù)，已成功地解決了水輪機運行中的大許多振動問題，在保證設備、企業(yè)安全運行方面發(fā)揮了重要作用.深入進行振動故障診斷與失效分析的研究和探討，努力將新技術(shù)轉(zhuǎn)化為物化系統(tǒng)并應用于生活實際，具有重要理論研究意義和實際工程價值.

參考文獻：

[1] 何理瑞.振動診斷在機械設備齒輪故障診斷中的應用[J].煤礦機械，2009(5)：210-212.

[2] 張學延.汽輪發(fā)電機組振動診斷[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3] 毛漢領(lǐng).混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋監(jiān)測研究[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[4] 王玲花.水輪發(fā)電機組振動及分析[M].鄭州：黃河水利出版社，2011.

[5] 張梅軍.機械狀態(tài)檢測與故障診斷[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[6] 劉 云.水輪發(fā)電機故障處理與檢修[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[7] 劉曉波.旋轉(zhuǎn)機械故障診斷若干關(guān)鍵技術(shù)研究及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.