水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性檢測(cè)與故障探究

李多龍

（云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司梨園發(fā)電分公司，云南 昆明 650228）

水輪發(fā)電機(jī)組是水電廠重要設(shè)備，它的穩(wěn)定性不僅直接關(guān)系到電廠設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，還會(huì)直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電網(wǎng)效益。隨著水輪發(fā)電機(jī)組的增多，質(zhì)量也開始出現(xiàn)問題，因?yàn)樵O(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行等方面不合格造成設(shè)備運(yùn)行頻率不適當(dāng)，引發(fā)水輪發(fā)電機(jī)組局部出現(xiàn)共振和擺振。所以研究水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性具有重要的實(shí)際價(jià)值。筆者總結(jié)水輪發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性存在問題，分析其中原因，針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)和故障特點(diǎn)針對(duì)性提出診斷策略。

1 影響水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定的基本因素

1.1 設(shè)計(jì)方面

一些電廠為了追求過高的能量指標(biāo)，過度提高水輪機(jī)和機(jī)組的效率，選擇不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方案。一個(gè)原因是選擇水輪發(fā)電機(jī)組同步轉(zhuǎn)速時(shí)沒有進(jìn)行深入分析，讓發(fā)電機(jī)最高和最低水頭比例不恰當(dāng)，超過正常范圍；另一原因是發(fā)電機(jī)組補(bǔ)氣措施過于薄弱，導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組不穩(wěn)定范圍增加，超過正常范圍35%以上，部分發(fā)電機(jī)組甚至超過75%。導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)時(shí)間處于漩渦運(yùn)動(dòng)中，強(qiáng)大壓力脈動(dòng)和空腔脫流容易出現(xiàn)強(qiáng)力振動(dòng)，情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致水錘脫落。

1.2 電網(wǎng)電源

因?yàn)樗啺l(fā)電組長(zhǎng)期承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用的任務(wù)，所以水輪發(fā)電機(jī)經(jīng)常會(huì)偏離額定范圍運(yùn)行。在復(fù)雜情況下水輪發(fā)電機(jī)輪轉(zhuǎn)進(jìn)出口出現(xiàn)異常，高負(fù)荷沖擊干擾區(qū)、低負(fù)荷振動(dòng)區(qū)和補(bǔ)氣區(qū)情況時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致機(jī)組軸系運(yùn)行狀態(tài)不佳，軸承系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)功能逐漸失效，機(jī)組性能不穩(wěn)定加劇。

1.3 上下游水位和運(yùn)行水頭變化

在水電站計(jì)劃和投產(chǎn)時(shí)期，上下游水位、運(yùn)行水頭經(jīng)常發(fā)生變化，使得水輪發(fā)電機(jī)無法保持在最佳狀態(tài)，這是影響水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性的重要原因。因?yàn)樗啓C(jī)只能在固定范圍運(yùn)行，所以在低水頭低負(fù)荷、高水頭負(fù)荷情況下會(huì)發(fā)生撞擊、脫流，出現(xiàn)強(qiáng)烈沖擊振動(dòng)，嚴(yán)重情況還會(huì)出現(xiàn)穿透性裂紋。

2 造成水輪發(fā)電機(jī)組不穩(wěn)定的原因

水輪發(fā)電機(jī)組不穩(wěn)定原因歸結(jié)起來可以分成三個(gè)方面：水輪發(fā)電機(jī)組的水利干擾、機(jī)械干擾、電磁干擾。

2.1 水利干擾

水力穩(wěn)定性會(huì)直接影響到水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性，這是水電機(jī)組的特征之一。從水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)分析包括：不均勻的水力隨機(jī)振動(dòng)、卡門渦列引起的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片渦振、上下迷宮環(huán)不規(guī)則振動(dòng)、高水頭低負(fù)荷尾水管渦帶造成的低頻振動(dòng)等。這些振動(dòng)特征會(huì)反應(yīng)在水輪發(fā)電機(jī)組軸系、軸承系統(tǒng)、支撐部件、水輪機(jī)及其過流部件的壓力鋼管、迷宮環(huán)、頂蓋等設(shè)備上，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響廠房基礎(chǔ)，造成水輪發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

2.2 機(jī)械干擾

水輪發(fā)電機(jī)組是低轉(zhuǎn)速機(jī)械設(shè)備，如果其結(jié)構(gòu)、制造、安裝等方面存在問題會(huì)造成機(jī)組運(yùn)行過程中時(shí)軸不對(duì)中、曲折、傾斜、間隙過大、支撐部件受力不均勻、固定機(jī)架剛度不夠和機(jī)械徑向力增大的周期性振動(dòng)、非周期性振動(dòng)或者強(qiáng)烈共振。這些變化信號(hào)會(huì)集中在機(jī)組軸承、轉(zhuǎn)子軸系等設(shè)備上反應(yīng)，進(jìn)一步影響水輪發(fā)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)。

2.3 電磁干擾

電磁干擾也是影響水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定的因素之一，根據(jù)情況可分為兩類：轉(zhuǎn)頻振動(dòng)和極頻振動(dòng)，這種兩種振動(dòng)形成電磁振動(dòng)。

其中轉(zhuǎn)頻振動(dòng)是因?yàn)檗D(zhuǎn)子外圓和定子內(nèi)腔不圓、轉(zhuǎn)子靜定無法平衡引起的定轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻而導(dǎo)致，這種強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)頻激擾力是導(dǎo)致機(jī)組的主要震源之一。極頻震動(dòng)是由于水輪發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期工作而產(chǎn)生，機(jī)器內(nèi)部受熱膨脹，這種變化會(huì)造成各個(gè)部位內(nèi)應(yīng)力變化不一致，導(dǎo)致定子鐵芯整體結(jié)構(gòu)變化，鋼片松動(dòng)。

并且，定子鐵芯的徑向、組合縫超過臨界切向應(yīng)力，造成機(jī)器組合縫疊片不穩(wěn)定，當(dāng)機(jī)組空載運(yùn)行、冷態(tài)運(yùn)行時(shí)還會(huì)出現(xiàn)猛烈的定子振動(dòng)。這些電磁振動(dòng)會(huì)反應(yīng)在機(jī)組軸承、轉(zhuǎn)子軸系、固定部件的上下機(jī)架等設(shè)備上影響水輪發(fā)電組整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3 水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷

3.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)其性能的三大指標(biāo)之一，有三個(gè)參數(shù)：機(jī)組擺渡、機(jī)組振動(dòng)、機(jī)組的水力特征參數(shù)，檢測(cè)和診斷機(jī)組運(yùn)行除了這三個(gè)參數(shù)外還需要考慮發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)相關(guān)系數(shù)、推力軸承相關(guān)參數(shù)，全方位檢測(cè)機(jī)組?？紤]到水輪發(fā)電機(jī)組的故障原因和信號(hào)特點(diǎn)，可以從機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系、機(jī)組過流部件、推力軸承、機(jī)組噪音等在機(jī)組運(yùn)動(dòng)中的表現(xiàn)來確定。

（1）機(jī)組導(dǎo)軸承和轉(zhuǎn)子軸系。這一項(xiàng)主要檢測(cè)轉(zhuǎn)子軸系運(yùn)行和軸承運(yùn)行狀態(tài)兩方面，在機(jī)組三部導(dǎo)軸承上根據(jù)上導(dǎo)處、下導(dǎo)處、水導(dǎo)處設(shè)置六個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析機(jī)組擺度的時(shí)域、相位、軸系運(yùn)行軌跡等信息；可以選擇軸承油盆進(jìn)出口油溫、油位、導(dǎo)軸承瓦的瓦溫、冷卻器水進(jìn)出口的水壓、水溫等信息分析附設(shè)系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)子軸系穩(wěn)定性的影響效果，從而進(jìn)一步分析影響因素。

（2）發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)。檢測(cè)發(fā)電機(jī)組電磁振動(dòng)是檢測(cè)機(jī)組運(yùn)行過程中電氣參數(shù)、定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)狀態(tài)的重要依據(jù)。發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)頻振動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)目有發(fā)電機(jī)氣隙、轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡、定轉(zhuǎn)子整體溫度等；發(fā)電機(jī)極頻振動(dòng)檢測(cè)是檢查定子鐵芯是否松動(dòng)、組合縫是否穩(wěn)定。根據(jù)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和具體尺寸，在定子槽選擇4～8 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過分析得出定轉(zhuǎn)子具體狀態(tài)、氣隙變化和其他變化信號(hào)，從而分析水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)和變化趨勢(shì)。

（3）機(jī)組噪音。水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)噪音，一方面會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，另一方面也是分析機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定的重要數(shù)據(jù)。要根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)和尺寸在水輪機(jī)和尾水管等部分進(jìn)行噪音檢測(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 信號(hào)分析

水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備信號(hào)可以分為三類：周期信號(hào)、非周期信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)。水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)集中低頻隨機(jī)信號(hào)，根據(jù)這一特點(diǎn)可以分析出機(jī)組運(yùn)行的周期，這種分析方式比較特殊也具有一定難度。還可以采集機(jī)組振動(dòng)、擺度、壓力等信息，多方面檢測(cè)信號(hào)，提高檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性。在處理信號(hào)時(shí)尤其要重視低頻隨機(jī)信號(hào)，可以借助低頻濾波、混合濾波等技術(shù)。

依據(jù)機(jī)組運(yùn)動(dòng)設(shè)備穩(wěn)定性信號(hào)檢測(cè)機(jī)組運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是目前常用的檢測(cè)方式，因?yàn)樗啓C(jī)組屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，具有自身獨(dú)特性，所以在進(jìn)行信號(hào)分析時(shí)要對(duì)時(shí)域、頻域、時(shí)差域等信號(hào)做分析。還要分析水輪發(fā)電機(jī)組自身的獨(dú)特信號(hào)，包括幅值域、軸心軌跡、軸線運(yùn)動(dòng)軌跡等、極坐標(biāo)等信息。利用機(jī)械信號(hào)分析功能和水輪發(fā)電機(jī)組的獨(dú)特信號(hào)可以全面分析機(jī)組整體穩(wěn)定性，建立信號(hào)分析模塊，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)子軸系、過流部件、固定部件等部位分析，可以得出機(jī)組穩(wěn)定實(shí)際情況和故障特征。

3.3 故障診斷專家系統(tǒng)

利用水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性信號(hào)可以及時(shí)找出機(jī)組特征信號(hào)和故障特征，這是分析機(jī)穩(wěn)定性故障的基礎(chǔ)，然后借助專家系統(tǒng)完成故障診斷和機(jī)組運(yùn)行趨勢(shì)分析。

檢測(cè)機(jī)組設(shè)備故障的方式很多，例如：專家系統(tǒng)的診斷、模糊理論的診斷、灰色理論的診斷、神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)診斷，這些診斷方式都有自身特點(diǎn)，適用不同情況?，F(xiàn)在多數(shù)發(fā)電機(jī)廠會(huì)選擇專家系統(tǒng)系統(tǒng)，這種診斷方式雖然有一定欠缺，但是在知識(shí)表示和獲取、推理機(jī)制、控制策略等方面具有較為豐富的理論知識(shí)，這讓專家系統(tǒng)診斷具有可靠性。

因?yàn)樗啺l(fā)電機(jī)組比較復(fù)雜、層次多、各部件藕聯(lián)性強(qiáng)，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行中各個(gè)部分信號(hào)會(huì)相互干擾和作用，診斷結(jié)果不確定。檢測(cè)要重視時(shí)效性，盡量得出單一性結(jié)果，所以給檢測(cè)帶來很大壓力。所以，其他故障檢測(cè)方法要適當(dāng)融合到診斷專家系統(tǒng)中，形成子系統(tǒng)得出診斷意見，然后融合成綜合診斷結(jié)果，得出狀態(tài)檢修結(jié)果。

4 結(jié)語

水輪發(fā)電機(jī)組是國(guó)內(nèi)外水力發(fā)電廠中經(jīng)常使用的設(shè)備，其穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和安全性。水力不穩(wěn)定是導(dǎo)致水輪發(fā)電組穩(wěn)定性不足的最常見因素，因?yàn)樗υ蛟斐蛇^流部件變化?？梢愿鶕?jù)檢測(cè)信號(hào)集中反應(yīng)部分進(jìn)行劃分，從導(dǎo)軸承和轉(zhuǎn)子軸系、機(jī)組過流部件、機(jī)組固定部件等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組特征選擇和布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)和處理。分析水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性故障特征和特有的復(fù)雜性，應(yīng)該根據(jù)地域特點(diǎn)選擇和水電廠機(jī)組運(yùn)行相適應(yīng)的診斷方式，如診斷專家系統(tǒng)，提高檢測(cè)的效率。