曹 仲，張官祥

(1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司 海南分公司，海南 ?？?570100； 2.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司 白鶴灘電廠，四川 涼山 615000)

軸承作為水輪發(fā)電機(jī)組的重要部件，其工作狀態(tài)直接影響水輪發(fā)電機(jī)組的安全性。常見(jiàn)的故障是軸瓦溫度升高，油質(zhì)性能裂化，透平油黏度降低，冷卻效果差。若要有效控制和處理軸瓦溫度，就要實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及油質(zhì)性能的監(jiān)測(cè)。因此，通過(guò)早期檢測(cè)水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的異常來(lái)預(yù)防重大事故是十分有必要的。此外，通過(guò)實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維護(hù)，高精度監(jiān)控和異常檢測(cè)可有效降低維護(hù)成本。

有學(xué)者研究冷卻潤(rùn)滑和循環(huán)水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)，開發(fā)了一種用于監(jiān)測(cè)液壓渦輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)和溫度的計(jì)算機(jī)在線系統(tǒng)，它監(jiān)測(cè)振動(dòng)以避免嚴(yán)重停電。先進(jìn)的加工和開發(fā)診斷系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)軸承的振動(dòng)狀態(tài)，使用觀察器的新故障檢測(cè)方法應(yīng)用于水輪機(jī)監(jiān)測(cè)，以降低維護(hù)和維修成本。在水輪發(fā)電機(jī)中，軸承溫度和軸振動(dòng)是重要的設(shè)備參數(shù)。監(jiān)測(cè)軸承溫度及其時(shí)間導(dǎo)數(shù)值，當(dāng)值超過(guò)液壓動(dòng)力閾值時(shí)，則為檢測(cè)異常。

針對(duì)軸承相關(guān)部件的異常檢測(cè)，提出了一種基于溫度預(yù)測(cè)的故障診斷新方法。為了靈敏的檢測(cè)和診斷異常，需要精確的預(yù)測(cè)；即模型應(yīng)準(zhǔn)確模擬軸承相關(guān)部件。但系統(tǒng)特征通常會(huì)發(fā)生變化，例如在水力發(fā)電廠中，冷卻管對(duì)潤(rùn)滑油的冷卻性能因冷卻管上結(jié)垢而改變，軸與軸瓦之間的間隙寬度因軸的傾斜度而不斷改變。因此，在所提出的方法中，物理動(dòng)力學(xué)模型適用于反映不斷變化的工廠狀態(tài)。不可測(cè)量的模型參數(shù)通過(guò)使用來(lái)自工廠的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，并在模型修正后進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而保持精度并實(shí)現(xiàn)精確預(yù)測(cè)。通過(guò)多次試驗(yàn)設(shè)施對(duì)該方法的可行性進(jìn)行評(píng)估后，將其安裝在電力公司的水電站發(fā)電廠中進(jìn)行了評(píng)估，測(cè)試結(jié)果和預(yù)期值比較吻合。

1 方法

1.1 系統(tǒng)組成

水輪發(fā)電機(jī)有導(dǎo)向軸承和推力軸承，軸承有軸承墊和潤(rùn)滑油。故障診斷系統(tǒng)根據(jù)溫度預(yù)測(cè)結(jié)果檢測(cè)和診斷軸承相關(guān)部件的異常。圖1所示的系統(tǒng)組成用于預(yù)測(cè)軸承相關(guān)部件的物理動(dòng)力學(xué)模型。在模型中，不可測(cè)量的參數(shù)，如軸承間隙寬度，為未知參數(shù)。這些參數(shù)值是通過(guò)使用工廠數(shù)據(jù)估算的，例如軸承溫度和潤(rùn)滑油溫度。在模型參數(shù)初步提供后，預(yù)測(cè)未來(lái)的變化，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果和未知參數(shù)的估計(jì)值進(jìn)行異常檢測(cè)和診斷。系統(tǒng)顯示溫度、未知參數(shù)值的預(yù)測(cè)結(jié)果、故障檢測(cè)和診斷結(jié)果給工廠操作員。

圖1 系統(tǒng)組成

1.2 軸承溫度預(yù)測(cè)

已知參數(shù)值被假設(shè)并且模型是固定的，已知參數(shù)是無(wú)法確定的模型參數(shù)直接來(lái)自工廠數(shù)據(jù)。預(yù)測(cè)執(zhí)行如下。

(1)假設(shè)未知參數(shù)的值；

(2)使用工廠數(shù)據(jù)和假定的未知參數(shù)值在任意時(shí)間初始化模型。初始化后，以時(shí)間間隔計(jì)算溫度變化；

(3)預(yù)測(cè)值和測(cè)量值之間的差異是針對(duì)軸瓦和油溫計(jì)算的；

(4)如果差異很小，則停止迭代并預(yù)測(cè)未來(lái)的變化。但是，如果差異很大，則修改未知參數(shù)的值以減小差異并且程序返回到步驟2。

在修改每個(gè)未知參數(shù)值時(shí)，軸承墊和油溫的測(cè)量值和計(jì)算值之間的差值的平方被設(shè)置為目標(biāo)函數(shù)()：

1.3 異常檢測(cè)與診斷

基于溫度預(yù)測(cè)結(jié)果和假設(shè)的未知參數(shù)值來(lái)檢測(cè)和診斷異常，提出以下3種方法。

(1)工廠啟動(dòng)預(yù)測(cè)：未知參數(shù)值使用上次運(yùn)行的電廠數(shù)據(jù)，即電廠上次啟動(dòng)到停止的數(shù)據(jù)進(jìn)行假設(shè)。在工廠啟動(dòng)時(shí)使用假設(shè)的未知參數(shù)值和工廠環(huán)境(例如軸承溫度)預(yù)測(cè)溫度。當(dāng)預(yù)測(cè)溫度和測(cè)量溫度之間的差異變大時(shí)，判斷發(fā)生異常；

(2)定期預(yù)測(cè)：估計(jì)未知參數(shù)值，并根據(jù)最新的工廠數(shù)據(jù)定期更新動(dòng)態(tài)模型。使用定期更新的模型執(zhí)行預(yù)測(cè)。如果預(yù)測(cè)溫度超過(guò)警報(bào)設(shè)置點(diǎn)，則判斷發(fā)生異常。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，操作員知道如果異常情況持續(xù)，溫度將超過(guò)警報(bào)設(shè)置點(diǎn)的時(shí)間裕度。在預(yù)測(cè)中，模型會(huì)定期更新以反映工廠的異常情況，從而即使在異常提前的情況下也能進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)；

(3)估計(jì)參數(shù)值：根據(jù)估計(jì)參數(shù)值，確定異常的原因。如果間隙發(fā)熱異常，則調(diào)整間隙寬度G的估計(jì)值會(huì)發(fā)生變化。相比之下，如果冷卻系統(tǒng)中的散熱發(fā)生異常，則總傳熱系數(shù)會(huì)改變。除此之外，估計(jì)參數(shù)也會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定性的變化。

2 檢測(cè)設(shè)施的可行性評(píng)估

2.1 測(cè)試設(shè)施

采用1/3規(guī)模的試驗(yàn)設(shè)備(見(jiàn)圖2)來(lái)模擬水輪機(jī)軸承，軸承軸頸直徑為500 mm，證實(shí)了所提出方法的可行性。其中有12個(gè)軸瓦，每個(gè)軸瓦的一部分浸在潤(rùn)滑油中。潤(rùn)滑油油箱內(nèi)的冷卻管內(nèi)流動(dòng)的冷卻液對(duì)油進(jìn)行冷卻。軸由電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶輪旋轉(zhuǎn)，軸的額定轉(zhuǎn)速為500 r/mim。電機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器控制，啟停轉(zhuǎn)速任意變化。在該設(shè)施中，測(cè)量軸的轉(zhuǎn)速以及軸瓦、油和入口/出口冷卻劑的溫度。

圖2 測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

采用來(lái)自測(cè)試設(shè)施的數(shù)據(jù)離線評(píng)估預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和異常檢測(cè)能力。

預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度

對(duì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)估以用于啟動(dòng)時(shí)的預(yù)測(cè)和周期性預(yù)測(cè)。

(1)工廠啟動(dòng)時(shí)的預(yù)測(cè)：在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試設(shè)備啟動(dòng)和停止；然后從熱狀態(tài)重新啟動(dòng)。當(dāng)軸承墊和油溫比較高時(shí)，使用第1次操作期間15～40 min的數(shù)據(jù)估計(jì)未知參數(shù)。之后，在第2次操作開始時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)。在預(yù)測(cè)時(shí)，調(diào)整間隙寬度的估計(jì)值。對(duì)于初始軸溫度，假設(shè)這些溫度相等，則使用測(cè)量的墊溫度，結(jié)果如圖3所示。墊溫的預(yù)測(cè)誤差約為0.4 ℃，油溫的預(yù)測(cè)誤差約為0.3 ℃。因此，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)；

圖3 測(cè)試設(shè)備額啟動(dòng)預(yù)測(cè)

(2)周期預(yù)測(cè)：周期預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率評(píng)價(jià)如下，預(yù)測(cè)被激活兩次，在設(shè)施啟動(dòng)后6 min和20 min，如圖4所示。采用預(yù)測(cè)激活前的數(shù)據(jù)估計(jì)未知參數(shù)，即4～6 min和10 min期間的數(shù)據(jù)。在接下來(lái)的20 min預(yù)測(cè)中，第1次預(yù)測(cè)的油墊和油溫的誤差約為0.2 ℃；第2次預(yù)測(cè)的誤差約為0.1 ℃。因此，實(shí)現(xiàn)了小于1 ℃誤差的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并且基于預(yù)測(cè)結(jié)果判斷異常檢測(cè)是可行的。對(duì)于周期預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)計(jì)算是周期性重復(fù)的，因此計(jì)算時(shí)間較短。用于參數(shù)估計(jì)和預(yù)測(cè)的CPU時(shí)間僅為124 MIPS(每秒百萬(wàn)條指令)的工作站的1～2 s左右，在線周期性預(yù)測(cè)被證實(shí)是可行的。

圖4 測(cè)試設(shè)備的周期性預(yù)測(cè)

異常檢測(cè)能力

描述了兩個(gè)異常模擬實(shí)驗(yàn)案例。

(1)冷卻劑停止：在這種情況下，設(shè)備在運(yùn)行16 min后啟動(dòng)和停止，然后它從熱狀態(tài)重新啟動(dòng)后，冷卻液被關(guān)閉；20 min后，冷卻液流再次打開，然后設(shè)備停止啟動(dòng)；

(2)間隙寬度變化案例：在這種情況下，通過(guò)在水平方向推動(dòng)軸，在操作過(guò)程中啟動(dòng)設(shè)備并改變間隙寬度。

使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)假設(shè)未知參數(shù)。間隙寬度加寬后，間隙寬度的估計(jì)值增加；另一方面，整體傳熱系數(shù)隨間隙寬度的變化改變很小。根據(jù)估計(jì)的參數(shù)值進(jìn)行異常檢測(cè)是可行的，異常原因可以確定為間隙寬度異常變化。

3 實(shí)施案例

經(jīng)試驗(yàn)設(shè)施數(shù)據(jù)證實(shí)該系統(tǒng)的方法具有一定可行性，進(jìn)一步將該系統(tǒng)安裝在國(guó)內(nèi)大型電廠監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，擁有16臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組的水電站。

它的每臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)都有4種類型的軸承：發(fā)電機(jī)的上導(dǎo)軌、下導(dǎo)軌和推力軸承，以及水輪機(jī)導(dǎo)軌軸承；發(fā)電機(jī)上軸承和水輪機(jī)軸承采用上述的動(dòng)力學(xué)模型。另一方面，發(fā)電機(jī)的下導(dǎo)向軸承和推力軸承有一個(gè)共同的潤(rùn)滑油箱，推力軸承具有不同類型的結(jié)構(gòu)。因此，這些軸承使用不同的型號(hào)，動(dòng)態(tài)模型由下軸承瓦、推力軸承瓦、油和軸的溫度4個(gè)時(shí)間導(dǎo)數(shù)方程表示。在模型中，未知參數(shù)為調(diào)整后的下軸承間隙寬度、軸溫初始值、冷卻管總傳熱系數(shù)和第1個(gè)軸承瓦塊上的載荷。

3.1 預(yù)測(cè)精度評(píng)估

該工廠對(duì)所提方法的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，預(yù)測(cè)是在工廠啟動(dòng)時(shí)使用基于上次操作的工廠數(shù)據(jù)(即從上次工廠啟動(dòng)到停止的數(shù)據(jù))假設(shè)的參數(shù)值進(jìn)行的。在大約80 min的預(yù)測(cè)過(guò)程中，圖5中的誤差約為0.3 ℃，軸承和油溫實(shí)際誤差均為0.5 ℃。因此，實(shí)現(xiàn)了1 ℃內(nèi)的精確預(yù)測(cè)。這意味著采用該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際工廠中預(yù)測(cè)溫度和測(cè)量溫度之間的差異進(jìn)行檢測(cè)是可行的。

圖5 水輪機(jī)軸承啟動(dòng)的工廠預(yù)測(cè)

圖6中所示的周期性預(yù)測(cè)為發(fā)電機(jī)上導(dǎo)向軸承，使用基于最新工廠數(shù)據(jù)的估計(jì)參數(shù)值來(lái)執(zhí)行周期性預(yù)測(cè)。根據(jù)10 min期間的測(cè)量數(shù)據(jù)，即從初始化7.5 min開始，在工廠啟動(dòng)后17.5 min激活預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)誤差約為0.3 ℃；軸承溫度和油溫實(shí)際誤差均為0.4 ℃。因此，該周期預(yù)測(cè)是可行的。此外，預(yù)測(cè)還提供有關(guān)溫度超過(guò)警報(bào)設(shè)置點(diǎn)的時(shí)間以及應(yīng)對(duì)異常的時(shí)間裕度信息。在周期性預(yù)測(cè)中，模型定期更新，反映異常引起的工廠狀態(tài)變化，從而即使在異常情況下也能進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

圖6 發(fā)電機(jī)上軸承的周期預(yù)測(cè)

發(fā)電機(jī)下部軸承和推力軸承的周期性預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7所示。與圖6一樣，根據(jù)7.5～17.5 min的測(cè)量數(shù)據(jù)，在電廠啟動(dòng)后17.5 min激活預(yù)測(cè)。推力軸承、下導(dǎo)向軸承和潤(rùn)滑油溫度的誤差分別約為0.4、0.4和0.5 ℃。因此，對(duì)發(fā)電機(jī)下軸承和推力軸承的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)也是可行的。

圖7 發(fā)電機(jī)下軸承和推力軸承的周期預(yù)測(cè)

4 討論

通過(guò)試驗(yàn)設(shè)施檢測(cè)確認(rèn)了所提出方法具有一定可行性，試驗(yàn)設(shè)施溫度預(yù)測(cè)誤差小于1 ℃，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，異常檢測(cè)使用結(jié)果是可行的。還使用工廠數(shù)據(jù)評(píng)估了預(yù)測(cè)性能，再次保證準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的可靠性。物理動(dòng)力學(xué)模型假設(shè)熱分布比是恒定的，而不隨油和軸的溫度變化，這個(gè)簡(jiǎn)單的模型足以預(yù)測(cè)溫度變化。

在測(cè)試設(shè)施中進(jìn)行了異常模擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)未知參數(shù)的估計(jì)性能進(jìn)行了評(píng)估。使用溫度預(yù)測(cè)結(jié)果和估計(jì)參數(shù)值進(jìn)行異常檢測(cè)是可行的。此外，根據(jù)調(diào)整后的間隙寬度和冷卻時(shí)的整體傳熱系數(shù)的估計(jì)值，可以識(shí)別異常類型，即異常原因被識(shí)別為間隙寬度異常變化或冷卻系統(tǒng)故障。

該方法還可以從調(diào)整間隙寬度的估計(jì)值長(zhǎng)期變化中檢測(cè)軸的傾斜度，這是另一種異常類型。此外，調(diào)整后的間隙寬度和整體傳熱系數(shù)的估計(jì)值不會(huì)因工廠運(yùn)行條件(例如實(shí)際工廠中的冷卻劑溫度)而顯著波動(dòng)。根據(jù)這些結(jié)果，可以從估計(jì)的間隙寬度的長(zhǎng)期變化中檢測(cè)軸的傾斜度，這些測(cè)試結(jié)果為投入商業(yè)運(yùn)行做出了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備故障診斷方法，該方法利用物理動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)軸承和潤(rùn)滑油溫度的變化，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果檢測(cè)軸承相關(guān)部件的異常。模型中不可測(cè)量的參數(shù)被視為未知參數(shù)，并在模型初始化階段進(jìn)行假設(shè)。假設(shè)的參數(shù)值還用于檢測(cè)和診斷異常。采用1/3規(guī)模的測(cè)試設(shè)備證實(shí)了該方法的可行性，然后將該方法安裝在國(guó)內(nèi)大型水電廠的冷卻系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的故障診斷系統(tǒng)中。無(wú)論季節(jié)性環(huán)境怎樣變化，工廠都可以獲得準(zhǔn)確的設(shè)備溫度預(yù)測(cè)。從而充分為該系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。