機組在線監(jiān)測系統(tǒng)在故障分析中的應(yīng)用

劉香建 楊秀峰

（天生橋水力發(fā)電總廠，貴州 興義562400）

0 引言

狀態(tài)檢修是未來檢修方式，為了實現(xiàn)這種檢修方式，就需要對機組的狀態(tài)進行監(jiān)測，對實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)相結(jié)合進行分析，了解機組各個部位的運行狀態(tài)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)制定維護和檢修計劃。而實現(xiàn)狀態(tài)檢修的難點在于故障診斷這一環(huán)節(jié)，本文通過機組在線監(jiān)測系統(tǒng)在#1機組轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)松動事件中應(yīng)用的實例，來論述機組在線監(jiān)測系統(tǒng)在機組故障診斷中的應(yīng)用，為實現(xiàn)狀態(tài)檢修積累經(jīng)驗，也有利于電廠節(jié)省檢修成本，提高機組運行的安全性、穩(wěn)定性，從而為企業(yè)增加經(jīng)濟效益。

1 故障情況

某電廠機組的額定功率為220.5 MW，組機結(jié)構(gòu)為立式半傘形結(jié)構(gòu)，有上、下導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承。在日常巡視中聽到#1機組水車室機組運行頂蓋內(nèi)部聲音有點異常，特別是觸碰控制環(huán)時能感覺到明顯的高頻振動。但由于水車室各種頻譜的聲音混雜，雖經(jīng)過多次觀察，依舊無法判斷是什么原因引起的。

2 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了查清楚原因，保證機組安全穩(wěn)定運行，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)作為輔助手段去進行排查。

首先，查看機組各部分的振動和擺度以及壓力脈動數(shù)據(jù)，歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)中下機架振動為0.025mm 左右，頂蓋垂直振動則為0.03mm 左右，而現(xiàn)在的下機架振動值為0.037mm，頂蓋垂直振動值為0.04mm，其數(shù)值與歷史數(shù)據(jù)相比較有增大的趨勢，增大的數(shù)值并不大，且振動數(shù)值在允許值范圍內(nèi)；其余的監(jiān)測量數(shù)值趨勢則相對平穩(wěn)，且在允許范圍內(nèi)。

其次，進一步分析機組在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)，以便更好地確定故障原因。挑選水導(dǎo)軸承擺度、頂蓋水平和垂直振動、下機架垂直振動這幾個靠近異響部位的監(jiān)測量進行頻譜分析（圖1），水導(dǎo)擺度和頂蓋水平振動的波形和數(shù)值均正常，階次圖上的頻率也無異常，但下機架和頂蓋的垂直數(shù)值比機組正常運行時的數(shù)值偏大，而且查看其階次圖的時候，發(fā)現(xiàn)二者均存在14倍頻的振動，并且這個振動頻率不是固定的，而是在14倍頻左右變化。因為這個振動頻率和機組已知的各個部件的頻率都不相符，這又給故障的診斷帶來了新的難題。

3 故障分析排查

由于水輪機內(nèi)的水流比較復(fù)雜，我們需要采用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場觀察相結(jié)合的辦法，對有可能出現(xiàn)的故障進行假設(shè)分析。

圖1 所選監(jiān)測量的階次圖

第一步，確定在線監(jiān)測系統(tǒng)和傳感器是否存在故障。對頂蓋和下機架這兩個部位的振動傳感器進行更換，換上經(jīng)檢測其性能是好的傳感器；并在頂蓋部位臨時焊接固定支架來架設(shè)百分表進行觀測。更換后這兩個部位的傳感器的測量數(shù)據(jù)并未發(fā)生改變，而且在頂蓋架設(shè)的測點也驗證了傳感器的測量數(shù)值的準(zhǔn)確性，所以排除了系統(tǒng)故障和傳感器故障，確定是機組確實存在下機架和頂蓋垂直振動的異常。

第二步，在排除在線監(jiān)測系統(tǒng)故障后，進行故障的假設(shè)。首先假設(shè)故障為導(dǎo)葉或轉(zhuǎn)輪有異物堵塞。在這種情況下，由于進入導(dǎo)葉或轉(zhuǎn)輪的水流的不均勻?qū)ΨQ，則水平方向的振動和機組的擺度也會相應(yīng)增大，而查看在線監(jiān)測系統(tǒng)，水平振動和機組的擺度并無增大的情況，所以這個原因排除。其次假設(shè)故障是由于是蝸殼渦帶振動引起的，其振動的頻率應(yīng)為2.5 倍頻，但通過在線監(jiān)測系統(tǒng)所得到的頻率是14倍頻，且在在線監(jiān)測系統(tǒng)上觀察機組蝸殼的壓力脈動，其數(shù)值無異常，所以也排除這個原因。再次，假設(shè)故障原因是轉(zhuǎn)輪泄水錐掉落，從振動部位和數(shù)值的表現(xiàn)看這是有可能的，因為泄水錐掉落，則會引起機組的垂直振動值變大，但如果是這個原因，則尾水管內(nèi)的壓力脈動也會隨之變大，尾水管在機組運行時會發(fā)出異響，但是在線監(jiān)測系統(tǒng)中的尾水管的壓力脈動壓力測量值并未發(fā)現(xiàn)異常，且尾水管運行的聲響并未有異常，所以這個原因也排除。

第三步，進行機組負荷的調(diào)整，負荷經(jīng)過調(diào)整從220 MW下降至200 MW 時，異響聲消失，查看在線監(jiān)測，數(shù)據(jù)均在正常運行狀態(tài)的數(shù)值，再查看下機架和頂蓋垂直振動，14倍頻的振動基本消失，機組各部位數(shù)據(jù)均恢復(fù)正常。這步也間接排除了在線監(jiān)測傳感器干擾和機組動不平衡的問題；且從現(xiàn)場異常聲響的位置來看，確定位置在水輪機處，其原因可能為水力因素。

但是機組的額定出力為220 MW，且與其結(jié)構(gòu)一致的其他機組均能在220 MW 穩(wěn)定運行，不可能是由于工作水頭和尾水位的影響；且在滿負荷時所出現(xiàn)的14倍頻的振動已經(jīng)證實是真實存在的，說明機組在帶滿負荷的時候是存在故障的；再者機組帶不滿負荷，對電廠來說也是一種容量的浪費，會降低企業(yè)的經(jīng)濟效益。

4 故障的確定

根據(jù)以上對故障原因的分析和排除，結(jié)合在線監(jiān)測的測量數(shù)據(jù)，由于故障是14倍頻的振動引起，而且這個振動的頻率是變化的，我們對這個變化的14倍頻的故障頻率進行重點分析。結(jié)合在機械故障診斷中振動相位改變的原因可能是轉(zhuǎn)動部分出現(xiàn)裂紋或松動；再根據(jù)對這個振動頻率和機組結(jié)構(gòu)的分析，這個故障頻率最接近轉(zhuǎn)輪和固定導(dǎo)葉的振動頻率，所以初步診斷故障原因可能為固定導(dǎo)葉故障、轉(zhuǎn)輪故障或其附近的部件松動或產(chǎn)生裂紋，并且這個故障要達到220 MW 時的水力狀況才會產(chǎn)生。為了徹底排除故障，保證機組在汛期能帶滿負荷安全穩(wěn)定運行，增加電廠的經(jīng)濟效益，需要進入水輪機內(nèi)檢查固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪及其附近部件的狀況。為此，按照診斷出來的原因，制定處理方案，開啟蝸殼門和尾水管進人門，對水輪機和尾水管進行檢查，發(fā)現(xiàn)故障的原因為水輪機上止漏環(huán)的1/3的部分向上竄動，其中最大竄動量為6mm（圖2）。

圖2 止漏環(huán)上竄量測量

面對這一故障，經(jīng)過向廠家詢問和電廠內(nèi)部相關(guān)部門開會研論，決定對上竄部位采取補焊固定的臨時處理措施，并對其余未竄動部位進行補焊加固。補焊后機組運行無異響，查看在線監(jiān)測，14倍頻基本消失，頂蓋垂直振動和下機架垂直振動隨之變小，其值為：下機架振動0.026 mm，頂蓋垂直振動0.034mm，和歷史值相似，機組各部位振動恢復(fù)正常（圖3）。在水車室進行觀察，異響也隨之消失，機組運行平穩(wěn)，這些數(shù)據(jù)和機組狀態(tài)說明機組的故障已消除。

5 結(jié)語

這次故障的診斷，是充分利用了在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為輔助手段來實現(xiàn)的，快速而準(zhǔn)確地確定了故障位置，為快速排除機組故障創(chuàng)造了條件。這次成功的故障診斷，為以后機組出現(xiàn)類似故障時進行處理提供了經(jīng)驗。未來隨著在線監(jiān)測系統(tǒng)的進步和傳感器的可靠性、精確性的進一步提高，機組各部位的運行狀態(tài)將被更精確地顯示出來，從而為故障診斷提供更精準(zhǔn)和可靠的數(shù)據(jù)，進而降低故障診斷難度；同時也可為更好地制定故障消除工作和機組年度檢修工作計劃提供可靠的參考，有利于節(jié)省機組維護和檢修費用，提高機組運行的可靠性和安全性，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。

圖3 補焊止漏環(huán)后的階次圖

［1］黃文虎，夏松波，劉瑞巖.設(shè)備故障診斷原理、技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，1996.

［2］孫玉聲.振動傳感器［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1991.

［3］劉瑞巖.機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷［M］.北京：國防科技大學(xué)出版社，1993.

［4］張瑞林.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷［M］.鄭州：河南科技出版社，1993.

［5］袁宏義，牛明忠，葉慧秀，等.設(shè)備振動診斷技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1991.