水輪發(fā)電機檢修系統(tǒng)的關鍵技術分析

摘 要：運用水力發(fā)電，優(yōu)化資源配置是當前社會可持續(xù)發(fā)展的重要課題。水輪發(fā)電機是水力發(fā)電的主要設備，傳統(tǒng)的設備檢修方式，對事故的預防控制不足，導致需要故障隱患不能被及時發(fā)現(xiàn)。本文提出了以物聯(lián)網(wǎng)技術、全息譜分解技術為核心的水輪發(fā)電機檢修系統(tǒng)設計方案，并進行了實證分析。

關鍵詞：水流發(fā)電機；檢修系統(tǒng)；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷

中圖分類號：TM312 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2017）03-0039-03

Key Technical analysis of Maintenance System of Hydrogenerator

QU Maoxin

（Taishan Deep Well Reservoir Management Institute，Taishan 529241，China）

Abstract： Using Hydropower to optimize the allocation of resources is an important issue for sustainable development of the society.Hydro generator is the main equipment of hydraulic power generation. The traditional way of equipment maintenance is insufficient to prevent and control the accident， which leads to the hidden trouble that can not be found in time. In this paper， the design scheme of the maintenance system of hydro generator based on the Internet of things and the technology of holographic spectrum decomposition is put forward， and an empirical analysis is carried out.

Keywords： flow generator； maintenance system； condition monitoring； fault diagnosis

0 引 言

我國水能儲備豐富，并且受供給側改革、環(huán)保政策及“十三五”規(guī)劃綱要影響，化石能源發(fā)電進一步制約，水力發(fā)電比例持續(xù)上升。以三峽水電站為例，其年均發(fā)電量可達847億千瓦時。而水輪發(fā)電機等關鍵設備的故障會降低水力發(fā)電效率，并存在安全隱患。自20世紀90年代，我國開始引入水電設備狀態(tài)檢修，促進了水輪發(fā)電機檢修的發(fā)展。因此對水輪發(fā)電機檢修系統(tǒng)進行研究，就是以狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷為核心的狀態(tài)檢修系統(tǒng)的研究。

1 水輪發(fā)電機檢修的發(fā)展

在20世紀90年代以前，針對水輪發(fā)電機等設備的檢修以按周期進行的計劃檢修為主的方式進行的，著重于按照設備的運行特征、故障特點定期檢修，發(fā)生事故后及時進行修整。容易出現(xiàn)檢修時問題尚未出現(xiàn)，出現(xiàn)問題時未到檢修時間的問題，對故障的預防和控制效果較低[1]。隨著狀態(tài)檢修的引入，對水輪發(fā)電機檢修逐步走向了實時監(jiān)測、提前預警的智能化故障診斷和預防的方向。清華大學、東南大學、航天部等科研院校和部門相繼開發(fā)了水輪發(fā)電機狀態(tài)檢修系統(tǒng)。水輪發(fā)電機檢修的效率、效果正在逐年提升。

2 水輪發(fā)電機檢修存在的問題

隨著水電機組單機裝機容量的持續(xù)增長，水電設備結構、狀態(tài)、故障機理也日益復雜，當前基于水輪機組開發(fā)的系統(tǒng)中仍存在一定的問題。

首先，狀態(tài)檢修系統(tǒng)進行故障診斷的依據(jù)較為單一，容易發(fā)生誤判的情況，應根據(jù)當前水輪發(fā)電機故障發(fā)生的機理，提取為廣泛的、具有評價意義的參數(shù)，提升診斷效果；其次，水輪發(fā)電機的健康標準過于模式化，忽略了實際采集數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的融入，使得系統(tǒng)自身所儲備的數(shù)據(jù)庫不能夠根據(jù)水輪發(fā)電機的制造、安裝、運行的異同進行正確的判斷，引入更多的智能技術，形成發(fā)達的“神經(jīng)性”狀態(tài)監(jiān)測，有利于提升檢修系統(tǒng)的準確性[2]；第三，水輪機與汽輪機不同，屬于低速旋轉機械，因此對其開展狀態(tài)監(jiān)測，應滿足良好的低頻響應特征，并符合動靜態(tài)的指標。當前所選用的傳感元件的可信度有待提高，其對低頻信息的捕捉效果不高。且各單位在選擇傳感器也沒有統(tǒng)一的標準和規(guī)范，影響實際測試效果。

3 水輪發(fā)電機檢修系統(tǒng)的設計與關鍵技術分析

3.1 水輪發(fā)電機檢修系統(tǒng)的設計

針對水輪發(fā)電機檢修存在的問題，以物聯(lián)網(wǎng)技術、無線傳感技術、計算機智能管理技術為依托，并結合對時下水輪發(fā)電機故障發(fā)生機理，筆者設計了一種水輪發(fā)電機在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的系統(tǒng)。它通過三個關鍵步驟完成對水輪發(fā)電機的檢修。第一階段，以無線傳感技術為基礎，在水輪發(fā)電機組中布設測點。測點的布設要以完整的感知為核心，考慮測點損失的可能，留足余量。同時結合信號分析、全息譜分解技術完成水輪發(fā)電機當前工況的實時感知和采集；第二階段為工況數(shù)據(jù)信息的分析和對比，從而完成對水輪發(fā)電機工況的判斷，是否處于良好工作的狀態(tài)。這部分的基礎是建立完整的數(shù)據(jù)庫，且數(shù)據(jù)庫的內容應是持續(xù)擴增的。它應包括水輪發(fā)電機的基礎數(shù)據(jù)：出廠參數(shù)、安裝方式、運行機理等；歷史數(shù)據(jù)：該水輪發(fā)電機的過往檢修數(shù)據(jù)、運行狀況等；專家?guī)?、案例庫：多個專家所提供了的知識和經(jīng)驗以及其他水輪發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的案例等。第三階段就是根據(jù)第二階段所判斷的水輪發(fā)電機的工況智能發(fā)出預警，并提出故障的處理方案，安排工作人員執(zhí)行故障排除[3]。總體來說，水輪發(fā)電機的檢修系統(tǒng)由前端傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、在線監(jiān)控終端以及上位機構成。

3.2 水輪發(fā)電機檢修系統(tǒng)的關鍵技術分析

筆者以某水電站單機發(fā)電量為500MW的水輪機的狀態(tài)檢修為例，探討所設計的水輪發(fā)電機檢修系統(tǒng)的關鍵技術。根據(jù)水輪發(fā)電機檢修系統(tǒng)的構成可以看出，其關鍵技術包括兩個方面：一是以物聯(lián)網(wǎng)的傳感技術為核心的狀態(tài)監(jiān)測技術，二是以全息譜分解技術結合大數(shù)據(jù)技術的故障診斷。

3.2.1 以物聯(lián)網(wǎng)技術為核心的狀態(tài)監(jiān)測技術分析

狀態(tài)監(jiān)測顧名思義就是通過采集水輪發(fā)電機的實時工況以備故障診斷使用，提升故障的預防和控制。它由兩個關鍵的組件構成，即傳感器和數(shù)據(jù)采集單元。傳感器是狀態(tài)監(jiān)測的眼睛和手，它代替人工進行水輪發(fā)電機的數(shù)據(jù)收集?？傮w來說，目前使用的傳感器種類眾多，如電渦流傳感器、壓力脈動傳感器等，不同的傳感器類型其傳感測量精度也有所區(qū)別。傳感器應能夠采集包括擺度、震動、壓力脈動、氣隙等重要參數(shù)。隨著“中國智造”的發(fā)展，一批性能良好的國產傳感器正在迅速的占領市場。本系統(tǒng)所選取的傳感器的基本原則是能夠充分采集水輪發(fā)電機的低頻信號，并能夠實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集，減少傳感器的測點損失。同時因為所需采集的參數(shù)類型較多，應根據(jù)水輪發(fā)電機不同部位的監(jiān)測需求，配置相應的傳感器的類型[4]。數(shù)據(jù)采集單元，它根據(jù)傳感器傳入的信號進行數(shù)據(jù)收集，并與上位機相連。為了方便進行靈活的配置和處理，數(shù)據(jù)采集單元按照模塊化的結構進行設計，并采用自適應鎖相環(huán)技術，減少信號泄露和柵欄效應，實現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)采集；上位機，檢修系統(tǒng)的總控制端，它以開放式的分層分布式的以太網(wǎng)進行網(wǎng)絡結構布局，接受數(shù)據(jù)采集器的信號，利用在在線監(jiān)控終端并進行集中的處理和分析。

與此同時，本文選擇GPRS技術、ZigBee技術作為無線數(shù)據(jù)通訊技術。ZigBee技術它是一種新型的雙向網(wǎng)絡傳輸技術，在工作狀態(tài)中能耗低、傳輸速率高，并且具有幾項的網(wǎng)絡拓撲能力，實現(xiàn)網(wǎng)絡自愈，減少因為信號中斷而造成的數(shù)據(jù)采集缺失。而GPRS可以向上與監(jiān)控終端、上位機建立連接，實現(xiàn)信息的融合。具體的信息融合與處理的過程如圖1所示。

3.2.2 以全息譜分解技術為核心的故障診斷技術

本檢修系統(tǒng)的故障診斷的方式以全息譜分解技術與非線性分析技術為基礎的。根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測所采集的信號數(shù)據(jù)，與儲存在系統(tǒng)內部的基礎信息數(shù)據(jù)庫、歷史信息數(shù)據(jù)庫為判斷依據(jù)，分析水輪機當前發(fā)生的故障以及可能存在的潛在威脅和影響，并結合專家數(shù)據(jù)庫、案例庫的解決模型，推理判斷出最適合的發(fā)電機故障處理方案，安排工作人員進行及時的處理。全息譜分解技術與傳統(tǒng)的頻譜分析技術相比，增加了對相位信息的處理，它是一種將時域信號變換至頻域加以分析的方法。其把復雜的時間歷程波形，經(jīng)過傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究，以獲得信號的頻率結構以及各諧波和相位信息，以頻率坐標軸表示，進而分析其頻率特性。其基本的工作方式就是通過監(jiān)測信號建立頻譜分析模型[5]，提取頻率的特征幅值形成軌跡圖，根據(jù)模糊理論判斷水輪機的狀況信息。這種方式可以同時對監(jiān)測系統(tǒng)傳遞的多個信號進行綜合的分析，例如水輪發(fā)電機的振動信號是由兩個相互垂直的信號構成的，它可以將兩個信號在坐標軸中表示，借以分析發(fā)電機軸心的振動軌跡。當故障發(fā)生時，水輪機的工況數(shù)據(jù)則呈現(xiàn)出非線性分布的特征，運用FFT、奇異譜、偏微分等理論，就可以提前提取故障預兆信號，更早的作出預警和處理。

3.2.3 檢修的實證分析

（c）錐管監(jiān)測點處

如圖2為某水電站單機發(fā)電量為500MW的水輪機，通過狀態(tài)監(jiān)測獲得的壓力脈動變化的監(jiān)測結果。根據(jù)水輪機組的工作機理，需要對其壓力脈動開展狀態(tài)監(jiān)測，當壓力脈動產生較大的負荷偏移時，則會造成水輪機頂蓋震動，影響其正常工作。為此分別在水輪機組的頂蓋、蝸殼、尾水錐管處布設不同數(shù)量的壓力脈動傳感器。

根據(jù)傳感器采集到的信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)控終端，采用全息譜分解技術進行數(shù)據(jù)判斷和處理。根據(jù)信號采集結果發(fā)現(xiàn)水輪機頂蓋出現(xiàn)振動異常，尋找異常的原因，具體處理辦法如下：首先改變負荷值對分置于水輪機頂蓋（A/B）、蝸殼、尾水錐管處的監(jiān)測信號進行處理，獲得壓力脈動的波形圖及壓力脈動幅值的方差隨負荷的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)4個監(jiān)測點的負荷值下時頻分布規(guī)律基本穩(wěn)定。其次，運用加窗平均周期圖全息譜分解，四處頻域均主要為機組轉頻與渦帶頻率，沒有發(fā)現(xiàn)其他特殊頻帶，故可以判斷，頂蓋振動超標的原因與信號異常無關。分析壓力脈動前后變化的比值，與數(shù)據(jù)庫中所存儲的壓力脈動合同保證值進行對比可以發(fā)現(xiàn)，其已經(jīng)遠遠超過該數(shù)值。并在出力達到500MV時發(fā)生突變，由此可以判斷由于壓力脈動的負荷產生了較大的偏移，從而導致頂蓋振動超出保證值。系統(tǒng)根據(jù)專家?guī)臁咐龓旒皻v史信息得出修正方案，用常規(guī)泄水錐代替柱狀泄水錐，并調整出水出上冠厚度。根據(jù)修正方案運用系統(tǒng)進行模擬調整，在確定方案的準確性后，安排人員進行實施。并在完成檢修后，獲取檢修后的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進行全息譜分解分析。

4 結 論

水輪發(fā)電機是水力發(fā)電的關鍵設備，針對其開展實時在線監(jiān)測和故障診斷的檢修系統(tǒng)的研究有利于提升其工作效率，降低水力發(fā)電安全事故的發(fā)生。隨著科技的發(fā)展，水輪發(fā)電機的檢修系統(tǒng)以現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，結合物聯(lián)網(wǎng)傳感技術、信息采集技術、全息譜分解技術等實現(xiàn)了對水輪機的遠程狀態(tài)檢修，并能提供更加精準、有效的故障解決法方案，成功改變傳統(tǒng)事后檢修的劣勢。

參考文獻：

[1] 袁洋.水輪發(fā)電機組的狀態(tài)檢修與定期檢修 [J].城市建設理論研究：電子版，2016（30）：15-16.

[2] 張青山.水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機組的狀態(tài)檢修方式研究 [J].中國科技投資，2017（14）：22-23.

[3] 張云青.淺談狀態(tài)檢修在水輪發(fā)電機組中的應用 [J].文摘版：工程技術，2015（02）：99.

[4] 林春樹，易雄.淺析水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與智能故障診斷系統(tǒng)的應用 [J].工程技術：引文版，2016（11）：00051.

[5] 周俊.水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組成及應用探討 [J].低碳世界，2016（16）：63-64.

作者簡介：區(qū)茂信（1987.09—），男，江門臺山人，大專，電力工程電氣助理工程師，畢業(yè)于廣東水利電力職業(yè)技術學院。研究方向：水電。