振動診斷在水輪發(fā)電機組故障診斷與失效分析中的應(yīng)用研究

那建軍

[摘 要]振動故障診斷與失效分析在保障水輪發(fā)電機組正常安全運行的過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文將從水輪發(fā)電機組振動故障的主要特點出發(fā)，加快構(gòu)建故障診斷專家系統(tǒng)，并對振動故障進行識別，判斷出具體的故障部位，并建立水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測檢修系統(tǒng)，及時掌握水輪發(fā)電機組狀態(tài)信息，在故障診斷和狀態(tài)評估的基礎(chǔ)上，做出是否需要維修的判定，從而及時采取有效措施，保障水輪發(fā)電機組運行正常，確保水電站供應(yīng)區(qū)內(nèi)工業(yè)與居民用電。

[關(guān)鍵詞]振動診斷；水輪發(fā)電機組故障；失效分析

中圖分類號：TV734.1；TV738 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）09-0339-02

作為水電站運行設(shè)備的核心，水輪發(fā)電機組工作運行狀態(tài)是否正常穩(wěn)定直接關(guān)系到整個水電站發(fā)電系統(tǒng)的運行安全能否得到有效保障。一旦水輪發(fā)電機組重要設(shè)備運行過程中出現(xiàn)重大安全事故時，不僅會導(dǎo)致供電區(qū)域斷電，同時也會造成巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)有關(guān)資料顯示，70%-80%的水電機組故障和問題都能夠從水電機組振動中得以反映。當(dāng)前，振動故障預(yù)測與診斷已經(jīng)成為保證水輪發(fā)電機組運行安全的重要手段之一，因此，研究水輪發(fā)電機組故障診斷與失效分析，具有重要意義，能夠有效提高水電設(shè)備維護與狀態(tài)檢修水平。通過水輪發(fā)電機組振動故障診斷與失效分析研究，能夠更加準(zhǔn)確地診斷出水輪發(fā)電機組的異常狀態(tài)或故障問題，及時預(yù)防與排除故障，保證機械運行安全可靠，從而盡可能地降低因水輪發(fā)電機組發(fā)生故障而導(dǎo)致的損失，確保水輪發(fā)電機組設(shè)備的工作能力得到充分發(fā)揮，通過合理制定檢修制度，能夠使水輪發(fā)電機組服役期限得到有效延長，并有效降低全壽命周期維護保養(yǎng)費用。

1 振動診斷的優(yōu)越性分析

通過水輪發(fā)電機組發(fā)出的振動信息進行故障診斷，主要是基于以下幾點考慮：第一，在機械運行的過程中，不可避免地就會出現(xiàn)振動，換言之，只需要啟動機械設(shè)備，讓其處于運行狀態(tài)，就會產(chǎn)生振動信號，而振動信號往往就蘊含著故障信息。第二，振動信息能夠進行在線診斷與監(jiān)控。第三，絕大多數(shù)的機械設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)異常，會明顯增加振動量，同時還導(dǎo)致振動形態(tài)和振動頻率發(fā)生一定變化。第四，機械設(shè)備所產(chǎn)生的不同故障往往是因為機械故障對機械設(shè)備所施加的激勵存在一定差異，正因為如此，導(dǎo)致存在不同故障設(shè)備的振動存在各自的特點，為檢修人員判別創(chuàng)造條件。第五，利用振動信息診斷機械設(shè)備這種做法無論是在理論、測試手段，還是在方法上都已經(jīng)比較成熟，應(yīng)用上存在較強的可行性。

2 水輪發(fā)電機組振動故障診斷

2.1 構(gòu)建完善的故障診斷專家系統(tǒng)

這里所提到的水輪發(fā)電機組故障診斷專家系統(tǒng)指的是通過計算機控制技術(shù)對水輪發(fā)電機組振動進行在線監(jiān)測，根據(jù)振動所表現(xiàn)出的特征進行分析，結(jié)合振動專家多年診斷經(jīng)驗，并借助于人工智能方法對水輪發(fā)電機組振動故障進行自動智能化診斷的一種診斷系統(tǒng)。這個系統(tǒng)是水輪發(fā)電機組振動在線監(jiān)測與診斷的重要組成部分，具體見圖1。

2.2 水輪發(fā)電機組振動故障特點

水輪發(fā)電機組故障具有復(fù)雜多樣性的特點，對于水輪發(fā)電機組而言，它是同時涉及電磁力、水力和機械的龐雜系統(tǒng)體系，在正常運行過程中，不僅僅要考慮水力因素的影響，還要兼顧電磁力、機械因素等對振動的影響，既有可能是某單個因素所導(dǎo)致的振動，也有可能是多個因素共同作用的結(jié)果，可以說振動機理存在較大的復(fù)雜性，增加故障診斷的難度。

2.3 振動故障的識別

一旦水輪發(fā)電機組運行狀態(tài)產(chǎn)生異常，往往就會導(dǎo)致振動水平發(fā)生改變和異常，主要表現(xiàn)在振動頻率。為了尋求故障原因與故障征兆參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，需要針對故障樣本建立一個數(shù)據(jù)庫，分析和推斷水輪發(fā)電機組出現(xiàn)異常振動的原因，并通過運用頻譜分析方法進行分析。目前，為了方便診斷故障，相關(guān)專業(yè)和學(xué)者通過對各種現(xiàn)實振動故障進行分類統(tǒng)計，并結(jié)合征兆對應(yīng)的故障發(fā)生頻率狀況建立了比較完善的特征頻率表。

2.4 故障的振動部位判別

為了對故障發(fā)生的嚴(yán)重程度進行量化，一般采用振動幅值的大小來度量。大量實踐已經(jīng)表明，當(dāng)水輪發(fā)電機組振動出現(xiàn)故障時，在水輪發(fā)電機組某個部位所檢測得到的振動值，往往會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出允許值。基于該理論，如果水輪發(fā)電機組水導(dǎo)軸承出振動幅度比其他部位振動更劇烈，則可能是因為轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉或者蝸殼處所受水力不平衡，導(dǎo)致產(chǎn)生振動，同時會出現(xiàn)相應(yīng)的特征頻率、頻譜。如果水輪發(fā)電機組壓力鋼管或者尾水管頂板處振動異常，蝸殼中水壓波動劇烈，則說明轉(zhuǎn)輪葉片出水連線型可能出現(xiàn)異常，尾水管出現(xiàn)偏心渦帶。因此，在實際工程中，可以根據(jù)振動部位的不同判斷出出現(xiàn)振動故障的原因，一旦水輪發(fā)電機組出現(xiàn)振動故障，就會在其某個或多個部位出現(xiàn)振動異常，并且這種振動故障與振動部位往往存在一定關(guān)聯(lián)。

3 水輪發(fā)電機組振動故障診斷應(yīng)用案例分析

導(dǎo)致水輪發(fā)電機組振動的原因有多種且比較復(fù)雜，在實際診斷過程中，并非只有單一的振動故障，更多地是多個故障相互交織在一起，并且各種故障現(xiàn)象又存在交叉現(xiàn)場，大大增加了現(xiàn)場診斷工作的難度。要想及時排除機組振動，首先要依靠故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)對水輪發(fā)電機組振動有一個比較準(zhǔn)確的判斷，但是要想準(zhǔn)確抓住振動故障的內(nèi)在原因，不僅依靠扎實的振動故障診斷原因的理論分析，還應(yīng)對機組特性做到了然于胸。下面就兩個筆者實踐工作中所遇到的故障診斷案例進行分析：

3.1 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

某電廠1號機組額定容量50MW，額定水頭256m，額定轉(zhuǎn)速500r/min，機組結(jié)構(gòu)為半傘-混流式。（圖2，圖3，表1）

分析結(jié)論：質(zhì)量不平衡對機組上機架水平振動的影響約為70μm，對機組下機架水平振動的影響約為130μm，說明機組存在較大的質(zhì)量不平衡，有必要對機組進行配重；配重位置轉(zhuǎn)子中心體下端面，配重方位（失重角）為由鍵相塊位置逆時針轉(zhuǎn)動267°。

3.2 磁拉力不水平衡

某電廠3號機組額定容量240MW，額定水頭60m，額定轉(zhuǎn)速68.2r/min，機組結(jié)構(gòu)為半傘-混流式。（圖4，表2）

分析結(jié)論：對定子機架振動影響最大的是2X、3X、4X，主要是由轉(zhuǎn)子不圓造成的，建議對轉(zhuǎn)子不圓度進行調(diào)整。

3.3 水力不水平衡

某電廠額定容量25MW，額定轉(zhuǎn)速68.2r/min，額定水頭6.8米，機組結(jié)構(gòu)為貫流式。（圖5）

分析評價：轉(zhuǎn)輪室振動處于危險級別，從瀑布圖可以看出，主要存在4X的葉片頻率，并且隨著負(fù)荷的增大而增大，表明機組協(xié)聯(lián)關(guān)系不好。

4 結(jié)束語

綜上所述，近年來信息技術(shù)獲得了快速發(fā)展，各種新興的方法，如灰色理論、智能化專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等也日漸成熟，對于振動診斷而言，在獲得計算機技術(shù)的支持后，在水輪發(fā)電機組故障診斷和失效分析中得到了更加廣泛的應(yīng)用，并且有效解決了多起水輪發(fā)電機組振動問題，使水輪發(fā)電機組設(shè)備運行更加安全可靠，有效避免了經(jīng)濟損失。因此，我們有必要對振動故障診斷和失效分析進行深入分析和研究，并努力將新技術(shù)運用到實踐之中，這不僅具有重要的理論研究價值，在實際工程領(lǐng)域具有重要意義。

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