振動(dòng)擺度監(jiān)測系統(tǒng)在水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)檢修中的主要應(yīng)用

顧丹峰

[摘 要]振動(dòng)擺度監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)水輪機(jī)組的振動(dòng)、擺度及壓力脈沖進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測與診斷，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、快速、直觀地反映水輪機(jī)組的狀態(tài)信息，并作為一種有效檢測手段應(yīng)用于狀態(tài)檢修工作中。

[關(guān)鍵詞]振動(dòng)擺度；監(jiān)測系統(tǒng)；水輪發(fā)電機(jī)

中圖分類號(hào)：TG833 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）20-0210-02

一、機(jī)組診斷擺度監(jiān)測技術(shù)對(duì)狀態(tài)檢修的重要性

振動(dòng)擺度，是指水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，因機(jī)械因素、水力因素、電磁因素等不同的影響因素導(dǎo)致的振動(dòng)擺度現(xiàn)象。振動(dòng)擺度是水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中較為常見的問題。振動(dòng)擺度問題的出現(xiàn)影響機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)機(jī)組與廠房的損壞，甚至造成重大運(yùn)行故障事故發(fā)生。因此，振動(dòng)擺度已經(jīng)成為水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。

狀態(tài)檢修是目前針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組較為流行的設(shè)備檢修方式，通過振動(dòng)擺度檢測系統(tǒng)可以增強(qiáng)設(shè)備檢修的針對(duì)性及有效性，提升設(shè)備的使用效率、運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定效率及綜合運(yùn)轉(zhuǎn)效率。在開展水輪機(jī)組狀態(tài)檢修時(shí)要求對(duì)機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)的檢測與故障診斷，對(duì)機(jī)組潛在的故障與隱患進(jìn)行預(yù)判。振動(dòng)擺度是機(jī)組設(shè)備運(yùn)行是否平穩(wěn)的最為直接有效的表征，因此，對(duì)機(jī)組振動(dòng)擺度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與分析診斷是水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測重要的組成部分，也是對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)檢修不可或缺的技術(shù)手段之一。

二、振動(dòng)擺度診斷監(jiān)測系統(tǒng)的功能

振動(dòng)擺度監(jiān)測系統(tǒng)一般由傳感器、監(jiān)測保護(hù)儀表或計(jì)算機(jī)顯示器、統(tǒng)計(jì)分析軟件三部分組成。其中，傳感器由探頭與前置放大器組成，完成振動(dòng)擺度信號(hào)源的搜索、濾波及放大功能，在搜索信號(hào)源并記錄數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，利用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行分析處理及故障診斷的分析監(jiān)測功能，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警甚至緊急停機(jī)功能。

振動(dòng)擺度診斷監(jiān)測系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、預(yù)防性維護(hù)及檢修要求，系統(tǒng)的診斷監(jiān)測軟件應(yīng)具備以下功能：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測。在傳感器追蹤數(shù)據(jù)并輸入系統(tǒng)，顯示器要通過實(shí)物樹的圖表方式實(shí)時(shí)顯示所監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的狀態(tài)，并對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)故障進(jìn)行報(bào)警顯示。

（2）回顧追蹤。系統(tǒng)要自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)越限時(shí)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，可實(shí)現(xiàn)為追綜事故發(fā)生前后的一段時(shí)間的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，可進(jìn)行最終分析及紙質(zhì)打印功能的實(shí)現(xiàn)。

（3）振動(dòng)擺度分析。振動(dòng)擺動(dòng)功能分析要實(shí)現(xiàn)：

時(shí)域分析：波形、幅度數(shù)值、軸心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡、軸心位置、振動(dòng)棒圖分析等功能的實(shí)現(xiàn)；

趨勢分析：通過已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行過去發(fā)展軌跡特征分析、預(yù)測未來發(fā)展趨勢分析及趨勢預(yù)報(bào)等；

靶圖分析：實(shí)現(xiàn)直觀的頻譜靶圖與矢量靶圖分析等；

故障職能診斷：通過上述的時(shí)域、趨勢及靶圖分析等工具，結(jié)合技術(shù)工作人員的業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測對(duì)象故障的診斷，及時(shí)給出故障部位及其故障性質(zhì)，提出合理的解決對(duì)策與處理意見。

三、機(jī)組振動(dòng)擺度監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)布置及故障判斷及分析

1 測點(diǎn)布置及故障判斷

振動(dòng)擺度監(jiān)測系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析診斷的功能，要在水輪發(fā)電機(jī)組的三部導(dǎo)軸承、上下機(jī)架、頂蓋、定子鐵芯、尾部水管等關(guān)鍵部位安裝傳感器，實(shí)時(shí)測量發(fā)電機(jī)組的擺度、振動(dòng)、壓力脈沖等物理運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)。同時(shí)，接入機(jī)組有功功率、無功功率、導(dǎo)葉開度、水頭、流量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測。具體的振動(dòng)擺度檢測系統(tǒng)測點(diǎn)及布置數(shù)量等詳見下表1：

2 振動(dòng)監(jiān)測與故障診斷分析方法

（1）時(shí)域信號(hào)分析

傳感器時(shí)間測量的信號(hào)即位時(shí)域信號(hào)。水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)擺渡檢測系統(tǒng)是在高噪音、強(qiáng)干擾的環(huán)境下進(jìn)行工作，因此檢測信號(hào)會(huì)受到一定的干擾，需要對(duì)其進(jìn)行特殊處理，狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中的時(shí)域信號(hào)是指傳感器信號(hào)經(jīng)濾波、采樣、A/D變換，放大等預(yù)處理后送到計(jì)算機(jī)后作出的信號(hào)幅值隨時(shí)間變化的圖形或波形，這里信號(hào)幅值可以是位移、速度、加速度等量。

觀察信號(hào)幅值的變化規(guī)律，可運(yùn)行時(shí)域信號(hào)波形圖，對(duì)描述信號(hào)特征的數(shù)字進(jìn)行提取，例如最大方差，此時(shí)可以對(duì)特定信號(hào)X（t）進(jìn)行特征量的計(jì)算：

最大峰值的定義公式為：

，

其中Xi滿足Xi ≥Xi-1 且Xi≥Xi+1。

通過計(jì)算最大峰值，可以得出信號(hào)中幅值的最大波動(dòng)程度，并可以將其表示為波形中的平均值。

（2）功率譜分析

該信號(hào)分析功能是較為常用的一種頻域分析法，主要是通過FFT的變換，將時(shí)域信號(hào)整體分解為若干頻率成分之和，進(jìn)而在分析信號(hào)頻率成分及分量能量大小的基礎(chǔ)上衡量幅值。該方法是將信號(hào)分析從一個(gè)域轉(zhuǎn)換到新的一個(gè)域，通過轉(zhuǎn)換角度來分析問題。

功率譜密度函數(shù)的計(jì)算公式如下：

設(shè)S* w（w）是 S（w）的共扼復(fù)數(shù)，則自功率譜密度函數(shù)為：

率譜密度函數(shù)也可以由自相關(guān)函數(shù)經(jīng)付立葉變換而得到，此時(shí)相應(yīng)的公式為：

可以做功率譜分析的數(shù)據(jù)既可以是來自位移、速度、加速度傳感器的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)，可以是硬盤上的記錄歷史數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

四、振動(dòng)擺度監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及未來發(fā)展趨勢

1.振動(dòng)擺度診斷監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

當(dāng)水輪機(jī)止漏環(huán)等部件出現(xiàn)脫落或者出現(xiàn)導(dǎo)流板撕裂現(xiàn)象時(shí)，頂蓋振動(dòng)擺度會(huì)超出正常范圍，出現(xiàn)明顯增大情況，此時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中的頻譜會(huì)發(fā)生扭曲；在導(dǎo)流板撕裂時(shí)在蝸殼入口門與尾水門處可以聽見明顯的撞擊聲音，止漏環(huán)脫落不明顯。

水輪機(jī)止漏環(huán)脫落時(shí)，機(jī)組推力軸承的受力增大，外在變現(xiàn)為推力瓦溫會(huì)升高。水輪機(jī)特征頻率：當(dāng)水輪機(jī)過流等構(gòu)件發(fā)生故障時(shí)，振動(dòng)擺度的頻譜圖將以水輪機(jī)特征頻率或其倍數(shù)頻率成分分布。發(fā)電機(jī)電磁因素振動(dòng)：定子鐵芯振動(dòng)會(huì)明顯增大，其頻譜圖中以50HZ倍頻成分為主。軸瓦間隙偏大或分布不均勻：相應(yīng)軸承擺度增大，瓦的溫度成規(guī)律變化。

2.振動(dòng)擺度診斷監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展趨勢

完善的電路保護(hù)，抑制電磁干、電源波動(dòng)及傳感器損壞情況發(fā)生；實(shí)現(xiàn)自檢測功能，自動(dòng)識(shí)別傳感器短路、短路及掉電等故障，更加完善的專家系統(tǒng)及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)診斷。

綜上，隨著我國水利水電事業(yè)的快速發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)組的技術(shù)發(fā)展水平逐漸成熟，并出現(xiàn)大型甚至是巨型化發(fā)展趨勢。水電站對(duì)設(shè)備日常運(yùn)行的平穩(wěn)度及安全性的要求越來越高，傳統(tǒng)的基于時(shí)間設(shè)備檢修模式，已經(jīng)逐漸不再適應(yīng)實(shí)時(shí)設(shè)備檢測檢修需要。水電站對(duì)設(shè)備故障診斷與維修的精準(zhǔn)，及有針對(duì)性的要求越來越明顯。設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)利用了先進(jìn)的設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)及頻譜狀態(tài)檢測與針對(duì)技術(shù)，通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、診斷、分析甚至是預(yù)判等，綜合評(píng)價(jià)分析設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)健康狀況，實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效安排檢修計(jì)劃與內(nèi)容，實(shí)施檢修設(shè)備，節(jié)約檢修維護(hù)費(fèi)用，減少設(shè)備非計(jì)劃性的停擺時(shí)間，延長設(shè)備的使用壽命，為電力的安全生產(chǎn)提供了有效保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 費(fèi)炳生.水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)擺度診斷監(jiān)測系統(tǒng)[J].水電站機(jī)電技術(shù)水，2011（3）.