水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦溫度及油質(zhì)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

曹仲　張官祥

摘要：軸承作為水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備的重要部件，其溫度升高將會(huì)使油質(zhì)裂化，直接影響冷卻、潤(rùn)滑性能和黏度，嚴(yán)重時(shí)將直接燒壞軸承。水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備故障診斷系統(tǒng)一般通過(guò)在早期階段檢測(cè)系統(tǒng)異常來(lái)防止水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重事故，該系統(tǒng)通過(guò)軸承相關(guān)部件的物理動(dòng)力學(xué)模型，如軸瓦和潤(rùn)滑油冷卻器來(lái)預(yù)測(cè)軸承溫度變化;模型中軸承間隙寬度，通過(guò)使用非線性優(yōu)化方法最小化軸承和油溫的測(cè)量值和計(jì)算值之間的差異來(lái)在線估計(jì)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果和估計(jì)參數(shù)值檢測(cè)和診斷異常，系統(tǒng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)性能得到驗(yàn)證，從而證明檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)設(shè)備;故障診斷;軸承溫度;預(yù)測(cè)性

中圖分類號(hào)：TK730.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）07-0129-05

Research on bearing bush temperature and oil quality

monitoring system of hydro generator unit

CAO Zhong ZHANG Guanxiang

（1.China Three Gorges Group Co.， Ltd.， Hainan Branch， Haikou 570100，China;2.China Yangze River Power Co.，Ltd.， Baihetan Hydropower Plant， Liangshan 615000， Sichuan China）

Abstract：As an important part of hydro generator unit equipment， the temperature rise of bearing will crack the oil， directly affect the cooling， lubrication performance and viscosity， and directly burn out the bearing in serious cases. The equipment fault diagnosis system of hydro generator unit generally prevents serious accidents of hydro generator by detecting system abnormalities in the early stage. The system predicts the temperature change of bearing through the physical and dynamic model of bearing related components， such as bearing bush and lubricating oil cooler. The bearing clearance width in the model is estimated online by minimizing the difference between the measured and calculated values of bearing and oil temperature by using the nonlinear optimization method. The system detects and diagnoses abnormalities according to the prediction results and estimated parameter values， and the accurate prediction performance of the system is verified， which proves the reliability of the detection system.

Key words：hydraulic turbine generator; fault diagnosis; bearing temperature; prediction performance

軸承作為水輪發(fā)電機(jī)組的重要部件，其工作狀態(tài)直接影響水輪發(fā)電機(jī)組的安全性。常見(jiàn)的故障是軸瓦溫度升高，油質(zhì)性能裂化，透平油黏度降低，冷卻效果差。若要有效控制和處理軸瓦溫度，就要實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及油質(zhì)性能的監(jiān)測(cè)。因此，通過(guò)早期檢測(cè)水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的異常來(lái)預(yù)防重大事故是十分有必要的[1]。此外，通過(guò)實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維護(hù)，高精度監(jiān)控和異常檢測(cè)可有效降低維護(hù)成本。

有學(xué)者研究冷卻潤(rùn)滑和循環(huán)水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了一種用于監(jiān)測(cè)液壓渦輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)和溫度的計(jì)算機(jī)在線系統(tǒng)，它監(jiān)測(cè)振動(dòng)以避免嚴(yán)重停電。先進(jìn)的加工和開(kāi)發(fā)診斷系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)軸承的振動(dòng)狀態(tài)，使用觀察器的新故障檢測(cè)方法應(yīng)用于水輪機(jī)監(jiān)測(cè)，以降低維護(hù)和維修成本。在水輪發(fā)電機(jī)中，軸承溫度和軸振動(dòng)是重要的設(shè)備參數(shù)[2]。監(jiān)測(cè)軸承溫度及其時(shí)間導(dǎo)數(shù)值，當(dāng)值超過(guò)液壓動(dòng)力閾值時(shí)，則為檢測(cè)異常。

針對(duì)軸承相關(guān)部件的異常檢測(cè)，提出了一種基于溫度預(yù)測(cè)的故障診斷新方法。為了靈敏的檢測(cè)和診斷異常，需要精確的預(yù)測(cè);即模型應(yīng)準(zhǔn)確模擬軸承相關(guān)部件。但系統(tǒng)特征通常會(huì)發(fā)生變化，例如在水力發(fā)電廠中，冷卻管對(duì)潤(rùn)滑油的冷卻性能因冷卻管上結(jié)垢而改變，軸與軸瓦之間的間隙寬度因軸的傾斜度而不斷改變[3]。因此，在所提出的方法中，物理動(dòng)力學(xué)模型適用于反映不斷變化的工廠狀態(tài)。不可測(cè)量的模型參數(shù)通過(guò)使用來(lái)自工廠的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，并在模型修正后進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而保持精度并實(shí)現(xiàn)精確預(yù)測(cè)。通過(guò)多次試驗(yàn)設(shè)施對(duì)該方法的可行性進(jìn)行評(píng)估后，將其安裝在電力公司的水電站發(fā)電廠中進(jìn)行了評(píng)估，測(cè)試結(jié)果和預(yù)期值比較吻合。

1方法

1.1系統(tǒng)組成

水輪發(fā)電機(jī)有導(dǎo)向軸承和推力軸承，軸承有軸承墊和潤(rùn)滑油。故障診斷系統(tǒng)根據(jù)溫度預(yù)測(cè)結(jié)果檢測(cè)和診斷軸承相關(guān)部件的異常[4]。圖1所示的系統(tǒng)組成用于預(yù)測(cè)軸承相關(guān)部件的物理動(dòng)力學(xué)模型。在模型中，不可測(cè)量的參數(shù)，如軸承間隙寬度，為未知參數(shù)。這些參數(shù)值是通過(guò)使用工廠數(shù)據(jù)估算的，

例如軸承溫度和潤(rùn)滑油溫度。在模型參數(shù)初步提供后，預(yù)測(cè)未來(lái)的變化，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果和未知參數(shù)的估計(jì)值進(jìn)行異常檢測(cè)和診斷[5]。系統(tǒng)顯示溫度、未知參數(shù)值的預(yù)測(cè)結(jié)果、故障檢測(cè)和診斷結(jié)果給工廠操作員。

1.2軸承溫度預(yù)測(cè)

已知參數(shù)值被假設(shè)并且模型是固定的，已知參數(shù)是無(wú)法確定的模型參數(shù)直接來(lái)自工廠數(shù)據(jù)。預(yù)測(cè)執(zhí)行如下[6]。

（1）假設(shè)未知參數(shù)的值;

（2）使用工廠數(shù)據(jù)和假定的未知參數(shù)值在任意時(shí)間初始化模型。初始化后，以時(shí)間間隔計(jì)算溫度變化;

（3）預(yù)測(cè)值和測(cè)量值之間的差異是針對(duì)軸瓦和油溫計(jì)算的;

（4）如果差異很小，則停止迭代并預(yù)測(cè)未來(lái)的變化。但是，如果差異很大，則修改未知參數(shù)的值以減小差異并且程序返回到步驟2。

在修改每個(gè)未知參數(shù)值時(shí)，軸承墊和油溫的測(cè)量值和計(jì)算值之間的差值的平方被設(shè)置為目標(biāo)函數(shù)（J）：

1.3異常檢測(cè)與診斷

基于溫度預(yù)測(cè)結(jié)果和假設(shè)的未知參數(shù)值來(lái)檢測(cè)和診斷異常，提出以下3種方法[7]。

（1）工廠啟動(dòng)預(yù)測(cè)：未知參數(shù)值使用上次運(yùn)行的電廠數(shù)據(jù)，即電廠上次啟動(dòng)到停止的數(shù)據(jù)進(jìn)行假設(shè)。在工廠啟動(dòng)時(shí)使用假設(shè)的未知參數(shù)值和工廠環(huán)境（例如軸承溫度）預(yù)測(cè)溫度。當(dāng)預(yù)測(cè)溫度和測(cè)量溫度之間的差異變大時(shí)，判斷發(fā)生異常;

（2）定期預(yù)測(cè)：估計(jì)未知參數(shù)值，并根據(jù)最新的工廠數(shù)據(jù)定期更新動(dòng)態(tài)模型。使用定期更新的模型執(zhí)行預(yù)測(cè)。如果預(yù)測(cè)溫度超過(guò)警報(bào)設(shè)置點(diǎn)，則判斷發(fā)生異常。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，操作員知道如果異常情況持續(xù)，溫度將超過(guò)警報(bào)設(shè)置點(diǎn)的時(shí)間裕度。在預(yù)測(cè)中，模型會(huì)定期更新以反映工廠的異常情況，從而即使在異常提前的情況下也能進(jìn)行精確的預(yù)測(cè);

（3）估計(jì)參數(shù)值：根據(jù)估計(jì)參數(shù)值，確定異常的原因。如果間隙發(fā)熱異常，則調(diào)整間隙寬度G的估計(jì)值會(huì)發(fā)生變化。相比之下，如果冷卻系統(tǒng)中的散熱發(fā)生異常，則總傳熱系數(shù)會(huì)改變[7]。除此之外，估計(jì)參數(shù)也會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定性的變化。

2檢測(cè)設(shè)施的可行性評(píng)估

2.1測(cè)試設(shè)施

采用1/3規(guī)模的試驗(yàn)設(shè)備（見(jiàn)圖2）來(lái)模擬水輪機(jī)軸承，軸承軸頸直徑為500 mm，證實(shí)了所提出方法的可行性。其中有12個(gè)軸瓦，每個(gè)軸瓦的一部分浸在潤(rùn)滑油中。潤(rùn)滑油油箱內(nèi)的冷卻管內(nèi)流動(dòng)的冷卻液對(duì)油進(jìn)行冷卻。軸由電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶輪旋轉(zhuǎn)，軸的額定轉(zhuǎn)速為500 r/mim。電機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器控制，啟停轉(zhuǎn)速任意變化。在該設(shè)施中，測(cè)量軸的轉(zhuǎn)速以及軸瓦、油和入口/出口冷卻劑的溫度。

2.2評(píng)價(jià)結(jié)果

采用來(lái)自測(cè)試設(shè)施的數(shù)據(jù)離線評(píng)估預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和異常檢測(cè)能力[8]。

2.2.1預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度

對(duì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)估以用于啟動(dòng)時(shí)的預(yù)測(cè)和周期性預(yù)測(cè)。

（1）工廠啟動(dòng)時(shí)的預(yù)測(cè)：在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試設(shè)備啟動(dòng)和停止;然后從熱狀態(tài)重新啟動(dòng)。當(dāng)軸承墊和油溫比較高時(shí)，使用第1次操作期間15～40 min的數(shù)據(jù)估計(jì)未知參數(shù)。之后，在第2次操作開(kāi)始時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)。在預(yù)測(cè)時(shí)，調(diào)整間隙寬度的估計(jì)值。對(duì)于初始軸溫度，假設(shè)這些溫度相等，則使用測(cè)量的墊溫度，結(jié)果如圖3所示。墊溫的預(yù)測(cè)誤差約為0.4 ℃，油溫的預(yù)測(cè)誤差約為0.3 ℃。因此，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè);

（2）周期預(yù)測(cè)：周期預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率評(píng)價(jià)如下，預(yù)測(cè)被激活兩次，在設(shè)施啟動(dòng)后6 min和20 min，如圖4所示。采用預(yù)測(cè)激活前的數(shù)據(jù)估計(jì)未知參數(shù)，即4～6 min和10 min期間的數(shù)據(jù)。在接下來(lái)的20 min預(yù)測(cè)中，第1次預(yù)測(cè)的油墊和油溫的誤差約為0.2 ℃;第2次預(yù)測(cè)的誤差約為0.1 ℃。因此，實(shí)現(xiàn)了小于1 ℃誤差的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并且基于預(yù)測(cè)結(jié)果判

斷異常檢測(cè)是可行的。對(duì)于周期預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)計(jì)算是周期性重復(fù)的，因此計(jì)算時(shí)間較短。用于參數(shù)估計(jì)和預(yù)測(cè)的CPU時(shí)間僅為124 MIPS（每秒百萬(wàn)條指令）的工作站的1～

2 s左右，在線周期性預(yù)測(cè)被證實(shí)是可行的。

2.2.2異常檢測(cè)能力

描述了兩個(gè)異常模擬實(shí)驗(yàn)案例。

（1）冷卻劑停止：在這種情況下，設(shè)備在運(yùn)行16 min后啟動(dòng)和停止，然后它從熱狀態(tài)重新啟動(dòng)后，冷卻液被關(guān)閉;20 min后，冷卻液流再次打開(kāi)，然后設(shè)備停止啟動(dòng);

（2）間隙寬度變化案例：在這種情況下，通過(guò)在水平方向推動(dòng)軸，在操作過(guò)程中啟動(dòng)設(shè)備并改變間隙寬度。

使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)假設(shè)未知參數(shù)。間隙寬度加寬后，間隙寬度的估計(jì)值增加;另一方面，整體傳熱系數(shù)隨間隙寬度的變化改變很小。根據(jù)估計(jì)的參數(shù)值進(jìn)行異常檢測(cè)是可行的，異常原因可以確定為間隙寬度異常變化[9]。

3實(shí)施案例

經(jīng)試驗(yàn)設(shè)施數(shù)據(jù)證實(shí)該系統(tǒng)的方法具有一定可行性，進(jìn)一步將該系統(tǒng)安裝在國(guó)內(nèi)大型電廠監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，擁有16臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組的水電站。

它的每臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)都有4種類型的軸承：發(fā)電機(jī)的上導(dǎo)軌、下導(dǎo)軌和推力軸承，以及水輪機(jī)導(dǎo)軌軸承;發(fā)電機(jī)上軸承和水輪機(jī)軸承采用上述的動(dòng)力學(xué)模型。另一方面，發(fā)電機(jī)的下導(dǎo)向軸承和推力軸承有一個(gè)共同的潤(rùn)滑油箱，推力軸承具有不同類型的結(jié)構(gòu)。因此，這些軸承使用不同的型號(hào)，動(dòng)態(tài)模型由下軸承瓦、推力軸承瓦、油和軸的溫度4個(gè)時(shí)間導(dǎo)數(shù)方程表示。在模型中，未知參數(shù)為調(diào)整后的下軸承間隙寬度、軸溫初始值、冷卻管總傳熱系數(shù)和第1個(gè)軸承瓦塊上的載荷。

3.1預(yù)測(cè)精度評(píng)估

該工廠對(duì)所提方法的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，預(yù)測(cè)是在工廠啟動(dòng)時(shí)使用基于上次操作的工廠數(shù)據(jù)（即從上次工廠啟動(dòng)到停止的數(shù)據(jù)）假設(shè)的參數(shù)值進(jìn)行的。在大約80 min的預(yù)測(cè)過(guò)程中，圖5中的誤差約為0.3 ℃，軸承和油溫實(shí)際誤差均為0.5 ℃。因此，實(shí)現(xiàn)了1 ℃內(nèi)的精確預(yù)測(cè)。這意味著采用該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際工廠中預(yù)測(cè)溫度和測(cè)量溫度之間的差異進(jìn)行檢測(cè)是可行的。

圖6中所示的周期性預(yù)測(cè)為發(fā)電機(jī)上導(dǎo)向軸承，使用基于最新工廠數(shù)據(jù)的估計(jì)參數(shù)值來(lái)執(zhí)行周期性預(yù)測(cè)。根據(jù)10 min期間的測(cè)量數(shù)據(jù)，即從初始化7.5 min開(kāi)始，在工廠啟動(dòng)后17.5 min激活預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)誤差約為0.3 ℃;軸承溫度和油溫實(shí)際誤差均為0.4 ℃。因此，該周期預(yù)測(cè)是可行的。此外，預(yù)測(cè)還提供有關(guān)溫度超過(guò)警報(bào)設(shè)置點(diǎn)的時(shí)間以及應(yīng)對(duì)異常的時(shí)間裕度信息。在周期性預(yù)測(cè)中，模型定期更新，反映異常引起的工廠狀態(tài)變化，從而即使在異常情況下也能進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

發(fā)電機(jī)下部軸承和推力軸承的周期性預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7所示。與圖6一樣，根據(jù)7.5～17.5 min的測(cè)量數(shù)據(jù)，在電廠啟動(dòng)后17.5? min激活預(yù)測(cè)。推力軸承、下導(dǎo)向軸承和潤(rùn)滑油溫度的誤差分別約為0.4、0.4和0.5 ℃。因此，對(duì)發(fā)電機(jī)下軸承和推力軸承的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)也是可行的。

4討論

通過(guò)試驗(yàn)設(shè)施檢測(cè)確認(rèn)了所提出方法具有一定可行性，試驗(yàn)設(shè)施溫度預(yù)測(cè)誤差小于1 ℃，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，異常檢測(cè)使用結(jié)果是可行的。還使用工廠數(shù)據(jù)評(píng)估了預(yù)測(cè)性能，再次保證準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的可靠性。物理動(dòng)力學(xué)模型假設(shè)熱分布比是恒定的，而不隨油和軸的溫度變化，這個(gè)簡(jiǎn)單的模型足以預(yù)測(cè)溫度變化。

在測(cè)試設(shè)施中進(jìn)行了異常模擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)未知參數(shù)的估計(jì)性能進(jìn)行了評(píng)估。使用溫度預(yù)測(cè)結(jié)果和估計(jì)參數(shù)值進(jìn)行異常檢測(cè)是可行的。此外，根據(jù)調(diào)整后的間隙寬度和冷卻時(shí)的整體傳熱系數(shù)的估計(jì)值，可以識(shí)別異常類型，即異常原因被識(shí)別為間隙寬度異常變化或冷卻系統(tǒng)故障。

該方法還可以從調(diào)整間隙寬度的估計(jì)值長(zhǎng)期變化中檢測(cè)軸的傾斜度，這是另一種異常類型。此外，調(diào)整后的間隙寬度和整體傳熱系數(shù)的估計(jì)值不會(huì)因工廠運(yùn)行條件（例如實(shí)際工廠中的冷卻劑溫度）而顯著波動(dòng)。根據(jù)這些結(jié)果，可以從估計(jì)的間隙寬度的長(zhǎng)期變化中檢測(cè)軸的傾斜度，這些測(cè)試結(jié)果為投入商業(yè)運(yùn)行做出了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5結(jié)語(yǔ)

本文提出了水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備故障診斷方法，該方法利用物理動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)軸承和潤(rùn)滑油溫度的變化，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果檢測(cè)軸承相關(guān)部件的異常。模型中不可測(cè)量的參數(shù)被視為未知參數(shù)，并在模型初始化階段進(jìn)行假設(shè)。假設(shè)的參數(shù)值還用于檢測(cè)和診斷異常。采用1/3規(guī)模的測(cè)試設(shè)備證實(shí)了該方法的可行性，然后將該方法安裝在國(guó)內(nèi)大型水電廠的冷卻系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的故障診斷系統(tǒng)中。無(wú)論季節(jié)性環(huán)境怎樣變化，工廠都可以獲得準(zhǔn)確的設(shè)備溫度預(yù)測(cè)。從而充分為該系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

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