水輪發電機組的狀態監測和故障診斷

水輪發電機組的狀態監測和故障診斷

余軍

(信陽市南灣山庫水電站，河南 信陽464031)

【摘要】水輪發電機組是水電廠的核心設備之一，其運行狀態的穩定性與安全性直接關系到水電廠的安全。本文在分析水輪發電組振動機理、監測內容及典型故障的基礎上，對水輪發電組的狀態監測和故障診斷系統進行了闡述。

【關鍵詞】水輪發電機組；狀態監測；故障診斷；水電站

中圖分類號：TV734.1

State monitoring and fault diagnosis of water-turbine generator set

YU Jun

(XinyangNanwanshanReservoirHydropowerStation,Xinyang464031,China)

Abstract:Water-turbine generator set is one of core equipment in hydropower station. The stability and safety of its running state are directly related to the safety of hydropower station. In the paper, the vibration mechanism, monitoring content and typical faults of water-turbine generator set are analyzed. On the basis, the state monitoring and fault diagnosis systems of water-turbine generator set are described.

Key words: water-turbine generator set; state monitoring; fault diagnosis; hydropower station

1水輪發電機組振動機理、監測內容及典型故障

1.1振動機理

推動或維持水輪發電機組振動的直接動力是水能。引發水輪發電機組振動的因素有很多，其中最重要的因素有三類：水力因素、電磁因素及機械因素。在水力因素方面引起水輪發電機組振動的主要原因如下：

a.設計的轉輪結構不當。若轉輪與迷宮的參數不合理，則會由于水力而產生振動。同時，由于轉輪與迷宮之間止漏環徑間隙的存在，也會引發振動，且隨著流量的增大，振動的范圍也會增大。因此，在對兩者之間的止漏環間隙進行設計時，必須使之合理。

b.卡門渦流。以f為卡門渦的頻率，t為尾部的最大寬度，v為水的流速，St為系數，則卡門渦流頻率的計算公式為f=Stv/t。其中，f的單位為Hz；t的單位為m；v的單位為m/s；St一般在0.18～0.22之間。

除此之外，其他影響因素還有尾水管渦帶、轉輪進口處壓力波動以及汽蝕。

1.2振動監測內容

振動監測內容包括機殼振動監測、大軸狀態監測、軸心軌跡監測以及水輪發電機組振動測點選擇與布置。

1.3常見故障

常見故障包括轉子不平衡、軸系不對中以及油膜渦動與油膜振蕩。其中，轉子不平衡是水輪發電機組中最為常見、最易發生的故障。軸系不對中可分為軸承不對中和聯軸器不對中兩種，后者又可分為平行不對中、平行偏角不對中以及偏角不對中。油膜渦動故障出現的特征是軸心軌跡的形狀類似內“8”字形，油膜振蕩故障出現的特征是軸心軌跡的形狀為花瓣形。

2振動狀態監測

狀態監測系統的功能是對發電機組的運行狀態進行監測，其方法主要是利用傳感器檢測機組設備在運行狀態下的重要物理量。按軸線位置對水輪發電機組進行分類，有立式與臥式。按能量方式轉換的不同可分為反擊式與沖擊式。下面以立式混流式水輪發電機組為例，對水輪發電機組振動狀態監測系統的結構進行設計。

2.1系統結構

根據立式混流式水輪發電機組的特點，采用多層分布式網絡結構對其振動狀態監測系統的總體結構進行設計，如圖1所示。

圖1　狀態監測系統網絡結構

2.2系統的硬件設計

立式混流式水輪發電機組振動狀態監測系統主要由四部分組成：各振動監測傳感器、監控中心設備、就地數據采集站以及相關的網絡設備。該系統具體的硬件設計內容如下。

2.2.1監測點的選擇與布置

在對發電機組監測點進行選擇與布置時，為了確保其科學性與合理性，必須嚴格遵守以下原則：?監測點必須能夠全面反映出該系統的狀態，且能夠滿足后續分析診斷的需要；?監測點的安裝要確保機組的正常運行；?所選擇的監測點傳感器不僅要便于安裝，而且也便于日后的維修；?在充分滿足監測需要的前提下，還必須考慮傳感器的性價比。該系統監測點的部分設置見表1，其布局見表1、圖2。

表1　立式混流式水輪發電機組振動狀態

圖2　測點布置示意圖

2.2.2傳感器的選型

傳感器在整個系統中起到關鍵性作用，因此必須在水輪發電機組結構與運行特點的基礎上，根據具體實際需要選擇傳感器。同時，所選擇的傳感器必須滿足各項重要指標要求，主要有靈敏度、線性度、精度、動態范圍、動態特性、穩定性以及抗干擾能力等。按傳感器測量參數的數據類型對其進行劃分，在振動測試中可分為位移傳感器、速度傳感器以及加速傳感器。

該系統中，所運用的傳感器及其所選用的型號為：鍵相與擺度傳感器選用電渦流傳感器，振動傳感器采用低頻速度傳感器，定子鐵芯振動傳感器采用加速度型傳感器，壓力脈動傳感器采用壓電型壓力變送器，抬基量傳感器選用最大直徑的電渦流傳感器。例如：該系統機架振動傳感器所選用低頻速度傳感器的類型為MLS/V—9，其具體參數為：靈敏度為300Mv/mm，頻率響應在0.5～200Hz之間，幅值線性度要小于3%，工作溫度在-30～60℃之間，供電電源為±12VDC、±24VDC，輸出形式為-10～+10V、4～20mA。

2.2.3數據采集站設計

該系統數據采集站設備連接圖見圖3，其中，機柜內直流電源箱的功能是為系統中的傳感器提供±12V和±24V的直流電源。

圖3　數據采集站設備連接

根據上面提到的監測點的設置，該系統數據采集箱所包括的模板主要有鍵相模板、擺度模板、振動模板、壓力脈動模板、過程量輸入模板、繼電器輸出模板、系統板以及存儲板。各采集模板之間互不影響，都可以獨立工作。各模板之間的連接圖見圖4。

圖4　數據采集箱功能模板連接

2.3監控中心設備選型

監控中心設備主要包括數據服務器、工程師站、WEB服務器、硬件防火墻以及相關網絡設備等。其中，數據服務器與WEB服務器采用的是7945O85機架式服務器，工程師站采用的是TinkCentre M8300t臺式機，防火墻采用的是PIX—535—FO—BUN，網絡拓撲結構采用星形結構。

2.4系統主要功能

該系統的主要功能包括：實時顯示機組運行狀態信息，對時域、頻域以及過量信號的分析，不同工況的報警與預警，輔助工作人員完成機組的各種性能試驗并能自動生成試驗報告，實現對機組的實時狀態報告與長期運行狀態報告以及能夠對機組進行遠程分析與診斷。

3水輪發電機組振動故障診斷

穩定性是衡量水輪發電機組性能的重要指標之一。隨著大批巨型機組的投入使用，其穩定性也日益重要。若不及時采取有效措施維護機組的穩定性，易導致事故發生，嚴重危害到生命財產安全。因此，非常有必要對水輪發電機的故障進行診斷。

目前，水輪發電機組振動故障診斷技術已取得了較大成就。其中，研究以及應用比較廣泛的技術主要有模糊診斷法、小波分析、專家系統診斷法以及神經網絡診斷法等。水輪發電機組振動故障的特點包括分布不均勻性、漸變性或耗損性、復雜多樣性以及不規則性。根據水輪發電機組振動故障的特點，筆者主要對專家系統診斷法進行分析。

3.1故障診斷系統的結構設計

依據水輪發電機組振動故障的特點，該振動故障診斷系統的結構主要是在規則與BP神經網絡相結合的基礎上設計的。這樣，可以將傳統的專家系統與人工神經網絡診斷方法的優點融合起來，大大提高故障診斷系統的科學性與權威性。該振動故障診斷系統主要由兩部分組成：在線故障自動診斷和離線故障診斷。其中，前者是機組自動啟動的，后者是人工啟動的。診斷的基本流程見圖5。

圖5　故障診斷的基本流程

振動故障診斷系統的組成及其結構見圖6。

圖6　故障診斷系統結構

3.2故障診斷知識的獲取

水輪發電機組故障診斷知識獲取的方法為分層次。例如：設備的結構、功能、技術規程以及操作范圍等方面的知識，可以從設計文件、技術規程以及操作規程等中獲取。

該系統的故障診斷知識是存儲在故障診斷數據庫之中的，且以表格的形式分類存儲。以水導擺度報警為例，其部分相關診斷知識數據見表2。

表2　水導擺度報警相關知識數據

3.3信號分析與征兆提取

征兆獲取是整個診斷過程的首要任務，它直接關系到診斷過程的速度與診斷結果的準確性。要使診斷過程的時間最短、結果準確性最高，就必須采取行之有效的手段獲得更多、更準確以及更有效的征兆。信號分析正是獲取故障征兆的重要手段之一，因此必須采取多種方式對信號進行分析。

3.4故障診斷系統的主要功能

該振動故障診斷系統的功能主要有在線自動診斷功能、高級離線診斷功能、故障診斷數據庫編輯功能、故障分級處理功能、監測量屏蔽功能以及故障查詢管理功能。

4結語

水輪發電機組運行狀態的穩定性直接關系到水電站的運行及安全。在機組運行過程中引起振動的原因較多，但目前還沒有可以徹底解決這一類問題的辦法。只能通過設計機組運行狀態的監測診斷系統即時監控機組的運行狀況，通過不斷地積累經驗和尋找規律，提高發電機運行安全及穩定性能。

參考文獻

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