李多龍

（云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司梨園發(fā)電分公司，云南 昆明 650228）

水輪發(fā)電機組是水電廠重要設備，它的穩(wěn)定性不僅直接關系到電廠設備的經濟性，還會直接影響電網的穩(wěn)定性和電網效益。隨著水輪發(fā)電機組的增多，質量也開始出現(xiàn)問題，因為設計、制造、安裝、運行等方面不合格造成設備運行頻率不適當，引發(fā)水輪發(fā)電機組局部出現(xiàn)共振和擺振。所以研究水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性具有重要的實際價值。筆者總結水輪發(fā)電機穩(wěn)定性存在問題，分析其中原因，針對水輪發(fā)電機組運行特點和故障特點針對性提出診斷策略。

1 影響水輪發(fā)電機組穩(wěn)定的基本因素

1.1 設計方面

一些電廠為了追求過高的能量指標，過度提高水輪機和機組的效率，選擇不恰當的設計方案。一個原因是選擇水輪發(fā)電機組同步轉速時沒有進行深入分析，讓發(fā)電機最高和最低水頭比例不恰當，超過正常范圍；另一原因是發(fā)電機組補氣措施過于薄弱，導致水輪發(fā)電機組不穩(wěn)定范圍增加，超過正常范圍35%以上，部分發(fā)電機組甚至超過75%。導致水輪發(fā)電機在運行時會時間處于漩渦運動中，強大壓力脈動和空腔脫流容易出現(xiàn)強力振動，情況嚴重時還會導致水錘脫落。

1.2 電網電源

因為水輪發(fā)電組長期承擔調峰填谷、調頻、調相、事故備用的任務，所以水輪發(fā)電機經常會偏離額定范圍運行。在復雜情況下水輪發(fā)電機輪轉進出口出現(xiàn)異常，高負荷沖擊干擾區(qū)、低負荷振動區(qū)和補氣區(qū)情況時有發(fā)生，導致機組軸系運行狀態(tài)不佳，軸承系統(tǒng)、支撐結構功能逐漸失效，機組性能不穩(wěn)定加劇。

1.3 上下游水位和運行水頭變化

在水電站計劃和投產時期，上下游水位、運行水頭經常發(fā)生變化，使得水輪發(fā)電機無法保持在最佳狀態(tài)，這是影響水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性的重要原因。因為水輪機只能在固定范圍運行，所以在低水頭低負荷、高水頭負荷情況下會發(fā)生撞擊、脫流，出現(xiàn)強烈沖擊振動，嚴重情況還會出現(xiàn)穿透性裂紋。

2 造成水輪發(fā)電機組不穩(wěn)定的原因

水輪發(fā)電機組不穩(wěn)定原因歸結起來可以分成三個方面：水輪發(fā)電機組的水利干擾、機械干擾、電磁干擾。

2.1 水利干擾

水力穩(wěn)定性會直接影響到水輪發(fā)電機組的穩(wěn)定性，這是水電機組的特征之一。從水輪發(fā)電機組運行狀態(tài)分析包括：不均勻的水力隨機振動、卡門渦列引起的水輪機轉輪葉片渦振、上下迷宮環(huán)不規(guī)則振動、高水頭低負荷尾水管渦帶造成的低頻振動等。這些振動特征會反應在水輪發(fā)電機組軸系、軸承系統(tǒng)、支撐部件、水輪機及其過流部件的壓力鋼管、迷宮環(huán)、頂蓋等設備上，嚴重時會影響廠房基礎，造成水輪發(fā)電機整體結構振動。

2.2 機械干擾

水輪發(fā)電機組是低轉速機械設備，如果其結構、制造、安裝等方面存在問題會造成機組運行過程中時軸不對中、曲折、傾斜、間隙過大、支撐部件受力不均勻、固定機架剛度不夠和機械徑向力增大的周期性振動、非周期性振動或者強烈共振。這些變化信號會集中在機組軸承、轉子軸系等設備上反應，進一步影響水輪發(fā)電機組整體結構。

2.3 電磁干擾

電磁干擾也是影響水輪發(fā)電機組穩(wěn)定的因素之一，根據情況可分為兩類：轉頻振動和極頻振動，這種兩種振動形成電磁振動。

其中轉頻振動是因為轉子外圓和定子內腔不圓、轉子靜定無法平衡引起的定轉子間氣隙不均勻而導致，這種強烈的轉頻激擾力是導致機組的主要震源之一。極頻震動是由于水輪發(fā)電機長期工作而產生，機器內部受熱膨脹，這種變化會造成各個部位內應力變化不一致，導致定子鐵芯整體結構變化，鋼片松動。

并且，定子鐵芯的徑向、組合縫超過臨界切向應力，造成機器組合縫疊片不穩(wěn)定，當機組空載運行、冷態(tài)運行時還會出現(xiàn)猛烈的定子振動。這些電磁振動會反應在機組軸承、轉子軸系、固定部件的上下機架等設備上影響水輪發(fā)電組整體結構穩(wěn)定性。

3 水輪發(fā)電機組故障診斷

3.1 狀態(tài)監(jiān)測

水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性是評價其性能的三大指標之一，有三個參數：機組擺渡、機組振動、機組的水力特征參數，檢測和診斷機組運行除了這三個參數外還需要考慮發(fā)電機電磁振動相關系數、推力軸承相關參數，全方位檢測機組。考慮到水輪發(fā)電機組的故障原因和信號特點，可以從機組轉子軸系、機組過流部件、推力軸承、機組噪音等在機組運動中的表現(xiàn)來確定。

（1）機組導軸承和轉子軸系。這一項主要檢測轉子軸系運行和軸承運行狀態(tài)兩方面，在機組三部導軸承上根據上導處、下導處、水導處設置六個監(jiān)測點，分析機組擺度的時域、相位、軸系運行軌跡等信息；可以選擇軸承油盆進出口油溫、油位、導軸承瓦的瓦溫、冷卻器水進出口的水壓、水溫等信息分析附設系統(tǒng)對導軸承、轉子軸系穩(wěn)定性的影響效果，從而進一步分析影響因素。

（2）發(fā)電機電磁振動。檢測發(fā)電機組電磁振動是檢測機組運行過程中電氣參數、定轉子結構狀態(tài)的重要依據。發(fā)電機組轉頻振動檢測項目有發(fā)電機氣隙、轉子動不平衡、定轉子整體溫度等；發(fā)電機極頻振動檢測是檢查定子鐵芯是否松動、組合縫是否穩(wěn)定。根據發(fā)電機定轉子結構特點和具體尺寸，在定子槽選擇4～8 個監(jiān)測點，通過分析得出定轉子具體狀態(tài)、氣隙變化和其他變化信號，從而分析水輪發(fā)電機組運行時的狀態(tài)和變化趨勢。

（3）機組噪音。水輪發(fā)電機組在運行過程中會出現(xiàn)噪音，一方面會對環(huán)境造成影響，另一方面也是分析機組振動穩(wěn)定的重要數據。要根據水輪發(fā)電機組結構和尺寸在水輪機和尾水管等部分進行噪音檢測，根據數據分析發(fā)電機組運行狀態(tài)。

3.2 信號分析

水輪發(fā)電機組設備信號可以分為三類：周期信號、非周期信號、隨機信號。水輪發(fā)電機運行過程中會出現(xiàn)集中低頻隨機信號，根據這一特點可以分析出機組運行的周期，這種分析方式比較特殊也具有一定難度。還可以采集機組振動、擺度、壓力等信息，多方面檢測信號，提高檢測結果準確性。在處理信號時尤其要重視低頻隨機信號，可以借助低頻濾波、混合濾波等技術。

依據機組運動設備穩(wěn)定性信號檢測機組運動狀態(tài)是目前常用的檢測方式，因為水輪機組屬于旋轉機械，具有自身獨特性，所以在進行信號分析時要對時域、頻域、時差域等信號做分析。還要分析水輪發(fā)電機組自身的獨特信號，包括幅值域、軸心軌跡、軸線運動軌跡等、極坐標等信息。利用機械信號分析功能和水輪發(fā)電機組的獨特信號可以全面分析機組整體穩(wěn)定性，建立信號分析模塊，對水輪發(fā)電機導軸承、轉子軸系、過流部件、固定部件等部位分析，可以得出機組穩(wěn)定實際情況和故障特征。

3.3 故障診斷專家系統(tǒng)

利用水輪發(fā)電機組運行穩(wěn)定性信號可以及時找出機組特征信號和故障特征，這是分析機穩(wěn)定性故障的基礎，然后借助專家系統(tǒng)完成故障診斷和機組運行趨勢分析。

檢測機組設備故障的方式很多，例如：專家系統(tǒng)的診斷、模糊理論的診斷、灰色理論的診斷、神經系統(tǒng)網絡診斷，這些診斷方式都有自身特點，適用不同情況?，F(xiàn)在多數發(fā)電機廠會選擇專家系統(tǒng)系統(tǒng)，這種診斷方式雖然有一定欠缺，但是在知識表示和獲取、推理機制、控制策略等方面具有較為豐富的理論知識，這讓專家系統(tǒng)診斷具有可靠性。

因為水輪發(fā)電機組比較復雜、層次多、各部件藕聯(lián)性強，導致機組運行中各個部分信號會相互干擾和作用，診斷結果不確定。檢測要重視時效性，盡量得出單一性結果，所以給檢測帶來很大壓力。所以，其他故障檢測方法要適當融合到診斷專家系統(tǒng)中，形成子系統(tǒng)得出診斷意見，然后融合成綜合診斷結果，得出狀態(tài)檢修結果。

4 結語

水輪發(fā)電機組是國內外水力發(fā)電廠中經常使用的設備，其穩(wěn)定性直接影響到整個機組的經濟價值和安全性。水力不穩(wěn)定是導致水輪發(fā)電組穩(wěn)定性不足的最常見因素，因為水力原因造成過流部件變化?？梢愿鶕z測信號集中反應部分進行劃分，從導軸承和轉子軸系、機組過流部件、機組固定部件等項目進行檢測，根據水輪發(fā)電機組特征選擇和布置測點進行信號檢測和處理。分析水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性故障特征和特有的復雜性，應該根據地域特點選擇和水電廠機組運行相適應的診斷方式，如診斷專家系統(tǒng)，提高檢測的效率。