基于灰色關聯分析的水電機組振動故障診斷方案

于海濤

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

基于灰色關聯分析的水電機組振動故障診斷方案

于海濤

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

針對遼寧省桓仁水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的機組振動故障診斷功能缺陷，提出了基于灰色關聯分析的水電機組振動故障診斷方案。事實證明該診斷方案具有良好的實際應用效果，可以有效提高桓仁水電站機組檢修效率。

灰色關聯分析；振動故障；故障診斷

1 研究背景

1.1 桓仁水電站概況

1.2 2#機組穩(wěn)定性試驗結果

桓仁水電站2#機組在2012年進行了B類檢修，檢修后的運行過程中經常出現上導軸承瓦溫度偏高的狀況。為解決上述問題，需要對2#機組進行穩(wěn)定性參數分析。由于桓仁水電站沒有振擺監(jiān)測設備，穩(wěn)定性參數有現場試驗測試的方法獲得。試驗內容包括轉速試驗、勵磁試驗和負荷試驗。對穩(wěn)定性試驗的數據進行分析獲得如下結論：試驗過程中2#機組的上導擺度值維持在400 μm以上，超出二級警示值，其余部位的振動、擺度、壓力以及壓力脈動值均處于正常范圍。根據相關研究結論，水電機組運行過程中的振動情況比較常見，且原因復雜多樣，經常是幾種因素疊加或相互抵消的結果。

2 故障診斷方案設計

桓仁水電站機組具備一定的狀態(tài)監(jiān)測功能[3]，但是WST-PLC型實時監(jiān)控系統(tǒng)不具備故障自動分析功能。因此，應當選用一種合適的故障診斷方法，提出解決電站故障診斷的具體方案。

2.1 灰色關聯理論診斷法

我國著名學者鄧聚龍教授于1982年提出灰色關聯理論，其優(yōu)勢是對數據樣本的要求不高，在變量個數較多時計算工作量較小，獲取信息與其他方法相比更為豐富等[4]?；疑P聯理論診斷法的主要計算步驟如下[5]：

設系統(tǒng)的參考模式向量矩陣為X(R)，其表達式如下：

(1)

設系統(tǒng)待檢模式向量矩陣為

(2)

今天的第二張照片是我的家鄉(xiāng)，嘉善姚莊的桃源新村。10年前，這里作為嘉興市“兩分兩換”的首批試點，率先實施這項新的土地改革政策。所謂的“兩分兩換”，就是把農民的宅基地和承包地分開，搬遷和土地流轉分開，以宅基地置換城鎮(zhèn)房產，以土地承包經營權置換社會保障。

(3)

式中:ξ為分辨系數，用ξ∈[0,1]表示，ξ取0.5。顯然，不同的ξ值只影響關聯系數的絕對值，而不影響其排列順序。

(4)

2.2 故障診斷方案設計

桓仁水電站水電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具有實時監(jiān)測功能，可以獲得準確的實時監(jiān)測數據，但是并無機組振擺監(jiān)測系統(tǒng)。根據水電機組穩(wěn)定性理論分析，水電機組的振動和擺幅指標可以直觀反映運行的穩(wěn)定性，是機組穩(wěn)定性監(jiān)測的核心指標[6]。因此，結合故障診斷理論的相關成果，結合桓仁水電站的實際情況，設計出基于灰色關聯分析的故障診斷方案。

(1)由于桓仁水電站無振擺監(jiān)測功能，選取瓦屋山電站 1#機組的穩(wěn)定性試驗測試數據作為故障樣本提取參數。

(2)依據灰色故障診斷法的數學算法進行分析計算。

(3)將灰色關聯分析結果的故障實例樣本作為桓仁水電站故障診斷特征樣本，并在后續(xù)振動診斷過程中以該樣本為基礎逐步建立自身的故障樣本庫。

故障診斷方案的設計流程圖如圖1所示。

圖1 故障診斷方案流程示意圖

3 故障診斷方案在2#機組實際應用與效果分析

根據灰色關聯理論診斷法和相應的故障診斷方案，選擇桓仁水庫2#機組的上導擺動、尾水管進口壓力脈動、上機架振動、下機架振動、頂蓋下壓力脈動以及蝸殼進口壓力等六個典型因素進行灰色關聯分析，將分析結果與檢修實際故障對比，分析方案本身的應用效果[7]。

3.1 以尾水管進口壓力脈動為特征序列的分析結果

設尾水管進口壓力脈動為特征序列[X0]，選取其余五個因素組成相關因素序列[X1,X2,…,X5]，利用公式(4)計算求出上導擺動、尾水管進口壓力脈動、上機架振動、下機架振動、頂蓋下壓力脈動以及蝸殼進口壓力等六個典型因素的灰色關聯情況，計算結果如表1所示。由表格中的數據可知，尾水管進口壓力脈動與上導擺度的灰色關聯度最大，為0.72，說明尾水管壓力脈動對上導擺度的影響最敏感；對蝸殼進口壓力的影響次之，灰色關聯度為0.69。因此，可以反推2#機組在上導軸承位置可能存在某種故障。

表1 以尾水管進口壓力脈動為特征序列的灰色關聯程度表

3.2 以頂蓋下壓力脈動為特征序列的分析結果

計算與分析顯示，2#機組在上導軸承位置可能存在某種故障。為了進一步驗證上述分析結果的準確性，特選取頂蓋下壓力脈動為特征序列進行灰色關聯分析。設頂蓋下壓力脈動為特征序列[X0]，選取其余五個因素組成相關因素序列[X1,X2,…,X5]，利用公式(4)計算求出六個典型因素的灰色關聯情況，計算結果如表2所示。計算結果顯示，2#機組的頂蓋下壓力脈動對上機架振動、下機架振動以及上導擺動的影響排在前三位，灰色關聯度分別為0.96、0.92、0.74，對尾水管進口壓力脈動的影響排在最后，灰色關聯度為0.60。顯然，上機架振動、下機架振動以及上導擺動均屬于機組的上部結構，而相關研究結論顯示頂蓋脈動壓力與機組的軸向水推力波動存在直接關聯[8]，因此，可以反推機組的主軸上部可能存在較大的偏移。

表2 以頂蓋下壓力脈動為特征序列的灰色關聯程度表

3.3 以蝸殼進口壓力為特征序列的分析結果

計算與分析顯示，2#機組的主軸上部可能存在較大的偏移。為了驗證分析結果的準確性，特選取蝸殼進口壓力脈動為特征序列進行灰色關聯分析。設蝸殼進口壓力為特征序列[X0]，其余五個因素組成相關因素序列[X1,X2,…,X5]，利用公式(4)計算求出六個典型因素的灰色關聯情況，計算結果如表3所示。計算結果顯示，2#機組蝸殼進口壓力對上導擺度的灰色關聯度最大為0.77，說明其對上導擺度的影響最為敏感，其次是對上機架上部結構的影響，灰色關聯度為0.73。此次分析結果進一步說明前兩次計算分析結論的準確性。

表3 以蝸殼進口壓力脈動為特征序列的灰色關聯程度表

3.4 分析結果的實際效果驗證

結合桓仁水電站2#機組穩(wěn)定性試驗后的B類檢修情況驗證診斷方案的實際效果?；溉仕娬?#機組屬于懸式機組，其推力軸承位于上導軸承上。根據立式水利發(fā)電機組軸系穩(wěn)定性理論，結合其構造特點對該機組的軸系運行進行分析，桓仁水電站2#機組上導軸承處的“三個中心”相對于下部有明顯的位置偏移，可能出現的偏離情況如圖2所示，從而造成整個軸系不能理想運行。因此，影響桓仁水電站2#機組穩(wěn)定運行的主要原因是上導軸承故障進而主軸線上部偏移。由故障診斷方案獲得的結論與實際檢修中的處理結果完全一致。由此可見，本文提出的故障診斷方案準確可靠，具有較強的實用性。

圖2 “三個中心”偏離示意圖

4 結 論

結合桓仁水電站水電機組的運行實際，對機組故障診斷技術進行了探究。針對該電站2#機組的上導瓦溫度偏高的情況，基于機組振動機理和灰色關聯故障診斷法，提出了一種故障診斷方案，并得到如下結論：

(1)根據桓仁水電站計算及監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷缺陷，利用灰色關聯故障診斷法，提出了一種完善機組振動穩(wěn)定性分析的故障診斷方案。

(2)經過三次選取不同的特征序列，對桓仁水電站2#機振動故障進行分析，結論與實際檢修處理結果一致，說明故障診斷方案準確可靠，具有較強的實用性，在后續(xù)故障診斷工作中可以利用此次故障特征樣本。

[1] 劉力,鄒浩.渾江梯級水電站設計洪水復核分析[J].東北水利水電,2016(8):32-34.

[2] 張松松,朱宏鵬,金杰,等.桓仁水電站大壩壩基揚壓力與滲流監(jiān)測分析[J].水利科技與經濟,2014(2):118-120，123.

[3] 劉晟,王波.桓仁發(fā)電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)更新改造[J].水電廠自動化,2006(4):86-89.

[4] 毛冬焰.在“灰”色的世界里探索──鄧聚龍教授訪談[J].統(tǒng)計與決策,1995(2):6-9.

[5] 劉海艷,鄭慧娟,劉果.基于仿射不變線矩和改進關聯度分析的水電機組軸心軌跡自動識別研究[J].水電與抽水蓄能,2016(2):14-17.

[6] Bo-Suk Yanga,Dong-Soo Limb.Andy Chit Chiow Tanc.An expert system for vibration fault diagnosis of rotating machinery using decision tree and decision table [J].Expert Systems with Applications,2005(28):735-742.

[7] 曹登峰,潘羅平,周葉,等.基于灰色聯分析的水電機組振動影響敏感因子探究[J].水電廠自動化,2013(3):37-38，42.

[8] Peter W Tsea,Wen-xian Yangb,H Y Tama.Machine fault diagnosis through an effective exact wavelet analysis[J].Journal of Sound and Vibration, 2004(277):1005-1024.

Vibration fault diagnosis scheme of hydraulic generating unit based on grey relational analysis

YU Haitao

(LiaoningNorthwestWaterSupplyCo.,Ltd.，Shenyang110003，China)

Aiming at the computer monitoring system function defect of unit vibration fault diagnosis of Huanren Hydropower Station in Liaoning Province, a fault diagnosis scheme of hydraulic generating unit based on grey relational analysis was proposed. It is proved that the diagnosis scheme has a good application effect and can effectively improve the unit maintenance efficiency of Huanren Hydropower Station.

grey relational analysis; vibration fault; fault diagnosis

于海濤(1975-)，男，遼寧桓仁人，工程師， 主要從事水電站機組安裝、檢修與維護工作。E-mail：yht046@163.com。

TM623.7

A

2096-0506(2017)02-0064-04