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        基于改進(jìn)最小二乘法的水輪發(fā)電機(jī)氣隙數(shù)據(jù)分析

        2023-08-31 06:48:12郭道芬
        水科學(xué)與工程技術(shù) 2023年4期
        關(guān)鍵詞:磁極氣隙偏心

        林 濱,郭道芬

        (福建棉花灘水電開發(fā)有限公司,福建 龍巖 364000)

        水輪發(fā)電機(jī)氣隙測(cè)量是水電機(jī)組安裝與檢修中的重要工序之一,也是發(fā)電機(jī)組運(yùn)行監(jiān)控和故障診斷的重要組成參數(shù)。不論是安裝檢修中的氣隙靜態(tài)測(cè)量,還是機(jī)組運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),氣隙的均勻性與氣隙的變化不僅能夠反映出發(fā)電機(jī)的安裝質(zhì)量,同時(shí)也為水輪發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)及故障診斷分析提供必要數(shù)據(jù)支撐[1,2]。由于氣隙測(cè)量的重要性,在氣隙測(cè)量工具、測(cè)量方法等方面研究較多。譬如,吉有鵬[3]針對(duì)發(fā)電機(jī)檢修時(shí)氣隙測(cè)量要求,基于兩個(gè)對(duì)頭楔移動(dòng)原則,設(shè)計(jì)了凸鴿尾對(duì)頭楔、凹鴿尾對(duì)頭楔等氣隙測(cè)量工具,實(shí)現(xiàn)了常規(guī)氣隙與較小氣隙的測(cè)量。楊光勇等[4]利用氣隙特征值計(jì)算模型對(duì)水輪發(fā)電機(jī)低頻振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析,準(zhǔn)確判斷出該問(wèn)題是由氣隙不均勻?qū)е碌?。萬(wàn)書亭等[5]基于電磁轉(zhuǎn)矩特征值變化分析,建立氣隙靜偏心等故障識(shí)別方法,并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。蘇鑫等[6]在分析傳統(tǒng)氣隙測(cè)量方法不足的基礎(chǔ)上,提出利用傳感器進(jìn)行發(fā)電機(jī)氣隙的實(shí)時(shí)監(jiān)控新方法,并對(duì)運(yùn)行過(guò)程中由于定子、轉(zhuǎn)子溫度升高所造成的氣隙變化情況進(jìn)行分析。

        當(dāng)前發(fā)電機(jī)氣隙測(cè)量相關(guān)研究或注重于傳感器測(cè)量,或傾向于利用氣隙平均值等特征值分析相關(guān)發(fā)電機(jī)故障。由于發(fā)電機(jī)氣隙理論上為一個(gè)圓,實(shí)際中受安裝精度、定子/轉(zhuǎn)子溫升導(dǎo)致的變形等影響,其氣隙常偏離安裝中心,因此采用較合理的擬合算法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,是進(jìn)行氣隙狀態(tài)正確判斷的基礎(chǔ)。為此,本文針對(duì)某電站實(shí)際運(yùn)行情況,擬采用最小二乘法分析氣隙變化及氣隙圓情況,獲得相應(yīng)不圓度、偏心角和偏心距,進(jìn)而判斷最大位移磁極號(hào)和最小位移磁極號(hào),為氣隙分析和故障診斷奠定基礎(chǔ)。

        1 氣隙測(cè)量及其分析方法

        1.1 常規(guī)氣隙測(cè)量方法

        氣隙測(cè)量是水輪發(fā)電機(jī)組維修中的重要工序之一。傳統(tǒng)的測(cè)量方法主要利用楔形板插入氣隙中,直到不能再移動(dòng)時(shí),取出楔形板,利用游標(biāo)卡尺等測(cè)量楔形板上輕微壓痕處寬度,即可獲得氣隙數(shù)據(jù)?,F(xiàn)在也有在該方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),在活動(dòng)的楔形板上可顯示的直尺刻度,利用活動(dòng)楔形板插入深度的不同,帶動(dòng)指針在直尺上顯示位移。而在發(fā)電機(jī)運(yùn)行中,氣隙測(cè)量則采用傳感器測(cè)量方式。隨著檢修自動(dòng)化水平的提升,本文提出一種利用傳感器測(cè)量氣隙的方法,如圖1,將傳感器安裝后,推動(dòng)轉(zhuǎn)子移動(dòng),逐個(gè)測(cè)量各磁極對(duì)應(yīng)氣隙并保存數(shù)據(jù),該方法測(cè)量精度高,后續(xù)不圓度等計(jì)算方法集成于軟件中,也提高實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合與分析精度。

        圖1 傳感器測(cè)量發(fā)電機(jī)氣隙的示意圖

        1.2 采用最小二乘法優(yōu)化氣隙測(cè)量擬合計(jì)算

        1.2.1 簡(jiǎn)化擬合圓方法

        檢修過(guò)程或運(yùn)行過(guò)程中的氣隙實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),必須進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,一方面因?yàn)閷?shí)測(cè)過(guò)程中往往存在干擾因素,另一方面也是因?yàn)檗D(zhuǎn)子、定子理論上為圓形,通過(guò)氣隙數(shù)據(jù)擬合成圓,進(jìn)而計(jì)算不圓度、偏心角、偏心距更能反映轉(zhuǎn)子、定子的實(shí)際情況[7]。目前,常用的氣隙擬合圓算法是簡(jiǎn)化的最小二乘擬合圓方法,其圓心坐標(biāo)(x,y)按式(1)計(jì)算:

        式中n 為發(fā)電機(jī)磁極數(shù);xi,yi為依據(jù)實(shí)測(cè)的氣隙值ri按照磁極在圓面部分的角度進(jìn)行折算所得。

        簡(jiǎn)化最小二乘擬合圓的半徑按式(2)計(jì)算:

        1.2.2 最小二乘擬合圓方法

        本文基于最小二乘法原理基本思路,對(duì)上述方法進(jìn)行改進(jìn),建立新的氣隙擬合計(jì)算方法,假定最小二乘圓心為(x,y),半徑為R,則按照最小二乘擬合原理,各磁極測(cè)量氣隙數(shù)據(jù)與擬合圓心之間的距離之和的均值與理想半徑Rz之差最小,即相關(guān)關(guān)系符合式(3):

        本文利用迭代法,通過(guò)C# 編程計(jì)算獲得最小二乘法下的擬合圓圓心和半徑。

        1.2.3 圓度評(píng)價(jià)方法

        對(duì)擬合數(shù)據(jù)常通過(guò)不圓度、偏心距和偏心角進(jìn)行評(píng)價(jià),相應(yīng)計(jì)算方法如下:

        不圓度:

        偏心距:

        偏心角:

        式中Rzi代表不同擬合算法下,各磁極方位所對(duì)應(yīng)的半徑值(含偏心矩和偏心角效應(yīng))。

        2 優(yōu)化氣隙測(cè)量算法應(yīng)用實(shí)例分析

        2.1 實(shí)例背景

        福建某電站總裝機(jī)80 MW,單機(jī)容量40 MW,發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速214.3 r/min,磁極數(shù)28 個(gè),發(fā)電機(jī)氣隙設(shè)計(jì)15 mm,檢修時(shí)常采用傳統(tǒng)模式進(jìn)行氣隙測(cè)量。目前,正進(jìn)行技術(shù)改造,采用傳感器定點(diǎn)測(cè)量的方式,獲得不同磁極所對(duì)應(yīng)的氣隙數(shù)據(jù),進(jìn)行分析其氣隙分布調(diào)整,為發(fā)電機(jī)安裝調(diào)整和狀態(tài)分析奠定基礎(chǔ)。

        2.2 實(shí)例分析

        圖2 代表的是該電站水輪發(fā)電機(jī)28 個(gè)磁極實(shí)測(cè)的氣隙數(shù)據(jù),其中最大氣隙是15.35 mm,出現(xiàn)在第2 號(hào)磁極上;最小氣隙是14.11 mm,出現(xiàn)在第18 號(hào)磁極上。由于在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)難以避免會(huì)存在一定誤差,呈圓效果差,為避免此類誤差,需要采用擬合算法對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)分析,其結(jié)果如圖3、表1和表2。

        表1 氣隙測(cè)量不圓度擬合對(duì)比

        表2 氣隙測(cè)量特征值對(duì)比

        圖2 各磁極實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

        圖3 氣隙擬合分析

        表1、表2 表明,采用簡(jiǎn)化最小二乘法,氣隙不圓度1.49 ,偏心角3.62°,偏心距0.70 mm,最大氣隙15.42 mm,出現(xiàn)在第1 號(hào)磁極;最小氣隙14.02 mm,出現(xiàn)在第15 號(hào)磁極。而采用改進(jìn)最小二乘法,氣隙不圓度0.79 ,偏心角15.72°,偏心距0.33 mm,最大氣隙值為15.04 mm,出現(xiàn)在第2 號(hào)磁極,最小氣隙值為14.39 mm,出現(xiàn)在第16 號(hào)磁極。

        兩種方法對(duì)比可知,簡(jiǎn)化最新二乘法所得的不圓度要比改進(jìn)最小二乘法所獲得的值更大,呈圓效果更差。從最大氣隙值來(lái)看,簡(jiǎn)化最小二乘法所得的值偏大,且磁極位于1 號(hào)(與其偏心角更接近0°有關(guān)),與實(shí)測(cè)的2 號(hào)略有偏差,而改進(jìn)最小二乘法所得結(jié)果不僅更遠(yuǎn),且更接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。最小氣隙值對(duì)比也反映了類似問(wèn)題。機(jī)組檢修中開展氣隙測(cè)量,特別是修后測(cè)量發(fā)生在轉(zhuǎn)子測(cè)圓結(jié)束后,此時(shí)轉(zhuǎn)子圓度相對(duì)較好,該方法反映轉(zhuǎn)子偏移問(wèn)題。

        3 結(jié)語(yǔ)

        本文針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)檢修過(guò)程中的氣隙測(cè)量,提出一種利用傳感器在線測(cè)量的方法,并基于最小二乘法進(jìn)行氣隙擬合計(jì)算。實(shí)例分析表明,在有效排除測(cè)量誤差的基礎(chǔ)上,最小二乘法所獲得的最大氣隙磁極號(hào)、最小氣隙磁極號(hào)更接近與實(shí)際測(cè)量值,更能反映實(shí)際氣隙變化情況,而簡(jiǎn)化算法誤差相對(duì)較大。該研究不僅提高檢修過(guò)程中氣隙測(cè)量與數(shù)據(jù)分析精度及檢修效率,也為機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障分析提供了新的方法。

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