水力發(fā)電廠水輪機(jī)振動(dòng)異常故障及處理對(duì)策

張楠

摘要：水力發(fā)電最常見的問題是水輪機(jī)振動(dòng)異常，其會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響，導(dǎo)致零件損壞甚至斷裂，嚴(yán)重危及人身安全。振動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)還可能出現(xiàn)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致整體設(shè)備出現(xiàn)故障，影響正常運(yùn)行。及時(shí)找出原因并合理解決至關(guān)重要，可有效保證水力發(fā)電廠的安全穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：水力發(fā)電廠;水輪機(jī);振動(dòng)異常;故障;對(duì)策

水輪機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)因一些因素導(dǎo)致出現(xiàn)振動(dòng)異常情況，需要對(duì)其進(jìn)行分析，合理處理。發(fā)生振動(dòng)異常情況后，不能只針對(duì)水輪機(jī)表面進(jìn)行分析，應(yīng)運(yùn)用科學(xué)合理的方法對(duì)其進(jìn)行全面分析，制訂有針對(duì)性的解決方案。要充分掌握水輪機(jī)構(gòu)造原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低水輪機(jī)振動(dòng)異常幾率，隨時(shí)記錄觀察水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，保證其正常運(yùn)行，提高運(yùn)行效率。

1水輪機(jī)振動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)組的影響

水力發(fā)電廠水輪機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)振動(dòng)是普遍現(xiàn)象，但是振動(dòng)頻率必須在可控范圍內(nèi)，這樣才不會(huì)阻礙水輪機(jī)正常運(yùn)行，如果振動(dòng)異常就會(huì)影響水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)損失及人身安全威脅等，主要影響包括以下幾方面：

水輪機(jī)振動(dòng)異?？赡軙?huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組的零件造成影響，使部分零件處于疲勞工作狀態(tài)，振動(dòng)嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致零件損壞，造成安全隱患。振動(dòng)異常時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)使發(fā)電機(jī)組零件連接出現(xiàn)松動(dòng)，加劇振動(dòng)頻率，導(dǎo)致連接位置出現(xiàn)斷裂或連接零件破損的情況。振動(dòng)異常會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)位置造成一定程度的磨損，振動(dòng)嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)位置溫度過高，燒壞轉(zhuǎn)動(dòng)位置的零件，使滑環(huán)與電刷之間的磨損程度增加，發(fā)生電刷冒火花的情況。振動(dòng)異常會(huì)對(duì)尾水管壁造成影響，使尾水管中水流脈動(dòng)壓力過大，導(dǎo)致管壁出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)整塊鋼板掉落現(xiàn)象。振動(dòng)異?？赡軙?huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致水力發(fā)電廠整體設(shè)備出現(xiàn)故障，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

2主要故障診斷方法的種類

2.1人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法及優(yōu)缺點(diǎn)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷的精髓是模擬大腦神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和認(rèn)知功能的數(shù)學(xué)模型?？陕?lián)想儲(chǔ)存、自學(xué)習(xí)、高速尋找優(yōu)化解，具備很強(qiáng)的自適應(yīng)性、魯棒性和容錯(cuò)性，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸入新故障狀態(tài)時(shí)能夠?qū)收献龀稣_的響應(yīng)，以達(dá)到對(duì)故障的準(zhǔn)確辨識(shí)和定位，讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在完成高度非線性和嚴(yán)重不確定系統(tǒng)的控制方面有了可能。

但該方法的智能診斷性能和推理能力會(huì)受到所選數(shù)據(jù)樣本大小的限制。并且不可避免地也會(huì)面臨以下難題：（1）很難去獲取訓(xùn)練的樣本。（2）忽略領(lǐng)域?qū)＜业脑\斷常識(shí)。（3）很難理解權(quán)重方式的表達(dá)。

2.2故障診斷專家系統(tǒng)診斷法及優(yōu)缺點(diǎn)

專家系統(tǒng)是利用某領(lǐng)域中一個(gè)或多個(gè)人類專家提供的知識(shí)和推理方法求解實(shí)際生活中困難問題的人工智能計(jì)算機(jī)程序，它也是人工智能運(yùn)用研究領(lǐng)域中最活躍、最普遍的分支之一。它具有學(xué)習(xí)能力，可以根據(jù)權(quán)威性的知識(shí)采用合適的策略，利用專家知識(shí)處理很難用數(shù)學(xué)模型描述的系統(tǒng)故障診斷問題，在此過程中的推理、判別、論斷的過程均可被智能計(jì)算機(jī)記憶保留下來，使診斷的可信度和權(quán)威性得到提高。但專家系統(tǒng)故障診斷分析方法也面臨以下問題：（1）信息量少;（2）缺乏系統(tǒng)性和綜合性的診斷方法;（3）出現(xiàn)故障模型建立不準(zhǔn)確的概率相對(duì)于其他幾個(gè)診斷方法相對(duì)較大，會(huì)直接影響診斷的準(zhǔn)確率;（4）系統(tǒng)在診斷過程中存在不穩(wěn)定現(xiàn)象;（5）由于振動(dòng)的復(fù)雜性等諸多因素，對(duì)水電廠水輪機(jī)組的故障機(jī)理研究起來很困難。因此，在實(shí)際運(yùn)用中，還存在著一定的限制性和弊端。

2.3模糊邏輯診斷法故障診斷及優(yōu)缺點(diǎn)

模糊邏輯診斷方法是用模糊邏輯描述故障原因與故障現(xiàn)象之間的模糊關(guān)系，利用隸屬函數(shù)和模糊關(guān)系方程可以很好地處理故障原因和狀態(tài)的識(shí)別問題。為了消除診斷過程中產(chǎn)生的不確定和不完整信息，使其更接近故障的客觀本質(zhì)，需要用模糊特征全面準(zhǔn)確地表達(dá)癥狀和故障特征，即：，只需找出某些癥狀的隸屬度，即可計(jì)算出其他故障原因的隸屬度。在處理不確定問題時(shí)，模糊知識(shí)庫(kù)可以使用語(yǔ)言變量來表達(dá)更多的解決方案和更易于理解的專家經(jīng)驗(yàn)，并且可以根據(jù)這些解決方案的模糊性來劃分優(yōu)先級(jí)。

然而，在復(fù)雜的診斷系統(tǒng)中，當(dāng)沒有合適的方法獲得相對(duì)準(zhǔn)確的隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則，或者存在太多的未知信息時(shí)，這種方法是無效的。此外，模糊邏輯診斷方法在復(fù)雜信息系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展受到以下原因的限制：（1）模糊數(shù)字模型難以建立和識(shí)別;（2）語(yǔ)言規(guī)則的獲取、遺忘和修改的理論和方法還比較薄弱。

2.5粗糙集理論

粗糙集理論是一種數(shù)據(jù)分析與處理理論，廣泛應(yīng)用于模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、故障診斷和決策分析等領(lǐng)域。在實(shí)際診斷的一般情況下，可以將粗糙集理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相結(jié)合。在信息預(yù)處理方面，首先利用粗糙集理論，然后建立匹配的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)，可以有效降低診斷系統(tǒng)的復(fù)雜度。例如，可以利用粗糙集理論方法對(duì)水輪機(jī)機(jī)組系統(tǒng)振動(dòng)故障樣本集進(jìn)行預(yù)處理。在預(yù)處理過程中，將自動(dòng)過濾出診斷所需的無用信息，從而在準(zhǔn)確簡(jiǎn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，簡(jiǎn)化訓(xùn)練樣本集，提取對(duì)系統(tǒng)故障診斷影響最大的幾個(gè)特征量，可以直接提取診斷規(guī)則。因此，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2.6遺傳算法

遺傳算法具有隱式并行性，能有效利用全局信息。利用種群的適應(yīng)度信息，從任意解出發(fā)，通過一系列相對(duì)簡(jiǎn)單的復(fù)制、交叉和變異操作，在較短時(shí)間內(nèi)以相對(duì)比較的概率找到全局最優(yōu)解。它是一種智能優(yōu)化算法。將該算法與BP網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，不僅可以發(fā)揮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身優(yōu)良的泛化和映射能力，而且可以使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更快的收斂速度和較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，體現(xiàn)全局尋優(yōu)性能，提高通用性，增加應(yīng)用范圍。然而，遺傳算法在水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用尚不多見。

3水力發(fā)電廠水輪機(jī)振動(dòng)異常處理對(duì)策

3.1水力原因處理對(duì)策

針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組內(nèi)部水力不平衡引起的異常振動(dòng)，應(yīng)采取控制水流量的方法，根據(jù)不同季節(jié)和時(shí)間的變化，合理制定水流量管理方案，減少水力不平衡對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行的影響。針對(duì)水輪機(jī)尾水管槽引起的異常振動(dòng)，在安裝水輪機(jī)設(shè)備時(shí)，有必要對(duì)尾水管槽進(jìn)行優(yōu)化，使其滿足正常運(yùn)行的要求，降低水輪機(jī)振動(dòng)的異常概率。

3.2電氣原因及對(duì)策

針對(duì)水輪機(jī)因靜氣隙引起的異常振動(dòng)，在安裝過程中應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量靜氣隙，采取合理的控制措施以保證轉(zhuǎn)子和定子的質(zhì)量，調(diào)整磁極間靜氣隙的空間位置，提高水輪機(jī)的承載能力和動(dòng)平衡精度?？紤]到動(dòng)態(tài)氣隙的影響，在加工水輪機(jī)零件時(shí)，應(yīng)提高精度，以保證零件的質(zhì)量。在水輪機(jī)運(yùn)輸過程中，做好保護(hù)工作，規(guī)范合理地進(jìn)行水輪機(jī)的安裝調(diào)試，后期維護(hù)還應(yīng)注重動(dòng)態(tài)氣隙，避免轉(zhuǎn)子磁極松動(dòng)，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

3.3機(jī)械原因及對(duì)策

鑒于機(jī)械軸不對(duì)稱引起水輪機(jī)異常振動(dòng)，水輪機(jī)的安裝應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求和規(guī)范進(jìn)行。對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)部件引起的振動(dòng)，在安裝調(diào)試過程中應(yīng)采取相應(yīng)的解決措施，避免轉(zhuǎn)子不平衡，保證其正常運(yùn)行。

結(jié)論

為了盡量滿足水電廠由計(jì)劃?rùn)z修到狀態(tài)檢修發(fā)展的實(shí)際需要，需要加大相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，不斷優(yōu)化我國(guó)故障診斷信息系統(tǒng)，使其變得更加的智能化、多元化和高效化。伴隨著當(dāng)今傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，水輪機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)水平在一直在提高。故而采用效果良好的振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，提高水輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)中水輪機(jī)振動(dòng)故障診斷和處理水平，將其控制在合格范圍內(nèi)，對(duì)水輪機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和提高整個(gè)水力發(fā)電站的效益具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚俊哲，于鵬鵬，袁鵬，徐孝輝，張金輝，王樹杰.潮流能水平軸水輪機(jī)振動(dòng)位移時(shí)間序列的自相似性研究[J].可再生能源，2020，38（03）：353-357.

[2]蒙祖義.水輪機(jī)“振動(dòng)異常增大”原因及處理方法研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2019（23）：54-55.

[3]次仁平措.反擊式水輪機(jī)振動(dòng)問題分析及其對(duì)西藏地區(qū)水電站工作的啟示[J].西藏科技，2015（11）：75-78.