唐衛(wèi)平

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

水電機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)渡過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析及診斷

Remote monitoring and fault diagnosis of hydropower generator unit based on transient data of start-up and shutdown operation condition

唐衛(wèi)平

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

從完善機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程相關(guān)信息量監(jiān)測(cè)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，采用基于基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)的模式識(shí)別故障診斷技術(shù)等方面入手，對(duì)水電機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)渡過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析進(jìn)行闡述，對(duì)水電廠安全運(yùn)行具有重要意義。

水電機(jī)組；開(kāi)停機(jī)；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；分析

水電機(jī)組屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一種，在運(yùn)行過(guò)程中表現(xiàn)出的故障形式多種多樣，故障機(jī)理也十分復(fù)雜。對(duì)機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中不能發(fā)現(xiàn)的缺陷和問(wèn)題，并在機(jī)組故障發(fā)生前有計(jì)劃地提前進(jìn)行維修處理，對(duì)保障水電機(jī)組安全運(yùn)行具有重要指導(dǎo)意義。

1 水電機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程分析及診斷

機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題包括開(kāi)停機(jī)異常振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)部分機(jī)械不平衡、大軸不對(duì)中、大軸彎曲、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件的摩擦、機(jī)組開(kāi)停機(jī)時(shí)間異常改變、機(jī)組開(kāi)停機(jī)規(guī)律異常變化、導(dǎo)葉漏水量異常、機(jī)組開(kāi)停機(jī)軸承瓦溫異常變化等。

1.1 機(jī)組開(kāi)停機(jī)異常振動(dòng)分析

采用監(jiān)測(cè)開(kāi)停機(jī)過(guò)程機(jī)組振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，對(duì)振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，互相關(guān)分析，對(duì)開(kāi)停機(jī)過(guò)程中監(jiān)測(cè)的典型非平穩(wěn)過(guò)程信號(hào)進(jìn)行小波及小波包分析〔1〕。

1)開(kāi)停機(jī)過(guò)程數(shù)據(jù)總體評(píng)價(jià)。通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)組不同水頭下多次開(kāi)機(jī)過(guò)程中不同轉(zhuǎn)速、不同工況下的振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)，對(duì)機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)給出單次開(kāi)機(jī)過(guò)程中機(jī)組振動(dòng)的優(yōu)良中差評(píng)價(jià)和診斷，給出歷次開(kāi)停機(jī)機(jī)組振動(dòng)趨勢(shì)比較。配置了頂蓋部位碰磨信號(hào)監(jiān)測(cè)裝置的機(jī)組，采用特定頻譜帶分析法對(duì)碰磨信號(hào)進(jìn)行提取，能輔助判斷機(jī)組頂蓋水下部分是否存在碰磨故障。

2)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不平衡分析診斷。開(kāi)機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵令~定轉(zhuǎn)速，從升速過(guò)程中機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分處支架水平振動(dòng)、大軸擺度可分析判斷機(jī)組存在的質(zhì)量不平衡情況〔2〕，決定是否進(jìn)行動(dòng)平衡配重處理。

3)機(jī)組軸線彎曲、機(jī)組軸線位移分析診斷。根據(jù)機(jī)組盤(pán)車(chē)結(jié)果、各部軸承瓦間隙調(diào)整結(jié)果，結(jié)合機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中大軸擺度，擺度傳感器探頭與大軸的間隙值變化等，對(duì)機(jī)組軸線彎曲、機(jī)組軸線位移進(jìn)行分析診斷。

4)開(kāi)停機(jī)水力諧振診斷。資料表明，國(guó)內(nèi)外有部分水電機(jī)組在開(kāi)停機(jī)過(guò)程中存在特有的水力諧振現(xiàn)象，一般通過(guò)對(duì)壓力脈動(dòng)信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析和互相關(guān)系分析可發(fā)現(xiàn)。一旦發(fā)現(xiàn)機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程存在水力諧振則必須采取應(yīng)對(duì)措施，以免造成對(duì)設(shè)備的損害。

機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中隨轉(zhuǎn)速變化振動(dòng)監(jiān)測(cè)如圖1所示。

圖1 機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中隨轉(zhuǎn)速變化振動(dòng)監(jiān)測(cè)波形圖

1.2 機(jī)組開(kāi)停機(jī)時(shí)間、規(guī)律異常改變分析

采用監(jiān)測(cè)開(kāi)機(jī)過(guò)程中機(jī)組開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)至機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值、導(dǎo)葉 (槳葉)開(kāi)度變化過(guò)程及達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間，導(dǎo)葉開(kāi)始動(dòng)作到首次進(jìn)入同期帶(調(diào)節(jié)時(shí)間)時(shí)間，監(jiān)測(cè)停機(jī)過(guò)程中機(jī)組轉(zhuǎn)速降至制定轉(zhuǎn)速的時(shí)間，導(dǎo)葉 (槳葉)開(kāi)度降至零的時(shí)間，監(jiān)測(cè)投入風(fēng)閘的開(kāi)出指令、制定氣壓，制定時(shí)間等。

1)機(jī)組開(kāi)停機(jī)時(shí)間異常改變。機(jī)組開(kāi)停機(jī)時(shí)間異常改變有，時(shí)間變長(zhǎng)和時(shí)間變短2種現(xiàn)象。相同工況下，機(jī)組開(kāi)停機(jī)時(shí)間變長(zhǎng)或變短，則表明:測(cè)量信號(hào)或機(jī)組或調(diào)速控制系統(tǒng)等出現(xiàn)了異常。應(yīng)全面檢查調(diào)速器參數(shù)設(shè)置、調(diào)速器控制油管路流量、壓力及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)速器測(cè)量信號(hào)、機(jī)組導(dǎo)葉漏水量、機(jī)組停機(jī)制動(dòng)時(shí)投入風(fēng)閘時(shí)刻、機(jī)組停機(jī)制動(dòng)氣壓、分段關(guān)閉裝置投入及拐點(diǎn)位置、下游水位等〔3〕，找出原因并針對(duì)處理。

2)機(jī)組開(kāi)停機(jī)規(guī)律異常改變。機(jī)組多次開(kāi)停機(jī)過(guò)程中時(shí)間無(wú)變化，但開(kāi)停機(jī)過(guò)程中相關(guān)參量的變化規(guī)律異常改變，表明同樣有設(shè)備隱患存在。這些現(xiàn)象包括轉(zhuǎn)速存在擺動(dòng)或大幅波動(dòng)〔4〕，開(kāi)機(jī)過(guò)程機(jī)組轉(zhuǎn)速超調(diào)量、超調(diào)次數(shù)異常增加，導(dǎo)葉(槳葉)停頓、擺動(dòng)等，應(yīng)參照機(jī)組開(kāi)停機(jī)時(shí)間異常改變中的介紹開(kāi)展檢查處理。

1.3 機(jī)組開(kāi)停機(jī)軸承瓦溫異常變化分析

采用監(jiān)測(cè)開(kāi)停機(jī)過(guò)程中機(jī)組轉(zhuǎn)速，各部軸承瓦溫、油溫、冷卻水溫等參量的變化過(guò)程，可以進(jìn)行開(kāi)停機(jī)過(guò)程各部軸承瓦溫測(cè)量值異常變化分析。軸承瓦溫的異常變化包括與歷史或經(jīng)驗(yàn)值比較，瓦溫穩(wěn)態(tài)值變化，瓦溫升高或降低變化趨勢(shì)，瓦溫升高(或降低)變化速率異常改變等。機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程出現(xiàn)軸承瓦溫異常變化時(shí)，首先應(yīng)排除溫度測(cè)量信號(hào)故障，然后應(yīng)結(jié)合軸承安裝調(diào)整工藝、間隙分配、受力調(diào)整等情況，參照大軸擺度、油質(zhì)、油溫、冷卻水溫、運(yùn)行工況等監(jiān)測(cè)量進(jìn)行分析，確認(rèn)原因并采取針對(duì)措施。

機(jī)組停機(jī)過(guò)程中導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間分析決策監(jiān)測(cè)如圖2所示。

圖2 機(jī)組停機(jī)過(guò)程中導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間監(jiān)測(cè)波形圖及分析

2 開(kāi)停機(jī)過(guò)程信息量的獲取

水電機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析需要大量的信息量，開(kāi)停機(jī)過(guò)程基本不涉及電氣部分，因此，凡涉及到水力因素、機(jī)械因素方面的信息量均必須監(jiān)測(cè)。

2.1 水力因素

包括尾水管低頻渦帶、水輪機(jī)水封間隙等產(chǎn)生的水力不平衡、蝸殼、導(dǎo)水葉和轉(zhuǎn)輪水流不均引起的振動(dòng)、壓力管道中水力振動(dòng)和卡門(mén)渦引起的水輪機(jī)葉片和導(dǎo)葉振動(dòng)等，一般采用壓力脈動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)獲取相關(guān)信息。測(cè)點(diǎn)包括尾水管、頂蓋、蝸殼等部位。壓力脈動(dòng)傳感器應(yīng)具備適合水力發(fā)電機(jī)組的基本特性，包括靈敏度、量程、精度等。壓力脈動(dòng)傳感器要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于1 ms，能夠分析200 Hz以上的脈動(dòng)頻率，測(cè)量范圍應(yīng)能滿足流道中可能出現(xiàn)的最高壓力或負(fù)壓。

2.2 機(jī)械因素

機(jī)械缺陷多表現(xiàn)為振動(dòng)，振動(dòng)的一般特點(diǎn)是其振動(dòng)頻率多為轉(zhuǎn)頻或轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，對(duì)于立軸式機(jī)組，不平衡力一般為徑向水平方向。包括大軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、轉(zhuǎn)子的不平衡、不對(duì)中故障、大軸彎曲、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件的摩擦、導(dǎo)軸承瓦間隙大、推力軸承的推力頭松動(dòng)和推力軸瓦不平等。應(yīng)監(jiān)測(cè)機(jī)組各機(jī)架振動(dòng)，各部軸承擺度，定子振動(dòng)等，頂蓋部位推薦監(jiān)測(cè)水下部分碰磨信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)各水電廠機(jī)組普遍配置有振動(dòng)擺度在線監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)獲取機(jī)械因素相關(guān)信息提供了保證。

2.3 背景量及輔助參量

背景量、輔助參量對(duì)分析機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程至關(guān)重要。需監(jiān)測(cè)信息包括:水頭、負(fù)荷、導(dǎo)葉 (槳葉)開(kāi)度、瓦溫、油溫、水溫、開(kāi)停機(jī)令、停機(jī)制動(dòng)氣壓、投風(fēng)閘令等。

3 基于網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)停機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析

隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化與數(shù)字化成為當(dāng)今各行各業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。水電廠一般地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，各水電廠也正在向 “無(wú)人值班、少人值守”方向發(fā)展，對(duì)水電機(jī)組故障分析具有較高的專業(yè)性要求，且實(shí)時(shí)性突出，迫切需要新的服務(wù)手段和相應(yīng)服務(wù)技術(shù)的支持。網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化配置以及水電裝備的遠(yuǎn)程操作、監(jiān)控與診斷維護(hù)功能是解決這一問(wèn)題的有效途徑。

基于網(wǎng)絡(luò)的水電機(jī)組開(kāi)停機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析表現(xiàn)為水電設(shè)備分析的操作者與被操作對(duì)象在物理上分離，而在信息、邏輯上進(jìn)行集成。一方面擴(kuò)大了操作者對(duì)操作對(duì)象的控制范圍，提高了管理者對(duì)水電設(shè)備運(yùn)行情況掌握的方便程度，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的技術(shù)咨詢、遠(yuǎn)程設(shè)備的故障診斷；另一方面，達(dá)到了水電設(shè)備信息的共享，方便對(duì)水電機(jī)組故障做出的更精確的判斷。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)傳輸及信息量大，為保障實(shí)時(shí)性，應(yīng)采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，同時(shí)最大限度減少數(shù)據(jù)丟失。

4 基于基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)的開(kāi)停機(jī)故障診斷分析

實(shí)行對(duì)水電機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)渡過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析，必須建立開(kāi)停機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)，采用基于基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)的模式識(shí)別故障診斷技術(shù)。即將機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程中的各類特征參數(shù)作為其正常模式存入基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程及狀態(tài)，分析其實(shí)際模式，并將實(shí)際模式與基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)預(yù)存模式進(jìn)行對(duì)比，將對(duì)比結(jié)果作為故障診斷的依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水電廠水輪發(fā)電機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析。

開(kāi)停機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)一般包括:機(jī)組正常開(kāi)機(jī)時(shí)間；機(jī)組開(kāi)機(jī)正常調(diào)節(jié)時(shí)間；機(jī)組正常停機(jī)時(shí)間；機(jī)組制動(dòng)轉(zhuǎn)速；機(jī)組制定額定氣壓；機(jī)組正常制定時(shí)間；機(jī)組正常停機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間；瓦溫正常范圍、報(bào)警值、停機(jī)值〔5〕；油溫正常值；水溫正常值；分段關(guān)閉裝置拐點(diǎn)位置及各段關(guān)閉時(shí)間等。

5 開(kāi)停機(jī)過(guò)渡過(guò)程分析診斷的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)擴(kuò)充完善現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組、調(diào)速控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息量，將機(jī)組溫度、開(kāi)/停機(jī)輔助參量等、調(diào)速器特征參數(shù)引入現(xiàn)場(chǎng)及湖南電科院遠(yuǎn)程分析中心“水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)施決策系統(tǒng)”。同時(shí)建立了基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)，采用數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)柘溪水電廠的水電機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)渡過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析及診斷。系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，已成功判斷出柘溪水電廠6號(hào)機(jī)組因漏水量大導(dǎo)致停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題以及2號(hào)、8號(hào)機(jī)組開(kāi)機(jī)及并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)超標(biāo)問(wèn)題等。為水電機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)渡過(guò)程中的故障診斷分析、檢修維護(hù)提供了重要支撐。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)水電機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)渡過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析，是全面掌握機(jī)組狀態(tài)的重要手段。它涉及到完善機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程相關(guān)信息量監(jiān)測(cè)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，采用基于基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)的模式識(shí)別故障診斷技術(shù)等方面。該方法應(yīng)用于柘溪水電廠，發(fā)現(xiàn)了特定水頭下存在開(kāi)機(jī)振動(dòng)、機(jī)組停機(jī)時(shí)間改變、導(dǎo)葉漏水量增大等缺陷并及時(shí)進(jìn)行了處理，取得良好效果。

〔1〕楊敏，劉洋.李家峽水電站機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)的小波分析 〔J〕.水利水電技術(shù)，2005，36(10):30-33，41.

〔2〕趙道利，馬薇，張龍奎，等.水電機(jī)組振動(dòng)故障的診斷與處理〔J〕，大電機(jī)技術(shù)，2005(6):44-47.

〔3〕萬(wàn)長(zhǎng)勝，豐強(qiáng)，豐芳.柘林水電廠B廠機(jī)組停機(jī)時(shí)間偏長(zhǎng)的解決方案 〔J〕，江西科學(xué)，2013，31(5):671-674.

〔4〕吳小林，孟佐宏.彭水水電站1號(hào)機(jī)組停機(jī)過(guò)程中導(dǎo)葉開(kāi)啟機(jī)組過(guò)速事故的調(diào)查分析 〔J〕，水電站機(jī)電技術(shù)，2012，35 (6):84-87.

〔5〕關(guān)小剛.大峽水電站機(jī)組軸承瓦溫過(guò)高事故停機(jī)功能 〔J〕，水電廠自動(dòng)化，2008，29(4):82－83.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.02.0013

TV736

B

1008-0198(2015)02-0044-03

唐衛(wèi)平 (1964)，男，高級(jí)工程師，從事水電廠生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備管理及科技攻關(guān)等相關(guān)技術(shù)工作。

2014-11-03

國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司科研課題 (5216A513500N)