水輪發(fā)電機組智能化振動保護策略研究

欒春林，喬 木，周芟杉

（國網(wǎng)新源白山發(fā)電廠，吉林 樺甸 130021）

0 前言

隨著我國大型水輪發(fā)電機組的不斷增多，機組振動問題日益突出，嚴(yán)重影響了水電機組的安全運行及電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。目前，水輪發(fā)電機組在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用，并且取得了很大的成功，但在實現(xiàn)“智能化振動保護”的領(lǐng)域還留有空白。隨著對機組振動機理和振動問題認(rèn)識的不斷深入，實現(xiàn)水輪發(fā)電機組“智能化振動保護”功能成為可能，本文介紹我們在這一領(lǐng)域取得的初步成果。

1 水輪發(fā)電機組運行特點

1.1 水輪機運行特點

水輪機是一種將水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械能的葉片式水力機械，工作介質(zhì)是水，在轉(zhuǎn)輪葉片上作用著很大的流體動力載荷，葉片根部承受著很大的彎曲應(yīng)力。由于水比氣體的密度大很多且壓縮性很小，所以當(dāng)水輪機處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)時，工作介質(zhì)流動速度的改變能引起很大的壓力變化，形成強烈的壓力脈動，運行中還會伴隨著高速水流所形成的特有的氣蝕破壞、泥沙磨損等，對水輪機通流部件構(gòu)成嚴(yán)重威脅。此外，水輪機在不同出力、不同水頭時具備不同的效率特性和穩(wěn)定性；當(dāng)負(fù)荷變動時，要求在很短的時間內(nèi)準(zhǔn)確、安全地改變水輪機的運行工況等。

水輪機運行時由工作介質(zhì)特性引起的特殊運行問題包括：水輪機的汽蝕、水輪機泥沙磨損、水輪機過渡過程、水輪機帶負(fù)荷（考慮不同出力、不同水頭時機組的運行情況）運行等，由于以上原因，水輪機運行時振動機理復(fù)雜，設(shè)置振動保護時面臨許多困難。

1.2 發(fā)電機運行特點

在電力系統(tǒng)中，同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)中最貴重的電氣設(shè)備，需要長期連續(xù)運轉(zhuǎn)，既要承受機身的振動，又要承受電流、電壓的沖擊。運行中發(fā)電機定子繞組和轉(zhuǎn)子勵磁回路都有可能產(chǎn)生各種故障，一般來說可能產(chǎn)生的故障有以下幾種：（1）定子繞組：相間短路，匝間短路，單相接地；（2）轉(zhuǎn)子繞組：一點或兩點接地；（3）轉(zhuǎn)子勵磁電流消失；（4）由于突然甩負(fù)荷而引起的過電壓；（5）過負(fù)荷；（6）定子過電流。

針對上述故障，發(fā)電機通常會設(shè)置以下繼電保護裝置：（1）過電流保護，用以防御外部短路所引起的過電流，并作為內(nèi)部故障的后備保護；（2）過負(fù)荷保護，用以防御過負(fù)荷引起的過電流；（3）縱差動保護，用以防御定子繞組相間短路；（4）橫差動保護，用以防御定子繞組的一相匝間短路；（5）單相接地保護，用以防御定子繞組單相接地；（6）勵磁回路接地保護，用以防御轉(zhuǎn)子一點接地故障；（7）過電壓保護，用以防御突然甩負(fù)荷引起的定子繞組過電壓。但繼電保護系統(tǒng)的主要作用是通過將故障元件從電力系統(tǒng)中切除來提高運行的可靠性。

2 水輪發(fā)電機組智能化振動保護策略研究

從水輪發(fā)電機組的運行特點可以看到，機組振動機理非常復(fù)雜，繼電保護手段難以解決機組振動故障問題。水輪發(fā)電機組的振動問題與一般動力機械的振動不同，流體-機械-電磁三者組成一個耦合的整體，振動體的一部分或全部位于流體中，在振動過程中，流體與振動體以及電磁場相互作用，振動具有復(fù)雜性、不規(guī)則性和漸變性。所謂智能化振動保護策略，主要強調(diào)兩點，一是及時保護，二是準(zhǔn)確診斷；要實現(xiàn)這兩大功能，主要從以下三個方面開展研究。

2.1 定值保護策略

2.1.1 振動限值的討論

旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備振動的國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)是同等轉(zhuǎn)化的，目前旋轉(zhuǎn)機械振動標(biāo)準(zhǔn)有兩大系列標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 11348.1～6(ISO7919)系列標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)備轉(zhuǎn)軸作相對振動測量和評價；GB/T6075.1～6(ISO10816)系列標(biāo)準(zhǔn)，對軸承座作絕對振動測量和評價。規(guī)定了振動測點和測量方向，建立了以三個邊界值為框架的四級振動量級評價體系，如圖1所示。

圖1 振動量級評價體系

區(qū)域A：機器狀態(tài)優(yōu)，新交付機器的振動值落在該區(qū)域；

區(qū)域B：機器狀態(tài)良，振動值在該區(qū)域的機器可以長期運行；

區(qū)域C：機器狀態(tài)差，機器不宜作連續(xù)運行，應(yīng)采取措施修理；

區(qū)域D：機器狀態(tài)劣，該區(qū)域的振動，足以導(dǎo)致機器損壞。設(shè)置了兩級限值評價標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級報警限值，振動值≥B/C區(qū)邊界值25%，Ⅱ級停機限值，振動值≥C/D區(qū)邊界值25%，如圖2所示。

圖2 兩級限值評價標(biāo)準(zhǔn)

每一臺水輪發(fā)電機組，從設(shè)計、新機安裝、運行、維護檢修等多個環(huán)節(jié)中，都可能產(chǎn)生導(dǎo)致機組振動狀況發(fā)生變化的因素。因此，要制定統(tǒng)一的振動標(biāo)準(zhǔn)是很困難的，也是不現(xiàn)實的，因此要求我們從實際出發(fā)，制定符合每臺機組振動狀況的評價標(biāo)準(zhǔn)體系，這要從兩個方面入手，一是對機組的結(jié)構(gòu)、運行特性、安裝情況、檢修情況、故障記錄等有較詳細(xì)的了解；二是在工作中不斷積累經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

基于歷史積累的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，在制定某臺機組的振動評價標(biāo)準(zhǔn)時，可與已有的經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)進行比較。經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)是從大量的實踐案例中提煉出來的，有較高的可信性，具有一定的參考價值。當(dāng)然，在使用中不能生搬硬套，要在應(yīng)用中比較，在比較中理解，在理解中升華，因此熟讀、比較各種相關(guān)的經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)是一項基礎(chǔ)性的工作。其次，是與同類型、同容量的水輪發(fā)電機組做橫向比較，從中獲取經(jīng)驗數(shù)據(jù)，為科學(xué)合理的制定振動標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。三是與機組過去的歷史數(shù)據(jù)作縱向比較，了解機組自身的振動幅值變化情況，評估設(shè)置振動限值的技術(shù)方案。

2.1.2 保護策略的討論

選擇哪些測點、選擇什么樣的振動值、如何選擇振動頻率、選擇哪些工況，這是振動保護要解決的首要問題。

（1）測點選擇

水輪發(fā)電機組振動監(jiān)測點有很多，選擇哪些監(jiān)測點參與振動保護？應(yīng)按照最重要，最靈敏，最薄弱的原則選定。通常，推力軸承所在部位的承重機架，承受整個機組轉(zhuǎn)動部分的重量，它的振動舉足輕重，因此要選擇承重機架軸向振動測點作為振動保護測點之一。大軸擺度對作用在大軸上的綜合作用力比較敏感，一旦綜合作用力發(fā)生變化，其擺度值就會發(fā)生改變，沒有時間滯后性；頂蓋是水輪機的過流部件之一，頂蓋振動對流體壓力波動能夠敏感而實時地做出反應(yīng)，頂蓋垂直振動和水平振動的變化最能反映出水輪機水力參數(shù)變化造成的影響，是穩(wěn)態(tài)工況和過渡工況振動監(jiān)測不可或缺的重要測點。發(fā)電機定子鐵心是發(fā)電機比較薄弱的地方，需要重點監(jiān)測。

表1 振動保護監(jiān)測點

（2）振動值選擇[1]

表示振動的值有三個：振動位移、振動速度和振動加速度。對水輪發(fā)電機組只能選擇振動位移作參數(shù)，這是因為，第一，振動位移為水電行業(yè)的人們所熟悉；第二，振動位移和轉(zhuǎn)子軸線的靜位移、轉(zhuǎn)子軸線的線性偏差（不直、不垂直、不同心等）具有相同的單位，便于統(tǒng)一考慮，而且動態(tài)測量時機組振動的允許值一般也不取決于振動能量，而是受制于允許的位移；第三，水輪發(fā)電機組的振動頻率較低，測量值用位移來表征比較方便。

（3）振動頻率選擇

水輪發(fā)電機組是流體-機械-電磁相互耦合的彈性體，轉(zhuǎn)速頻率的振動不總是最重要的，在選擇振動保護頻率時，要根據(jù)機組的實際振動情況來定。水輪發(fā)電機組的振動頻率非常豐富，圍繞水力方面、電氣方面和機械方面的原因所引起的振動頻率各不相同，弄清機組的主要振因，才能科學(xué)地選擇振動頻率。水輪發(fā)電機組常見的振動頻率見表2。在選擇振動頻率之前，應(yīng)分析各個振動測點的振動頻率，確定引起振動的主要原因，選擇主要振因作為保護對象。同一臺機組，不同測點的振因可能不同、相同測點不同工況時的振因也可能不同；大修之后，機組的振因也可能發(fā)生變化；因此，在選擇振動頻率時，要分別對待。選擇振動頻率可能的幾種方案，見表3。

表2 水輪發(fā)電機組常見振動頻率

（4）工況選擇

水輪機運行工況很多，運行工況的特點是“大波動+小波動+穩(wěn)態(tài)運行工況”，在不同的運行工況，機組的振動狀態(tài)差別非常大。由于水流慣性和流動性的影響，機組處于大波動和小波動過渡過程時，振動機理非常復(fù)雜，要實現(xiàn)振動保護在理論上和實踐中都還缺乏切實可行的途徑。1972年美國的路德（F.O.Ruud）提出了一個用于評價過渡過程的振動標(biāo)準(zhǔn)，提出了“暴露率”的概念，其定義為：機組每年在過渡過程下運行時間之和與總時間之比。[2]但是“暴露率”只能定性地評估過渡過程，很難從“定量”的視角參與到振動保護的實際應(yīng)用之中。所以，目前在工程實踐中，暫時不考慮選擇過渡過程進行振動保護，僅選擇穩(wěn)態(tài)運行工況。

2.2 趨勢報警方法

水力發(fā)電行業(yè)內(nèi)早就提出了劃分水輪機運行區(qū)域的要求，但是水輪機運行區(qū)域劃分的理論和工程應(yīng)用研究還比較少。[3]水輪機運行區(qū)域劃分事關(guān)水電站安全經(jīng)濟運行，也是機組設(shè)置振動保護的基礎(chǔ)條件。以混流式水輪機運行區(qū)域劃分圖為例，如圖3所示，水輪機運行區(qū)域分為穩(wěn)定運行區(qū)，過渡運行區(qū)和禁止運行區(qū)。在穩(wěn)定運行區(qū)，機組運行效率高，振動小，安全穩(wěn)定；在過渡運行區(qū)，水力脈動大，機組有較強的振動，不適宜長期運行；禁止運行區(qū)，水力脈動很大，機組振動很大，不適宜運行。

表3 選擇振動頻率的可能方案

圖3 混流式水輪機運行區(qū)域劃分圖

趨勢報警選定的工況是穩(wěn)定運行區(qū)域，是以機組出力、水頭為邊界條件進行網(wǎng)格化，在同一網(wǎng)格內(nèi)進行振動趨勢辨識和報警，不屬于同一網(wǎng)格的振動值不進行比較。從水輪發(fā)電機組的運行特點可以看到，水輪機和發(fā)電機運行情況非常復(fù)雜，運行時外部因素的改變對機組振動影響非常大，尤其是水力參數(shù)的影響。同一網(wǎng)格中的振動值，具有相同的外部因素（即相同的運行工況），因此如果振動值（幅值或頻率）發(fā)生變化，則必然是機組內(nèi)部情況發(fā)生了變化。趨勢報警的時間可以根據(jù)機組的實際需要確定，可以選擇日趨勢報警、周趨勢報警或月趨勢報警，也可以選擇特定的時間。

2.3 故障報警

動力機械振動監(jiān)測系統(tǒng)中，通常所說的故障報警是指振動幅值超過了振動限值時發(fā)出報警信號。這種振動保護策略，在許多大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的應(yīng)用中獲得了良好的效果，得到了廣大用戶的認(rèn)可。水輪發(fā)電機組的振動保護，特點不同，完全依賴振動監(jiān)測點（一個或多個振動監(jiān)測點的關(guān)聯(lián)組合）的振動值超出振動限值而發(fā)出故障報警，在實踐中存在許多不足，在故障報警的設(shè)計中需要調(diào)整思路和策略。

水輪發(fā)電機組是流體-機械-電磁三部分構(gòu)成的彈性體，流體和電磁對機組的作用在機組投運后，其規(guī)律通常是不會改變的，只有當(dāng)機組的機械結(jié)構(gòu)發(fā)生某種變化時，才會導(dǎo)致流體和電磁對機組的作用發(fā)生變化，進而又對機械結(jié)構(gòu)發(fā)生進一步的影響。所以，水輪發(fā)電機組的故障保護，不僅僅是振動超標(biāo)故障保護，還應(yīng)該把關(guān)注點放到機械結(jié)構(gòu)的變化上。由于機械結(jié)構(gòu)發(fā)生變化產(chǎn)生的常見故障，見表4。

表4 結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的常見故障

綜上所述，故障報警實施路徑有兩個，一個是振動、擺度值超標(biāo)報警，另一個是機械結(jié)構(gòu)變化報警。機械結(jié)構(gòu)變化報警，其本質(zhì)是故障診斷，需要有專門的量化計算和狀態(tài)分析手段，通過計算振動、擺度值，判別機械結(jié)構(gòu)的變化情況。機組故障報警策略，見表5。

表5 故障報警策略

3 結(jié)語

本文對水輪發(fā)電機組智能化振動保護策略進行了初步討論，總結(jié)如下：

（1）確定振動限值時，要以已有的國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，結(jié)合機組歷史的振動數(shù)據(jù)做縱向比較，與同類型機組作橫向比較，綜合考慮確定。

（2）測點選擇盡可能少，采取“最重要，最薄弱，最靈敏”的原則確定測點，不同機組，測點數(shù)及測點位置可能不同。

（3）振動值選擇位移值較合理，符合機組振動特性。

（4）在選擇振動頻率時，要選擇主要的、關(guān)鍵性的振動頻率。

（5）機組運行工況很多，由工況不同而導(dǎo)致的振動情況復(fù)雜，在選擇振動保護運行工況時，應(yīng)不考慮過渡過程工況，只考慮穩(wěn)態(tài)運行工況，這樣既可以消除不確定因素的影響，又不妨礙掌握機組的穩(wěn)定性，并能采取積極的振動保護措施。

（6）采取多維邊界的網(wǎng)格化條件，可以過濾掉不同的激振因素，保留下來相同的激振因素，實施科學(xué)合理的趨勢報警。

（7）故障報警同時采用兩個途徑，一個是振動、擺度值超標(biāo)報警，另一個是機械結(jié)構(gòu)變化報警。

（8）“智能化振動保護”是在掌握振動機理的前提下，實現(xiàn)“及時保護和故障診斷”的工程化保護策略，具有較強的工程應(yīng)用價值。

[1]李啟章.關(guān)于水輪發(fā)電機組振動標(biāo)準(zhǔn)的探討[J].水力發(fā)電學(xué)報,1993,(1):90.

[2]Ruud,F.O.,Proc.Intcrn.JSME Symp.Fluid MachineryandFluids,2nd[C].Tokyo,1972.

[3]王正偉,秦亮,等.水輪機運行區(qū)劃分研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2009(4):144.