大渡河流域水電機組故障診斷與檢修策略研究

王恩重，馮治國

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司檢修安裝分公司，四川樂山614900)

1 概述

水力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究的主要內(nèi)容就是完善流域各電站機組現(xiàn)有的在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，增加氣隙、局放、空化空蝕以及一次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，利用計算機技術(shù)對來自多個傳感器的信息按一定的準則加以自動分析并進行綜合的數(shù)據(jù)處理。通過故障診斷專家系統(tǒng)，以及一系列的推理，快速的找到最終故障源或最有可能的故障，根據(jù)狀態(tài)檢修信息數(shù)據(jù)庫，對設(shè)備是否需要進行維修，什么時候進行維修，維修哪些項目等做出決策，提出維修報告，提交給電站技術(shù)管理人員。

2 大渡河流域各電站現(xiàn)狀

2.1 大渡河流域各電站機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)情況

大渡河流域已投產(chǎn)的瀑布溝水電站、龔嘴水電站下廠、銅街子水電站均采用奧技異公司生產(chǎn)的PSTA2003狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，深溪溝電站采用的是華科同安生產(chǎn)的TN8000狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，已投運設(shè)備均布置了目前行業(yè)領(lǐng)域較為成熟的相關(guān)技術(shù)，同時對一些還不太成熟的監(jiān)測技術(shù)進行了一定的探索。

目前大渡河流域各電站安裝的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)均可以實現(xiàn)以下功能:實時監(jiān)測功能、報警預(yù)警功能、現(xiàn)地手工試驗功能及虛擬試驗功能、現(xiàn)地數(shù)據(jù)分析功能、系統(tǒng)維護及數(shù)據(jù)管理功能、數(shù)據(jù)通訊和系統(tǒng)集成功能、事故追憶功能、事件日志、數(shù)據(jù)輸出功能;集控中心運行調(diào)度人員可以通過安裝在現(xiàn)場的系統(tǒng)與現(xiàn)地的監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，并利用現(xiàn)有的監(jiān)控通道傳送到流域公司集控中心的網(wǎng)絡(luò)鏈路，獲取相關(guān)信息，實現(xiàn)以下功能:查看振動值、擺度值、壓力脈動值等，以及遠程報警、預(yù)警功能;機組在運行中出現(xiàn)振動、擺度、壓力脈動等監(jiān)測量超標或其他故障時，系統(tǒng)能發(fā)出報警及停機信號，對機組實施保護停機。

2.2 大渡河流域各電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)存在的主要問題

雖然狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的投入運行在機組的穩(wěn)定性監(jiān)測方面起到了一定的作用，但在故障診斷方面基本上處于初級階段?？傮w而言，大渡河流域水電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研究及應(yīng)用狀況還存在以下幾個問題:

(1)雖然監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測范圍取得了一定的擴展，從過去單一的振動、擺度監(jiān)測發(fā)展到現(xiàn)在的包括振動、擺度、壓力、溫度、噪聲等多項目的監(jiān)測，但在氣隙與磁場強度、局放、油氣在線監(jiān)測方面還沒有完全設(shè)置到位。

(2)雖然水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性監(jiān)測基本成熟，且目前所使用的傳感器大部分為進口，但設(shè)備精度和穩(wěn)定性仍不高。

(3)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)目前還僅僅具有在線的狀態(tài)監(jiān)測和分析功能，尚不具備較好的故障診斷能力。在狀態(tài)監(jiān)測的行業(yè)中，專家系統(tǒng)技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍是水輪發(fā)電機組故障診斷技術(shù)研究的熱點，但多年還停留在方法的匯合、算法的改進上，始終未能成功地生產(chǎn)出具有工程性的使用產(chǎn)品。

(4)目前大渡河流域還未能形成一個區(qū)域性多機組的監(jiān)測、診斷、管理、維修一體化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)有水電機組監(jiān)測系統(tǒng)的分析功能還不夠強大;雖然個別電站采用專家系統(tǒng)技術(shù)提供了初級故障診斷功能，但缺乏來自故障機理的、深層次的理論和技術(shù)支持，且缺少大量寶貴的現(xiàn)場實際診斷經(jīng)驗，與工程實際應(yīng)用存在較大差距，狀態(tài)檢修功能基本空白。

2.3 造成以上問題的主要原因

(1)水輪機系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測。

低頻振動監(jiān)測技術(shù)存在較大困難。由于傳統(tǒng)慣性式低頻振動傳感器輸出信號信噪比低的固有缺陷，使得低頻振動測量在負荷變化時還存在測量不準確的問題;測量壓力脈動通常采用壓力傳感器，所選用的壓力傳感器需要具有良好的動態(tài)特性，但目前使用的壓力傳感器的安裝存在較大的問題，需經(jīng)過很長的取壓管路后安裝，導(dǎo)致壓力脈動有所衰減或管路共振，給測量帶來較大的誤差，動態(tài)特性也很難滿足要求。

在狀態(tài)監(jiān)測方面，目前使用的水輪機空化、泥沙磨損、水輪機主要部件的應(yīng)力與裂紋監(jiān)測技術(shù)尚屬空白，大渡河流域各電站機組均未安裝相關(guān)監(jiān)測儀器?？栈瘴g振動屬高頻振動，振動源不好判斷，位置不好確定，同時沒有特別明顯的頻段能夠確定是否存在空化及其嚴重程度;由于水輪機結(jié)構(gòu)的問題，空化監(jiān)測設(shè)備的安裝固定也非常困難。目前國內(nèi)對空化監(jiān)測的研究很少，沒有比較成熟的產(chǎn)品可以直接應(yīng)用。近年來，也有個別電站利用超聲波和加速度傳感器對空化監(jiān)測進行了試探性的研究，但技術(shù)還不成熟，監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差大，參考價值不大。

(2)發(fā)電機系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測。

目前，國內(nèi)外發(fā)電機空氣氣隙與磁場強度、絕緣與局部放電參數(shù)的監(jiān)測僅有相關(guān)的研究，國內(nèi)也僅有局部電站應(yīng)用，但該監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用還相對落后。目前，深溪溝電站所采用的華科同安TN8000狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)也引入了氣隙監(jiān)測，但監(jiān)測結(jié)果與實際手動通過塞尺測量的結(jié)果誤差較大，測量結(jié)果的實際應(yīng)用意義不大。如何根據(jù)氣隙監(jiān)測數(shù)據(jù)進行氣隙偏心診斷，判定問題磁極位置，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機潛在故障還無法實現(xiàn)，仍需要更深層次地進行研究。

目前發(fā)電機局部放電技術(shù)的測量因受到外部電磁干擾的影響而不能取得很好的效果，只能作為在其檢修工作的參考，包括三峽電站使用的國外的監(jiān)測技術(shù)，在其應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對泄露電流的監(jiān)測必須通過經(jīng)驗豐富的專業(yè)技術(shù)人員對采集的波形型態(tài)進行分析后才能確定設(shè)備局放的狀態(tài)，系統(tǒng)分析功能較弱，對分析人員的經(jīng)驗要求非常高。國內(nèi)相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ笮桶l(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度的直接測試手段尚在研究中，目前還沒有成功應(yīng)用的先例。

(3)軸承系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測。

軸承監(jiān)測系統(tǒng)中的重點和難點是推力軸承監(jiān)測。目前，在大渡河流域已投產(chǎn)的兩廠四站均未能實現(xiàn)對推力軸承的狀態(tài)監(jiān)測。根據(jù)推力軸承的運行特性及故障特征，通常測量的參數(shù)為:推力軸承潤滑參數(shù)，即軸瓦的油膜厚度、油膜壓力、油膜溫度、瓦體溫度及軸瓦的摩擦系數(shù)等。如此多的監(jiān)測參數(shù)，測點數(shù)量相當多，測點布置繁雜，而且測量精度不高，僅憑經(jīng)驗選擇埋設(shè)位置誤差較大，因此其具體應(yīng)用尚需做進一步的研究，無成熟的經(jīng)驗可供借鑒。

目前，主變最關(guān)鍵的監(jiān)測系統(tǒng)是油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心是氣相色譜儀，其可以監(jiān)測多種可燃氣體和油溫、水分等。目前，除龔嘴電站外，其余電站均安裝了該系統(tǒng)，但在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，在線監(jiān)測量與離線監(jiān)測量比較，兩者存在較大的偏差，測量數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于實際的意義不大，只能作為一種參考數(shù)據(jù)。

2.4 水電機組故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)在水電機組故障診斷技術(shù)方面的研究起步較晚，20世紀70年代才開始研究測試診斷技術(shù)，20世紀90年代才開始進行智能化故障診斷的研究工作，研究方法集中在模糊邏輯法、故障樹分析法、專家系統(tǒng)技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，許多監(jiān)測診斷技術(shù)也開始投入使用，但大都集中在汽輪機以及其他旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的監(jiān)測與故障診斷，而針對水電機組的應(yīng)用卻很少。

目前，不管是在大渡河流域的兩廠四站，還是在國內(nèi)的其他電站，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)僅具有可靠的數(shù)據(jù)存儲管理和分析功能，沒有達到在線自動診斷的功能目標，不能向運行人員和生產(chǎn)管理人員提供有效的診斷結(jié)果，遠遠不能滿足水電站狀態(tài)檢修的實際需要，主要原因如下:

(1)缺乏來自故障機理深層次的理論和技術(shù)支持。如水力機械的振動故障復(fù)雜，除了考慮機械方面的原因外，尚需考慮流體、動壓力及發(fā)電機電磁力的影響，且某些故障機理及特征表現(xiàn)形式還沒有很好的被研究透徹，如泥沙磨損與空化等，進而增加了故障診斷的難度。

(2)缺乏將大量寶貴的現(xiàn)場實際診斷經(jīng)驗有效地融入診斷的推理系統(tǒng)。由于故障診斷是一項實踐性極強的技術(shù)，研究人員必須與從事現(xiàn)場實際診斷的工程技術(shù)人員相結(jié)合并與具有豐富知識的專家一起建立盡可能接近實際的規(guī)則，并將推理機制與實際診斷的思維方法、診斷信息相結(jié)合，才能建立接近人工診斷的推理系統(tǒng)機制。但多數(shù)研究人員缺乏對現(xiàn)場實際診斷過程和特點的了解。

(3)數(shù)據(jù)分析中，不管是時域分析還是頻域分析，以及時頻域分析對機組在升降速過程中的振動信號分析均是離散分析，不能實現(xiàn)較好的連續(xù)性，所有的分析值均為相對值，分析結(jié)果的精度較差。

(4)故障診斷中最常用的為專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別系統(tǒng)。而專家系統(tǒng)知識獲取困難，大部分專家系統(tǒng)知識需要人工移植且處理復(fù)雜問題時間長、容錯能力差;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也僅適合一些規(guī)模較小的問題，系統(tǒng)性能受訓(xùn)練樣本的限制且無法向用戶提出必要的詢問、提供解釋和指導(dǎo)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)在工程應(yīng)用方面還未達到人們期望的水平。

3 關(guān)鍵問題

3.1 故障行為征兆的自動獲取困難

故障行為征兆的自動獲取是所有智能化診斷系統(tǒng)所必須解決的首要問題。目前，對于故障征兆中的數(shù)值型征兆可以直接通過傳感器的信息自動獲取，但存在傳感器精度不高，某些數(shù)據(jù)獲取困難甚至某些數(shù)據(jù)目前尚無法通過傳感器獲得的問題。對于語義型和圖形征兆，自動獲取的難度相當大，大部分目前還不能自動獲取，必須依靠人工來完成。

3.2 故障自動診斷策略的制定困難

故障診斷系統(tǒng)除了能判別已有故障外，還必須能夠自動識別和分類新出現(xiàn)的故障，并根據(jù)該故障所表現(xiàn)出的征兆自動產(chǎn)生一個新的診斷模塊用于以后診斷該類故障。但目前還無法識別并分類新出現(xiàn)的故障，尤其是同時新出現(xiàn)多個故障時如何分類是其最大的困難。

3.3 診斷系統(tǒng)自學(xué)習(xí)的實現(xiàn)困難

機械故障本質(zhì)上是動態(tài)的，即隨著機組運行時間的加長，故障嚴重程度發(fā)生改變，或者機組大修前后安裝條件的不同，都會導(dǎo)致同樣的故障所表現(xiàn)出的征兆存在差異，因此，診斷系統(tǒng)必須具備自學(xué)習(xí)功能才能適應(yīng)機組不斷的狀態(tài)變化。目前大渡河流域各電站，包括國內(nèi)外行業(yè)領(lǐng)域均不能實現(xiàn)。

3.4 行為預(yù)測困難

機組運行是一個動態(tài)的非線性過程。對于這樣一個過程，建立一個模型進行分析、診斷，必須能反應(yīng)動態(tài)行為特征。目前所采用的預(yù)測均為非線性的或是離散的分析，最新提出的動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及基于DNN的建模和預(yù)報方法都還僅僅是一種理念，沒有很好的應(yīng)用理論和工程應(yīng)用作支撐。

4 檢修策略

目前我國水電廠的維修制度是在引用原蘇聯(lián)水電廠維修制度的基礎(chǔ)上建立并形成的、具有中國特點的定期保養(yǎng)和修理制度，并在不斷修改補充，2002年形成的《發(fā)電廠檢修規(guī)程》SD230－87仍是我國各水電廠設(shè)備維修的基本法規(guī)。該規(guī)程主要是以“預(yù)防為主、計劃檢修”和“到期必修、修必修好”為主要方針。大渡河流域的龔、銅兩站機組檢修和改造工作也基本上按照該項規(guī)程和主要方針進行機組的年度檢修工作。

2010年，大渡河公司提出了“精益運維、精益檢修”的理念?！熬孢\維”和“精益檢修”就是利用先進的管理手段或方法，建立可靠的設(shè)備管理、技術(shù)管理系統(tǒng)，通過相應(yīng)的定性、定量管理，對設(shè)備維護、檢修生產(chǎn)等進行事前的預(yù)控，從而提高設(shè)備健康水平，提升安全管理水平，保證職工安全和設(shè)備健康。“精益檢修”的目的是從事中、事后控制延伸到事前。在實際的操作層面，圍繞“安全管理、技術(shù)管理、設(shè)備管理、運維管理”4個方面，立足“預(yù)防、預(yù)控”和“可控、在控”兩預(yù)兩控，深化“閉環(huán)管理、對標管理、風(fēng)險管理、經(jīng)營管理”4個管理，把握“抓住重點、解決難點、控制風(fēng)險點、掌控關(guān)鍵點”4個要點，著力抓好“機制建設(shè)、制度建設(shè)、體系建設(shè)、標準建設(shè)”4個建設(shè)，開展“定時、定人、定量、定性”四定分析，最終實現(xiàn)“作業(yè)零違章、設(shè)備零缺陷、人身零傷亡、安全零事故”四零目標。

5 結(jié)語

水電設(shè)備的狀態(tài)檢修是運用綜合性的技術(shù)手段對水電機組進行監(jiān)測和診斷，是一種新興技術(shù)和一個多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程。由于受傳感器技術(shù)、監(jiān)測儀器等諸多技術(shù)發(fā)展的限制，一些諸如低頻振動、空化空蝕和轉(zhuǎn)子溫度的在線監(jiān)測等技術(shù)還未實現(xiàn)，由于缺乏一套行之有效的故障推理機理和故障案例庫，致使機組故障診斷基本上還停留在人工診斷階段，對狀態(tài)檢修的研究還處于起步階段。

目前，現(xiàn)有的技術(shù)手段還不足以應(yīng)付發(fā)電機組所有設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測要求，也不適合推廣應(yīng)用于大渡河流域各電站機組的檢修中。從國外實施狀態(tài)檢修的經(jīng)驗看，國外電廠參與狀態(tài)檢修的設(shè)備主要還是一些輔助設(shè)備。對于機組大修的間隔仍取決于主要檢修項目的要求和檢修技術(shù)水平。經(jīng)過研究和實踐，目前電力行業(yè)普遍認可的發(fā)電設(shè)備檢修應(yīng)是一種綜合或復(fù)合的檢修方式，這和大渡河公司提出的“精益檢修”是統(tǒng)一的。