顧丹峰

[摘 要]振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)對水輪機組的振動、擺度及壓力脈沖進行了實時監(jiān)測與診斷，實現了準確、快速、直觀地反映水輪機組的狀態(tài)信息，并作為一種有效檢測手段應用于狀態(tài)檢修工作中。

[關鍵詞]振動擺度；監(jiān)測系統(tǒng)；水輪發(fā)電機

中圖分類號：TG833 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）20-0210-02

一、機組診斷擺度監(jiān)測技術對狀態(tài)檢修的重要性

振動擺度，是指水輪發(fā)電機組在運轉過程中，因機械因素、水力因素、電磁因素等不同的影響因素導致的振動擺度現象。振動擺度是水輪發(fā)電機組運行過程中較為常見的問題。振動擺度問題的出現影響機組正常運轉，嚴重時會引發(fā)機組與廠房的損壞，甚至造成重大運行故障事故發(fā)生。因此，振動擺度已經成為水輪發(fā)電機組運行狀態(tài)評價的重要指標。

狀態(tài)檢修是目前針對水輪發(fā)電機組較為流行的設備檢修方式，通過振動擺度檢測系統(tǒng)可以增強設備檢修的針對性及有效性，提升設備的使用效率、運轉的穩(wěn)定效率及綜合運轉效率。在開展水輪機組狀態(tài)檢修時要求對機組進行實時狀態(tài)的檢測與故障診斷，對機組潛在的故障與隱患進行預判。振動擺度是機組設備運行是否平穩(wěn)的最為直接有效的表征，因此，對機組振動擺度進行實時檢測與分析診斷是水輪發(fā)電機組實現運轉實時狀態(tài)監(jiān)測重要的組成部分，也是對水輪發(fā)電機組進行狀態(tài)檢修不可或缺的技術手段之一。

二、振動擺度診斷監(jiān)測系統(tǒng)的功能

振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)一般由傳感器、監(jiān)測保護儀表或計算機顯示器、統(tǒng)計分析軟件三部分組成。其中，傳感器由探頭與前置放大器組成，完成振動擺度信號源的搜索、濾波及放大功能，在搜索信號源并記錄數據后將數據輸入計算機，利用統(tǒng)計分析軟件進行分析處理及故障診斷的分析監(jiān)測功能，并實現報警甚至緊急停機功能。

振動擺度診斷監(jiān)測系統(tǒng)為實現對機組運行狀態(tài)的監(jiān)測、預防性維護及檢修要求，系統(tǒng)的診斷監(jiān)測軟件應具備以下功能：

（1）實時監(jiān)測。在傳感器追蹤數據并輸入系統(tǒng)，顯示器要通過實物樹的圖表方式實時顯示所監(jiān)測設備運行數據的狀態(tài)，并對運轉故障進行報警顯示。

（2）回顧追蹤。系統(tǒng)要自動記錄數據越限時相關的數據信息，可實現為追綜事故發(fā)生前后的一段時間的相關運行數據，可進行最終分析及紙質打印功能的實現。

（3）振動擺度分析。振動擺動功能分析要實現：

時域分析：波形、幅度數值、軸心運轉軌跡、軸心位置、振動棒圖分析等功能的實現；

趨勢分析：通過已有的數據進行過去發(fā)展軌跡特征分析、預測未來發(fā)展趨勢分析及趨勢預報等；

靶圖分析：實現直觀的頻譜靶圖與矢量靶圖分析等；

故障職能診斷：通過上述的時域、趨勢及靶圖分析等工具，結合技術工作人員的業(yè)務經驗，實現對監(jiān)測對象故障的診斷，及時給出故障部位及其故障性質，提出合理的解決對策與處理意見。

三、機組振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)測點布置及故障判斷及分析

1 測點布置及故障判斷

振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)為實現其實時監(jiān)測與分析診斷的功能，要在水輪發(fā)電機組的三部導軸承、上下機架、頂蓋、定子鐵芯、尾部水管等關鍵部位安裝傳感器，實時測量發(fā)電機組的擺度、振動、壓力脈沖等物理運轉參數。同時，接入機組有功功率、無功功率、導葉開度、水頭、流量等參數，實現對水輪發(fā)電機組狀態(tài)的實時監(jiān)控檢測。具體的振動擺度檢測系統(tǒng)測點及布置數量等詳見下表1：

2 振動監(jiān)測與故障診斷分析方法

（1）時域信號分析

傳感器時間測量的信號即位時域信號。水輪發(fā)電機振動擺渡檢測系統(tǒng)是在高噪音、強干擾的環(huán)境下進行工作，因此檢測信號會受到一定的干擾，需要對其進行特殊處理，狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中的時域信號是指傳感器信號經濾波、采樣、A/D變換，放大等預處理后送到計算機后作出的信號幅值隨時間變化的圖形或波形，這里信號幅值可以是位移、速度、加速度等量。

觀察信號幅值的變化規(guī)律，可運行時域信號波形圖，對描述信號特征的數字進行提取，例如最大方差，此時可以對特定信號X（t）進行特征量的計算：

最大峰值的定義公式為：

，

其中Xi滿足Xi ≥Xi-1 且Xi≥Xi+1。

通過計算最大峰值，可以得出信號中幅值的最大波動程度，并可以將其表示為波形中的平均值。

（2）功率譜分析

該信號分析功能是較為常用的一種頻域分析法，主要是通過FFT的變換，將時域信號整體分解為若干頻率成分之和，進而在分析信號頻率成分及分量能量大小的基礎上衡量幅值。該方法是將信號分析從一個域轉換到新的一個域，通過轉換角度來分析問題。

功率譜密度函數的計算公式如下：

設S* w（w）是 S（w）的共扼復數，則自功率譜密度函數為：

率譜密度函數也可以由自相關函數經付立葉變換而得到，此時相應的公式為：

可以做功率譜分析的數據既可以是來自位移、速度、加速度傳感器的實時振動信號，可以是硬盤上的記錄歷史數據或數據庫中的數據。

四、振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)應用經驗及未來發(fā)展趨勢

1.振動擺度診斷監(jiān)測系統(tǒng)應用經驗

當水輪機止漏環(huán)等部件出現脫落或者出現導流板撕裂現象時，頂蓋振動擺度會超出正常范圍，出現明顯增大情況，此時監(jiān)測系統(tǒng)中的頻譜會發(fā)生扭曲；在導流板撕裂時在蝸殼入口門與尾水門處可以聽見明顯的撞擊聲音，止漏環(huán)脫落不明顯。

水輪機止漏環(huán)脫落時，機組推力軸承的受力增大，外在變現為推力瓦溫會升高。水輪機特征頻率：當水輪機過流等構件發(fā)生故障時，振動擺度的頻譜圖將以水輪機特征頻率或其倍數頻率成分分布。發(fā)電機電磁因素振動：定子鐵芯振動會明顯增大，其頻譜圖中以50HZ倍頻成分為主。軸瓦間隙偏大或分布不均勻：相應軸承擺度增大，瓦的溫度成規(guī)律變化。

2.振動擺度診斷監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展趨勢

完善的電路保護，抑制電磁干、電源波動及傳感器損壞情況發(fā)生；實現自檢測功能，自動識別傳感器短路、短路及掉電等故障，更加完善的專家系統(tǒng)及強大的網絡診斷。

綜上，隨著我國水利水電事業(yè)的快速發(fā)展，水輪發(fā)電機組的技術發(fā)展水平逐漸成熟，并出現大型甚至是巨型化發(fā)展趨勢。水電站對設備日常運行的平穩(wěn)度及安全性的要求越來越高，傳統(tǒng)的基于時間設備檢修模式，已經逐漸不再適應實時設備檢測檢修需要。水電站對設備故障診斷與維修的精準，及有針對性的要求越來越明顯。設備狀態(tài)檢修技術利用了先進的設備運行指標及頻譜狀態(tài)檢測與針對技術，通過對設備運行進行實時監(jiān)測、診斷、分析甚至是預判等，綜合評價分析設備的運轉健康狀況，實現科學有效安排檢修計劃與內容，實施檢修設備，節(jié)約檢修維護費用，減少設備非計劃性的停擺時間，延長設備的使用壽命，為電力的安全生產提供了有效保障。

參考文獻

[1] 費炳生.水輪發(fā)電機組振動擺度診斷監(jiān)測系統(tǒng)[J].水電站機電技術水，2011（3）.