水力發(fā)電機組運行穩(wěn)定性監(jiān)測與故障探究

馮鐵成

（國家電網(wǎng)公司劉家峽水電廠，甘肅 臨夏731600）

0 引言

近些年來，隨著水力發(fā)電廠建設(shè)步伐的不斷加快，大量新建水力發(fā)電機組紛紛投入運行。但是，應(yīng)當注意的是，由于水電廠相關(guān)設(shè)備在制造、安裝、調(diào)試以及驗收等等多個方面均存在著不少問題，因而導(dǎo)致許多機組運行過程中的穩(wěn)定性相對較差，振動的擺度也嚴重超標，對于機組的軸系、主軸以及駕機等均造成了機械損傷，對于機組運行過程的安全性帶來了嚴重影響。因此，本文針對水力發(fā)電機運行穩(wěn)定性的監(jiān)測以及振動等故障的分析和處理進行了探討。

1 水力發(fā)電機組運行穩(wěn)定性的監(jiān)測

通過對水力發(fā)電機組的運行穩(wěn)定性進行監(jiān)測，能夠及時掌握不穩(wěn)定區(qū)域的危險運行工況，并能夠有效避免危險點的運行，以便有效延長機組的使用壽命，同時還可以針對大修及小修后機組運行狀態(tài)進行及時掌握，以便全面有效地了解檢修的效果，從而為機組的狀態(tài)檢修奠定基礎(chǔ)。目前，有關(guān)水力發(fā)電機組運行穩(wěn)定性的監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)得到了較為成熟的發(fā)展和應(yīng)用，其主要由傳感器測點、預(yù)處理及信號采集單元、上位機服務(wù)器等3個方面構(gòu)成。

1．1 傳感器測點的相關(guān)布置

水力發(fā)電機組運行穩(wěn)定性常會受到機械、電氣以及水力等多方面因素的影響，因而系統(tǒng)通常會進行6路擺度測點、1路抬機量、12路振動測點以及7路壓力脈動的設(shè)計。此外，還會進行有功及無功功率、勵磁及出口開關(guān)測點的設(shè)置。通過此類傳感器測點能夠以機組運行情況及事故原因為依據(jù)，進行合理分析并作出判斷。

1．2 預(yù)處理及信號采集單元

此單元主要由傳感器的電源箱、預(yù)處理及信號采集單元、鍵盤、鼠標、液晶顯示器、逆變電源、共享器以及集線器等構(gòu)成。此部分在系統(tǒng)中具有承上啟下的功能，其采用雙工業(yè)級主板，自身就是2套計算機系統(tǒng)，其中，信號采集的單元主要負責(zé)對各路模擬量、開關(guān)量以及鍵相等信號進行采集，并以系統(tǒng)的具體要求為依據(jù)，對各信號進行相應(yīng)的放大、濾波以及AD轉(zhuǎn)換等過程，使得系統(tǒng)進行在線記錄，并將所采集信號傳輸至預(yù)處理單元。對于預(yù)處理單元而言，其主要負責(zé)對系統(tǒng)所采集及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行有效分解，進而對系統(tǒng)分析需要的各信號特征值進行提取，例如信號的振幅、頻率以及相位，轉(zhuǎn)頻及隨機信號等等，而后以機組運行過程的不同狀態(tài)為依據(jù)將數(shù)據(jù)進行歸類和整理，從而得到機組不同運行情況下不同測點運行的趨勢情況，作為整個系統(tǒng)的監(jiān)測、分析以及故障的診斷過程數(shù)據(jù)的來源，并借助于網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至服務(wù)器中。

1．3 上位機服務(wù)器

此部分是整個系統(tǒng)的中樞部分，在系統(tǒng)中發(fā)揮著核心作用，其功能如下：

（1）對信號以及趨勢進行分析，不僅可以向用戶提供通用及專有分析工具，還能夠從多種角度進行系統(tǒng)運行情況以及各倍頻的信號的靈活分析，并對機組長期運行之后自身的狀態(tài)情況等進行數(shù)據(jù)檢索，并以所得數(shù)據(jù)信息對不同時期機組的趨勢變化進行判斷。另外，系統(tǒng)能夠調(diào)用多種分析手段來對機組趨勢與故障情況進行巡檢，以便達到早期預(yù)警的目的。

（2）在水電廠出現(xiàn)故障即重大危險隱患時，可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸聯(lián)系專家進行及時咨詢和維護，確保機組運行的安全性。

1．4 選擇環(huán)境參量

由于水力發(fā)電機組振動情況常會受到機組工況的影響，因而其振動分析過程均需對機組即時運行狀態(tài)進行充分的考慮。因此，系統(tǒng)引入了有功功率、接力器行程、無功功率、出口開關(guān)以及勵磁開關(guān)等環(huán)境參量。

2 水力發(fā)電機組的振動故障及處理

通常而言，機組振動可以在較寬頻率范圍以內(nèi)發(fā)生，而振源多數(shù)來自電磁、水力以及機械等有關(guān)方面。除了需對機組自身旋轉(zhuǎn)及固定等部分的振動進行考慮以外，還需對流體動水壓力而導(dǎo)致的引水系統(tǒng)、過流部件以及電磁力對機組振動等所產(chǎn)生的影響進行考慮。以下就導(dǎo)致水力發(fā)電機組產(chǎn)生振動的主要原因進行分析。

2．1 水力發(fā)電機組振動故障的原因分析

水力發(fā)電機組除了受到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的影響而產(chǎn)生振動以外，流體對渦輪產(chǎn)生沖擊及電磁力也會導(dǎo)致整個機組產(chǎn)生振動。

（1）機械振動是所有振動故障中最為常見一種類型，引起此方面的故障主要是由于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量未處于平衡狀態(tài)、機組的軸線不正、導(dǎo)軸承自身缺陷以及摩擦等多種原因所致。其中，轉(zhuǎn)子質(zhì)量未平衡將會直接導(dǎo)致其重心同軸線間存在一定偏心矩，進而導(dǎo)致機組產(chǎn)生振動。而機組的軸線不正雖也會引起一定程度的振動，但通常不嚴重。

（2）水力振動也是較為常見的故障類型，引起此類振動的主要原因如下：水力未平衡、空氣的汽蝕、卡門渦列等等。水力未平衡指的是轉(zhuǎn)輪中的水流在失去軸對稱的時候?qū)胁黄胶鈴较蛄Φ漠a(chǎn)生，因而導(dǎo)致其不平衡。氣蝕則是因空腔產(chǎn)生氣蝕而導(dǎo)致振動，通常此情況垂直振幅會比較大。

（3）電磁振動主要是由于定、轉(zhuǎn)子間隙不均勻，定、轉(zhuǎn)子磁場的軸心未重合以及勵磁繞組匝間出現(xiàn)短路等引起的。此類情況會導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子之間的間隙磁通量不均勻，并造成機組產(chǎn)生振動故障。

2．2 振動故障的處理

實際判斷振動原因時，應(yīng)進行多方面多角度的分析和試驗。以下就某水力發(fā)電機組為例對其振動故障進行分析和處理。此機組含上、下2個導(dǎo)軸承，運行某段時間后，上導(dǎo)軸承同上機架的振動情況較為嚴重，停機檢查發(fā)現(xiàn)下導(dǎo)軸承固定螺釘斷裂，而上導(dǎo)軸承的螺紋墊塊固定也有嚴重裂紋的產(chǎn)生。進行故障的處理時應(yīng)先檢查機組各部件，例如機架松馳與否，導(dǎo)軸承缺陷與否、各連接處正常與否等等，并對止漏環(huán)、定轉(zhuǎn)子等進行檢查。此外，還需對機組振動的各個部件自有的頻率進行分析，例如機架、轉(zhuǎn)輪以及轉(zhuǎn)軸等。

此外，采用振動故障檢測試驗對故障進行查找和分析，例如可進行振動試驗來查找機組振動情況加劇的原因?？刹捎棉D(zhuǎn)速試驗來對轉(zhuǎn)子質(zhì)量平衡性情況進行分析，試驗時應(yīng)將轉(zhuǎn)速逐漸增大，若上機架的振動幅度也不斷增大，說明轉(zhuǎn)子質(zhì)量并不平衡。此外，還有勵磁電流試驗、負荷試驗等來對不同振動原因進行查找。

3 結(jié)語

綜上所述，水力發(fā)電機組振動故障較為復(fù)雜，因此，必須對水力發(fā)電機組運行穩(wěn)定性進行監(jiān)測，并對各類振動故障進行分析和處理，以提高水力發(fā)電機組運行過程的穩(wěn)定性。對此，水力發(fā)電機組的檢測與維護人員要采取科學(xué)的穩(wěn)定性與故障檢測技術(shù)，明確劃分檢測與維護工作中的責(zé)任和義務(wù)，促進水力發(fā)電機組生產(chǎn)效率的不斷提高，實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益和社會效益。

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