韋宏昊，黃娜

（廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530000）

近年來，水電機(jī)組故障機(jī)理研究持續(xù)完善，關(guān)于水力發(fā)電設(shè)備的故障信號采集方式、采集設(shè)備、采集定位跟蹤技術(shù)逐步升級，并形成完整的規(guī)范體系，為水力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)故障檢修提供了充足的技術(shù)支持。在水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行過程中開展?fàn)顟B(tài)檢修，可以提前預(yù)測并處理風(fēng)險因子，避免設(shè)備故障擴(kuò)大。因此，探究水力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)故障檢修措施具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 狀態(tài)檢修概述

狀態(tài)檢修是借助現(xiàn)代化狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術(shù)收集設(shè)備狀態(tài)信息，進(jìn)而分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息判斷設(shè)備是否正常，預(yù)先獲知設(shè)備故障，在故障發(fā)生前進(jìn)行設(shè)備檢修。從檢測內(nèi)容來看，狀態(tài)檢修可以劃分為機(jī)組穩(wěn)定性檢測、設(shè)備能量及空蝕、調(diào)速等幾個類別。

圖1 中，機(jī)組穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測包括固定部件振動、過流部件壓力及壓力脈動、機(jī)組噪聲、軸系擺動等幾個指標(biāo)；設(shè)備能量及空蝕狀態(tài)監(jiān)測包括設(shè)備效率、耗損水量、流量、空蝕及空化噪聲幾項(xiàng)指標(biāo)；調(diào)速狀態(tài)監(jiān)測包括靜態(tài)特征、動態(tài)特征、油壓控制等幾個指標(biāo)；推力軸承狀態(tài)監(jiān)測包括軸承溫度、軸承負(fù)荷支撐受力、油膜溫度等幾個指標(biāo)；主變壓器狀態(tài)監(jiān)測包括局部放電、鐵心接地、高壓套管等幾項(xiàng)指標(biāo)。

圖1 狀態(tài)檢修內(nèi)容

2 水力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行常見故障

2.1 振動故障

振動故障是水力發(fā)電設(shè)備常見故障，多因水流經(jīng)過引流道、轉(zhuǎn)輪、尾水管等過流部分形成巨大水動壓力引發(fā)機(jī)動零部件振動，進(jìn)而引發(fā)卡門渦共振故障?？ㄩT渦共振主要是在一定條件下流體經(jīng)過物體后，在物體表面兩側(cè)周期性產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反的規(guī)律雙列線性渦，會直接引發(fā)水力發(fā)電機(jī)組振動，振動頻率與葉片出口邊緣厚度、水流過葉片兩側(cè)相對速度等具有較大關(guān)系，具體如下：

式中，f 為卡門渦列引起振動頻率，Hz；S 為斯特勞哈爾數(shù)，一般為0.2；w 為水流過葉片兩側(cè)相對速度，m/s；d 為葉片出口邊緣厚度，mm。

2.2 電氣故障

水力發(fā)電設(shè)備是在電磁場作用下將水輪機(jī)傳遞機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電磁能的設(shè)備，在機(jī)組運(yùn)行過程中，易出現(xiàn)磁拉力失衡故障，表現(xiàn)為各磁極電氣參數(shù)出現(xiàn)差異，機(jī)組局部過熱甚至短路，破壞設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 機(jī)械故障

水力發(fā)電設(shè)備是大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，機(jī)械結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜，各零部件在慣性力、摩擦力等作用下受力高度復(fù)雜，極易隨時間推移而出現(xiàn)個別零部件異?；驌p壞，進(jìn)而出現(xiàn)轉(zhuǎn)動部件與固定部件碰撞、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、推力軸瓦不平、大軸永久性彎曲、大軸軸線偏差等。比如，金屬溫升狀態(tài)下熱膨脹會引發(fā)機(jī)組軸系對中超出正常范圍，進(jìn)而加快旋轉(zhuǎn)支撐部位磨損，影響整體機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 水力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)故障檢修

3.1 故障信息收集

故障信息收集是水力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)故障檢修最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，采集發(fā)電設(shè)備原始狀態(tài)信息準(zhǔn)確性、全面性對故障評估質(zhì)量具有直接的影響。在水電發(fā)電設(shè)備狀態(tài)信息采集過程中，可以應(yīng)用水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)自帶TR8000 智能數(shù)據(jù)采集裝置，總體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 水電發(fā)電設(shè)備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，水電發(fā)電設(shè)備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括信息采集層、現(xiàn)場采集顯示層、中央控制層幾個部分。根據(jù)水力發(fā)電設(shè)備常見故障類型，可以科學(xué)布置測點(diǎn)，具體見表1。

表1 信息采集測點(diǎn)布置

3.2 設(shè)備狀態(tài)評估

水力發(fā)電設(shè)備是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)備故障信號內(nèi)涵蓋豐富的故障信息，依托概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析機(jī)組運(yùn)行過程信號可以間接推測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否存在異常。概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為4 層結(jié)構(gòu)（見圖3），分別為輸入層、模式層、求和層與輸出層。

圖3 概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估函數(shù)如下：

式中，g（x）為輸出結(jié)果；x 為輸入樣本；p 為概率密度；w 為樣本歸屬類；N 為訓(xùn)練樣本數(shù)目；k 為訓(xùn)練樣本編號；xi 為第i 個訓(xùn)練樣本；Q 為貝葉斯規(guī)則中的PNN 學(xué)習(xí)率。

根據(jù)式（2），水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障檢修流程為：第一步，歸一化待訓(xùn)練水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)樣本集；第二步，計(jì)算待識別樣本x 與訓(xùn)練集內(nèi)每一水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障樣本之間距離第三步，在概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式層，以概率密度為激活函數(shù)，進(jìn)行待識別樣本x 與每一訓(xùn)練樣本之間相似度的計(jì)算，即第四步，在概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求和層，計(jì)算待識別樣本x 與水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障類別訓(xùn)練樣本的相似度總和計(jì)算，并將其視為樣本歸屬特定故障類別概率大?。坏谖宀?，在概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層對比待識別樣本x 與水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障類別的平均概率，概率最大類別為待識別水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)樣本的故障類別。

3.3 確認(rèn)檢修策略

根據(jù)水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)樣本的故障類別識別結(jié)果，檢修人員可以進(jìn)行水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢修策略的制定。比如，在確定水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)樣本的故障類別為水力振動故障的卡門渦共振時，檢修人員應(yīng)結(jié)合水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率，對葉片進(jìn)行修型，改善葉片出水邊厚度尺寸分布，促使葉片出口環(huán)量分布均勻且合理；針對轉(zhuǎn)子不平衡故障，檢修人員可以借助動平衡儀或動平衡系統(tǒng)，進(jìn)行配重；對于大軸永久性彎曲、軸線不對中故障，檢修人員可以從零部件著手進(jìn)行各導(dǎo)軸承間隙的修正；針對發(fā)電機(jī)磁拉力不平衡問題，檢修人員可以先調(diào)整軸承、鍵槽、軸承蓋等部件將水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸線調(diào)整至磁場中心線，再進(jìn)行磁極間距調(diào)整，必要時，增加磁極數(shù)或更改勵磁方式。

4 水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障檢修的保障措施

4.1 完善故障檢修制度

完善構(gòu)建故障檢修制度是水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障檢修規(guī)范開展的保障。在故障檢修制度制定前，相關(guān)人員可以梳理現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，局部見表2。

表2 現(xiàn)行水力發(fā)電設(shè)備監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)（局部）

根據(jù)表2，相關(guān)人員應(yīng)建立故障檢修績效考核激勵制度，從多個方面，明確水力發(fā)電設(shè)備振動故障、機(jī)械故障、電氣故障等不同故障檢修質(zhì)量考核評價標(biāo)準(zhǔn)，并將評價結(jié)果與人員薪資績效有機(jī)關(guān)聯(lián)，增強(qiáng)檢修人員對科學(xué)狀態(tài)檢修的關(guān)注，激勵人員自覺遵守制度規(guī)范作業(yè)。

4.2 做好全面實(shí)時監(jiān)控

全面實(shí)時監(jiān)控是水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障判定準(zhǔn)確性的保障。比如，為判定水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行期間主軸對中情況以及各導(dǎo)軸承預(yù)載荷、同心度，檢修人員應(yīng)以主軸運(yùn)行軌跡及動態(tài)空間軸線為監(jiān)控要點(diǎn)，將電渦流傳感器布置在主軸徑向臨近導(dǎo)軸承2 個互成90°的方向，實(shí)時測量主軸擺度。

4.3 強(qiáng)化人員綜合素養(yǎng)

檢修人員是水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障檢修開展的主體，強(qiáng)化人員綜合素養(yǎng)至關(guān)重要。因此，在水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障檢修人員篩選時，應(yīng)優(yōu)選專業(yè)水平高、責(zé)任心強(qiáng)、善于思考、積極創(chuàng)新的人員。同時，根據(jù)水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢修技術(shù)發(fā)展，組織檢修人員開展培訓(xùn)。以骨干檢修人員為紐帶，定期評選優(yōu)秀檢修人員，由優(yōu)秀檢修人員帶動新入職檢修人員更快地適應(yīng)狀態(tài)檢修模式。

5 結(jié)語

綜上所述，振動故障、機(jī)械故障、電氣故障在水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行過程中較為常見，會直接影響設(shè)備的平穩(wěn)可靠運(yùn)行。因此，檢修人員應(yīng)科學(xué)運(yùn)用狀態(tài)檢修手段，經(jīng)壓力、渦流傳感器實(shí)時收集水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，在概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)分析信息并輸出設(shè)備故障類別。根據(jù)設(shè)備故障類別，檢修人員可以制定恰當(dāng)?shù)男蘩聿呗裕_保水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行故障的預(yù)先處理，避免故障影響范圍擴(kuò)大。