基于大數(shù)據(jù)的水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)分析

邱志勤

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

水輪發(fā)電機(jī)組是水電站的關(guān)鍵設(shè)備之一，其穩(wěn)定運(yùn)行是水電站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，也直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全運(yùn)行，決定著水電廠的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。二灘水電站單機(jī)容量大、調(diào)節(jié)性能好、機(jī)組運(yùn)行效率高，是川渝電網(wǎng)的主力電站，承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)峰、調(diào)壓、斷面潮流控制及事故備用的任務(wù)。為滿(mǎn)足系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)壓和調(diào)峰工作需要，電網(wǎng)需要二灘水電站機(jī)組頻繁變動(dòng)出力以參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，這對(duì)二灘水電站機(jī)組的運(yùn)行可靠性、調(diào)節(jié)速率與響應(yīng)時(shí)間等都提出了更高的要求，也必然會(huì)加劇機(jī)組的機(jī)械疲勞和磨損老化，另外水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中，還難免要受到泥沙磨損、氣蝕破壞等影響，客觀上需要電站生產(chǎn)運(yùn)行人員能深入了解機(jī)組的運(yùn)行振動(dòng)特性，準(zhǔn)確掌握機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，有效評(píng)估設(shè)備健康水平，從而科學(xué)的進(jìn)行運(yùn)行調(diào)控和檢修決策，避免對(duì)機(jī)組狀態(tài)掌握不足而導(dǎo)致的設(shè)備事故。

分析評(píng)估水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，可以從其運(yùn)行振動(dòng)和擺度數(shù)據(jù)著手，掌握和評(píng)估其運(yùn)行振動(dòng)水平，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在缺陷和隱患，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)組運(yùn)行方式或及時(shí)安排機(jī)組檢修，防范于未然。

1 大數(shù)據(jù)分析方法的必要性

1.1 常規(guī)分析方式的運(yùn)用

2003年，二灘電廠委托華中科技大學(xué)對(duì)二灘水電站機(jī)組振動(dòng)課題做了專(zhuān)題研究，其研究成果揭示了二灘水電站機(jī)組運(yùn)行的相關(guān)特性，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)分析有一定的指導(dǎo)意義。其研究方法為采集機(jī)組不同負(fù)荷工況下的機(jī)組振動(dòng)分析參量的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，然后在二維平面里將不同的振動(dòng)分析參量連點(diǎn)成線(xiàn)，繪制機(jī)組振動(dòng)參量隨機(jī)組負(fù)荷的變化趨勢(shì)曲線(xiàn)，進(jìn)而分析了機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)[1-3]。這種研究方法由于數(shù)據(jù)具有離散性，只采集和分析了一部分的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，且部分變量的采集數(shù)據(jù)值還有可能存在漂移偏差，僅能在一定程度上反映機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)趨勢(shì)，并不能反映機(jī)組在不同水頭、不同負(fù)荷等多個(gè)變量下的完整運(yùn)行特性。為全面分析機(jī)組在不同變量環(huán)境下的運(yùn)行振動(dòng)狀態(tài)，需要對(duì)機(jī)組不同時(shí)段、不同水頭、不同出力條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行海量采集，盡最大可能從統(tǒng)計(jì)學(xué)上消除因明顯的機(jī)組故障和測(cè)量方式方法引起的數(shù)據(jù)偏差，避免導(dǎo)致的對(duì)機(jī)組振擺數(shù)據(jù)分析誤判的影響[4-5]。

1.2 機(jī)組穩(wěn)定性問(wèn)題凸顯和工況變化

二灘水電站機(jī)組最大水頭189 m，最小水頭 135 m，變幅比1.37，具有典型水頭高、變幅大的特點(diǎn)。由于機(jī)組頻繁參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻，有功出力大幅變化且調(diào)節(jié)頻繁，導(dǎo)致機(jī)組經(jīng)常性偏離最優(yōu)工況運(yùn)行，其穩(wěn)定性問(wèn)題相對(duì)突出。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，僅2016年，二灘水電站機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)頻繁報(bào)警的缺陷就有32例，電站自投產(chǎn)以來(lái)一共開(kāi)展過(guò)12次機(jī)組A級(jí)檢修，歷年檢修原因統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。經(jīng)分析，主要在于偏離機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行工況后，導(dǎo)致機(jī)組汽蝕磨損，設(shè)備老化加劇。另外，水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了多次檢修調(diào)整和設(shè)備改造過(guò)后，機(jī)組原有的運(yùn)行特性或可能已發(fā)生變化，尤其是機(jī)組運(yùn)行診斷區(qū)間或已發(fā)生偏移，為進(jìn)一步掌握機(jī)組的運(yùn)行特性，有效指導(dǎo)電站機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行工作，有必要對(duì)機(jī)組的歷史運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和歸納總結(jié)。

表1 歷年二灘水電站機(jī)組A級(jí)檢修統(tǒng)計(jì)

2 R語(yǔ)言數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的運(yùn)用

2.1 R語(yǔ)言的介紹

二灘水電站機(jī)組振動(dòng)運(yùn)行數(shù)據(jù)龐大，且數(shù)據(jù)格式不完全一致，需要按一定的規(guī)律對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選或運(yùn)算，用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也難以達(dá)到預(yù)期效果，但借助R語(yǔ)言數(shù)據(jù)分析平臺(tái)可快速繪制所需的圖形。

R語(yǔ)言是用于統(tǒng)計(jì)分析、繪圖的語(yǔ)言和操作環(huán)境。R語(yǔ)言作為統(tǒng)計(jì)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)制圖的優(yōu)秀工具，能處理數(shù)據(jù)的收集、運(yùn)算、探索、建模、可視化方面的工作；以能創(chuàng)建漂亮優(yōu)雅的圖形而聞名，已經(jīng)成了統(tǒng)計(jì)、預(yù)測(cè)分析和數(shù)據(jù)可視化的全球通用語(yǔ)言，也是現(xiàn)今最受歡迎的數(shù)據(jù)分析和可視化平臺(tái)之一[6]，其主要的特性有：

(1)R語(yǔ)言可以輕松地從各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)源導(dǎo)入數(shù)據(jù)，包括文本文件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)軟件，乃至專(zhuān)用的數(shù)據(jù)庫(kù)，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和批量運(yùn)算。

(2)R語(yǔ)言是一個(gè)全面的統(tǒng)計(jì)研究平臺(tái)，提供了各式各樣的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，幾乎任何類(lèi)型的數(shù)據(jù)分析工作皆可在R語(yǔ)言中完成。

(3)R語(yǔ)言擁有頂尖水準(zhǔn)的制圖功能，可以將復(fù)雜數(shù)據(jù)可視化。

2.2 數(shù)據(jù)處理和振動(dòng)趨勢(shì)擬合

提取二灘水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中2015年7月～2017年8月的各機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)，共計(jì)23.2萬(wàn)余個(gè)CSV的文本格式文件，數(shù)據(jù)容量高達(dá)26 GB，約8 160萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。將每臺(tái)機(jī)組的水頭、功率、機(jī)組各部位的振動(dòng)和擺度數(shù)據(jù)按時(shí)刻點(diǎn)做成一個(gè)R語(yǔ)言可以輸入的文件。將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入R語(yǔ)言平臺(tái)，并對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除掉機(jī)組運(yùn)行明顯異常的數(shù)據(jù)，有效避免對(duì)運(yùn)行特性分析的影響。

二灘水電站共有6臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷區(qū)間為0～550 MW，運(yùn)行水頭區(qū)間為147～186 m，為更詳細(xì)的分析機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)情況，將機(jī)組水頭按2 m左右分為一段，共分為15段，分別繪制機(jī)組水導(dǎo)、上導(dǎo)、下導(dǎo)、上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋等部位在各水頭段下的全負(fù)荷工況下的運(yùn)行振動(dòng)工況圖，共繪制990張圖，其中每一臺(tái)機(jī)組165張，然后對(duì)這些圖像進(jìn)行逐一解析，可總結(jié)出其運(yùn)行振動(dòng)規(guī)律。以1、2號(hào)機(jī)組為例，繪制典型水頭水導(dǎo)擺度與機(jī)組有功功率之間的數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖如圖1、2所示。

圖1 1號(hào)機(jī)水導(dǎo)+X方向擺度與機(jī)組有功功率關(guān)系(選取177 m水頭)

圖2 2號(hào)機(jī)水導(dǎo)+X方向擺度與有功功率關(guān)系(選取151 m水頭)

3 機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)特性分析

借助R語(yǔ)言平臺(tái)，可以將機(jī)組運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)繪制成開(kāi)展設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析所需要的數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖，便于電站生產(chǎn)運(yùn)行人員對(duì)機(jī)組運(yùn)行特性進(jìn)行分析，例如從圖1中，不難發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組水導(dǎo)擺度在設(shè)計(jì)振動(dòng)區(qū)間外呈現(xiàn)出的運(yùn)行規(guī)律為，在低負(fù)荷工況下水導(dǎo)擺度隨有功增加而增加，在大負(fù)荷工況下水導(dǎo)擺度隨有功增加而減小，在機(jī)組設(shè)計(jì)針對(duì)區(qū)邊緣附近時(shí)水導(dǎo)擺度幅值最大，且機(jī)組實(shí)際運(yùn)行振動(dòng)區(qū)邊界較為清晰，具備以海量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，復(fù)核并修正機(jī)組設(shè)計(jì)振動(dòng)區(qū)間的可行性。

3.1 機(jī)組振動(dòng)區(qū)邊緣運(yùn)行特性分析

3.1.1 運(yùn)行分析

研究發(fā)現(xiàn)，在部分水頭下，機(jī)組運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)以外的邊緣區(qū)域時(shí)，如小負(fù)荷運(yùn)行區(qū)靠上限區(qū)域、大負(fù)荷運(yùn)行區(qū)靠下限區(qū)域，表現(xiàn)出機(jī)組振動(dòng)、擺度偏大的情況，且6臺(tái)機(jī)組表現(xiàn)出一致的特點(diǎn)，如圖1、2所示。

機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)邊沿且振動(dòng)值較大時(shí)，會(huì)引起磁拉力不均衡，造成轉(zhuǎn)子磁極匝間短路，引起機(jī)組連接部件松動(dòng)、脫落，發(fā)生設(shè)備損壞事故，以及金屬部件的疲勞，從而出現(xiàn)裂紋，甚至形成裂縫直至斷裂等故障。

現(xiàn)有振動(dòng)區(qū)劃分方式和AGC分配負(fù)荷邏輯會(huì)導(dǎo)致機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)邊緣。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，二灘水電站機(jī)組運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)邊沿的時(shí)間約占機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間的14%。

3.1.2 解決辦法

GB/T 11348.5—2008《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)定 第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組》中將機(jī)組振擺值分為A、B、C、D共4個(gè)區(qū)間，所有振擺值都在A區(qū)范圍內(nèi)的機(jī)組稱(chēng)為A區(qū)機(jī)組，以此類(lèi)推。即通過(guò)A、B、C、D來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)組的振動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)國(guó)標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)分為4個(gè)區(qū)域分別為：A區(qū)，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好，屬于精品機(jī)組，不需要檢修調(diào)整，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；B區(qū)，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)合格，可以進(jìn)行檢修調(diào)整，機(jī)組可長(zhǎng)期運(yùn)行；C區(qū)，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)不好，報(bào)警，需要進(jìn)行檢修調(diào)整，在該狀態(tài)下機(jī)組不可以長(zhǎng)期運(yùn)行；D區(qū)，危險(xiǎn)，機(jī)組不可以長(zhǎng)期運(yùn)行，必須停機(jī)進(jìn)行檢修，在該狀態(tài)下運(yùn)行有很大危險(xiǎn)。

水輪機(jī)組振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)定區(qū)域示意如圖3所示。

圖3 機(jī)組振動(dòng)區(qū)域評(píng)價(jià)示意

根據(jù)圖3可知，二灘水電站機(jī)組振動(dòng)值在150 μm以下為A區(qū)，屬于精品運(yùn)行區(qū)域。為防止機(jī)組運(yùn)行進(jìn)入B區(qū)，可以結(jié)合大數(shù)據(jù)分析找出機(jī)組運(yùn)行在B區(qū)的點(diǎn)，通過(guò)對(duì)各機(jī)組的振動(dòng)區(qū)進(jìn)行微調(diào)，使機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行在A區(qū)范圍內(nèi)，以?xún)?yōu)化機(jī)組運(yùn)行工況。

3.2 機(jī)組振動(dòng)異常評(píng)估策略

從振動(dòng)幅值上來(lái)看三導(dǎo)軸承擺度幅值呈現(xiàn)如下規(guī)律：

(1)在小負(fù)荷區(qū)和大負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)，三導(dǎo)軸承的振擺關(guān)系，下導(dǎo)>水導(dǎo)>上導(dǎo)；

(2)在渦帶工況區(qū)水導(dǎo)的振動(dòng)值最大，三導(dǎo)軸承的振擺關(guān)系，水導(dǎo)?下導(dǎo)>上導(dǎo)；

(3)振動(dòng)幅值規(guī)律為三導(dǎo)軸承、頂蓋、機(jī)架的振動(dòng)幅值隨水頭增加而增加。

結(jié)合對(duì)機(jī)組各部振動(dòng)特征量運(yùn)行數(shù)據(jù)的總結(jié)，歸納出機(jī)組在小負(fù)荷區(qū)、渦帶工況區(qū)、大負(fù)荷區(qū)的振動(dòng)幅值范圍見(jiàn)表2，可以作為運(yùn)行監(jiān)視過(guò)程中對(duì)機(jī)組異常或振動(dòng)測(cè)量元器件是否損壞的判斷依據(jù)。

表2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下各部振動(dòng)幅值 μm

3.3 機(jī)組振動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律分析及運(yùn)行建議

通過(guò)R語(yǔ)言平臺(tái)，可突破傳統(tǒng)的二維平面分析局限，將機(jī)組運(yùn)行水頭、機(jī)組出力、振動(dòng)擺度幅值等多個(gè)變量納入到三維空間內(nèi)，繪制出機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)特性三維空間圖，便于電廠生產(chǎn)運(yùn)行人員綜合分析各機(jī)組各水頭下全負(fù)荷運(yùn)行特性，圖4和圖5分別為1號(hào)機(jī)組水導(dǎo)和頂蓋全水頭、全負(fù)荷工況下的振動(dòng)特性三維圖示例。

圖4 1號(hào)機(jī)水導(dǎo)全水頭全負(fù)荷振動(dòng)特性三維示意

圖5 1號(hào)機(jī)組頂蓋全水頭全負(fù)荷振動(dòng)特性三維示意

通過(guò)對(duì)不同機(jī)組不同變量下三維運(yùn)行特性圖的分析，可以深度挖掘水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行規(guī)律和運(yùn)行特性，也能發(fā)現(xiàn)一些設(shè)備潛在缺陷和隱患，更好的為電廠生產(chǎn)運(yùn)行提供技術(shù)支持。通過(guò)對(duì)二灘水電站不同機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)分析[7-10]，得出以下結(jié)論：

(1)一般情況下，二灘水電站機(jī)組在小負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，其振擺值大于大負(fù)荷運(yùn)行工況，二灘水電站機(jī)組更適合運(yùn)行在高負(fù)荷區(qū)。

(2)二灘水電站機(jī)組存在兩個(gè)振動(dòng)峰值區(qū)。第一個(gè)在機(jī)組的最強(qiáng)渦帶振動(dòng)區(qū)210～280 MW負(fù)荷區(qū)間；第二個(gè)位于機(jī)組在高水頭運(yùn)行370～400 MW負(fù)荷區(qū)間。在這兩個(gè)負(fù)荷區(qū)間，機(jī)組均有點(diǎn)位的振動(dòng)值或擺度值達(dá)到峰值，在手動(dòng)調(diào)整機(jī)組負(fù)荷跨越振動(dòng)區(qū)時(shí)，應(yīng)盡量避免機(jī)組在這兩個(gè)區(qū)間停留較長(zhǎng)時(shí)間。另外，建議進(jìn)一步研究監(jiān)控系統(tǒng)AGC負(fù)荷分配規(guī)則，考慮將此負(fù)荷調(diào)整邏輯加入監(jiān)控系統(tǒng)AGC程序，研究加快該負(fù)荷區(qū)域內(nèi)有功調(diào)節(jié)速率。

(3)機(jī)組在低水頭下，運(yùn)行在100 MW負(fù)荷情況下，各點(diǎn)位均出現(xiàn)振動(dòng)值增大的情況，呈現(xiàn)“小負(fù)荷振動(dòng)區(qū)”特性。雖然在此運(yùn)行工況下機(jī)組振擺值均在規(guī)定范圍內(nèi)，為使機(jī)組運(yùn)行情況更加良好，分配機(jī)組負(fù)荷時(shí)，建議盡量規(guī)避此工況。

(4)1號(hào)機(jī)組的上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)擺度值均偏大，6號(hào)機(jī)下導(dǎo)擺度值偏大，明顯大于其他機(jī)組，排除傳感器缺陷后，需要結(jié)合年度檢修工作對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢查處理。

4 結(jié) 論

水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)機(jī)理比較復(fù)雜，直觀判斷和簡(jiǎn)單的測(cè)試手段很難找到機(jī)組振動(dòng)運(yùn)行的規(guī)律和發(fā)現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)，而運(yùn)用R語(yǔ)言對(duì)機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，無(wú)疑是一個(gè)有效探索機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)規(guī)律和發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)隱患的方法。