水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦間隙不勻故障分析方法

張興明，郗發(fā)剛，邢志江，王 江，楊昶宇

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南省昆明市 650000）

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)瓦間隙分配是水輪發(fā)電機(jī)組安裝檢修過(guò)程中一項(xiàng)十分重要的工作，合適的軸瓦間隙是機(jī)組健康運(yùn)行的重要保障[1]，軸瓦間隙不勻?qū)C(jī)組運(yùn)行危害較大，水輪發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承軸瓦間隙一般只有在機(jī)組檢修時(shí)進(jìn)行調(diào)整，軸瓦間隙調(diào)整的是否合適，以及機(jī)組在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中軸瓦松動(dòng)后軸瓦與軸承之間的間隙逐步增大，將影響到運(yùn)行機(jī)組的振動(dòng)、擺度、瓦溫等重要安全穩(wěn)定指標(biāo)。水輪機(jī)運(yùn)行中，由于轉(zhuǎn)輪靜不平衡會(huì)產(chǎn)生徑向離心力，葉片開(kāi)度不均及止漏環(huán)間隙不均都會(huì)產(chǎn)生徑向水推力，而水輪機(jī)水導(dǎo)軸瓦的主要作用正是承受軸承傳來(lái)的徑向力和擺度力[2]；發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承承受機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的徑向機(jī)械不平衡力和電磁不平衡力，各導(dǎo)軸承是水輪發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，其軸瓦工作質(zhì)量直接影響水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行。各軸瓦所受徑向力不均勻，大小不一，長(zhǎng)期受力大的軸瓦將增加疲勞損傷度，軸瓦磨損會(huì)逐漸增大[3]，降低設(shè)備的使用壽命，因此對(duì)軸瓦間隙的變化監(jiān)測(cè)顯得尤其重要。

1 目前軸瓦間隙監(jiān)測(cè)手段

目前軸瓦間隙數(shù)據(jù)主要來(lái)源于水輪發(fā)電機(jī)組的A、B級(jí)檢修后的盤(pán)車數(shù)據(jù)，或者C、D級(jí)檢修直接對(duì)軸瓦間隙測(cè)量。軸承瓦間隙的發(fā)展趨勢(shì)僅能通過(guò)監(jiān)測(cè)水輪發(fā)電機(jī)組軸承的擺度[4]及軸瓦溫度變化來(lái)間接反映。

不論是盤(pán)車數(shù)據(jù)還是對(duì)軸瓦間隙的直接測(cè)量后對(duì)軸瓦間隙的調(diào)整，均存在一次成型的弊端。軸瓦間隙調(diào)整工藝及測(cè)量誤差導(dǎo)致間隙不勻；機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中軸瓦支撐松動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致間隙不勻。目前對(duì)運(yùn)行機(jī)組軸承瓦間隙缺乏有效的直接監(jiān)測(cè)，僅通過(guò)擺度變化趨勢(shì)及軸瓦溫度來(lái)間接反映或人工分析。但是少部分軸瓦支撐松動(dòng)[5]導(dǎo)致的軸瓦間隙變大，軸承擺度并不能反映，軸瓦溫度變化也不全是軸瓦間隙不勻?qū)е拢壳吧胁荒苡行У貙?duì)軸瓦間隙進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，只能通過(guò)人工定期對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)劃?rùn)z修在下一次檢修時(shí)對(duì)軸瓦間隙進(jìn)行檢查及調(diào)整。

2 軸瓦間隙不勻故障分析方法原理

造成軸瓦溫度升高的原因主要有潤(rùn)滑油劣化、冷卻水系統(tǒng)故障、機(jī)組振動(dòng)和擺度超標(biāo)、測(cè)溫電阻損壞、軸瓦間隙與主軸間隙過(guò)小、軸瓦間隙不勻[6]等多種故障原因。本方法通過(guò)對(duì)軸瓦溫度的相關(guān)量計(jì)算分析，建立一套合理的水輪發(fā)電機(jī)軸瓦間隙不勻監(jiān)測(cè)分析方法，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸瓦間隙的不均勻，其分析方法原理如下：

水輪發(fā)電機(jī)上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)軸瓦均勻分布在大軸四周，通過(guò)固定軸瓦對(duì)機(jī)組運(yùn)行時(shí)軸承擺度起到限制作用。各軸瓦與軸承之間的間隙均勻的話，各軸瓦在承受軸承旋轉(zhuǎn)的徑向力[7]理論上大小一樣，除去測(cè)溫元件本身產(chǎn)生的偏差

因素，各軸瓦的溫度應(yīng)相等。當(dāng)軸瓦間隙不勻時(shí)或機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中個(gè)別軸瓦支撐松動(dòng)，導(dǎo)致離軸承遠(yuǎn)的軸瓦受力減小，離軸承近的受力增大，反映在軸瓦上就是溫度大小不一，軸瓦溫度之間產(chǎn)生較大的瓦溫偏差；當(dāng)溫度偏差及瓦溫最大值大于機(jī)組允許的運(yùn)行值時(shí)，可判斷為機(jī)組軸瓦間隙不均故障。當(dāng)各軸瓦間隙不勻的數(shù)量越多，瓦溫大小不一越多，瓦溫的離散度（樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差）也就越大。分析方法原理示意見(jiàn)圖1。

圖1 軸瓦分布示意圖Figure 1 Distribution diagram of bearing bush

如圖1所示，8塊軸瓦均分布在軸承四周，各軸瓦至軸承的間隙距離基本相等。各軸瓦間隙均勻，機(jī)組正常運(yùn)行所受力大小相等，溫度基本一致。

如圖2所示，正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)軸瓦間隙不勻時(shí)或軸瓦支撐松動(dòng)后軸瓦間隙變大，1、4號(hào)軸瓦與其他軸瓦相比受力較小，軸瓦溫度將較低，與之相鄰的軸瓦溫度產(chǎn)生較大的溫度偏差[8]，瓦溫度也將逐步升高。

圖2 軸瓦間隙不勻分布示意圖Figure 2 Schematic diagram of uneven distribution of bearing bush clearance

3 本分析方法實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段及步驟

本方法可通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)算，計(jì)算瓦溫偏差、瓦溫最大、瓦溫平均值、瓦溫離散度作為反映軸瓦間隙不勻故障的監(jiān)視量進(jìn)行分析。故障分析流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 故障分析流程圖Figure 3 Flow chart of fault analysis

3．1 數(shù)據(jù)采集匯聚

目前水電廠已安裝每塊軸瓦溫度傳感器，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集的每一塊軸瓦溫度上送至水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)顯示及存儲(chǔ)，本分析方法所需原始數(shù)據(jù)均可通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行查詢獲取。

3．2 主要監(jiān)視量計(jì)算

根據(jù)查詢的每塊軸瓦溫度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算瓦溫偏差、瓦溫最大、瓦溫平均值、瓦溫離散度監(jiān)視量。

（1）計(jì)算瓦溫偏差，瓦溫偏差即兩兩相鄰的軸瓦溫度的差值的絕對(duì)值，取最大值作為監(jiān)視量。計(jì)算公式如下：

其中：

T1～Tn表示1～n號(hào)原始軸瓦溫度。

|T1-T2|表示計(jì)算1號(hào)和2號(hào)軸瓦溫度的差值的絕對(duì)值。

t1至tn表示各軸瓦之間的瓦溫偏差，一般來(lái)講tn越大表示對(duì)應(yīng)軸瓦存在的軸瓦間隙越大。

（2）計(jì)算平均值，計(jì)算公式如下：

其中表示各軸瓦溫度的平均值，Ti表示對(duì)應(yīng)的幾號(hào)軸瓦溫度。

（3）計(jì)算離散度，離散度即各軸瓦溫度的樣本標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式如下：

δT即軸瓦溫度的樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差，表示瓦溫的離散度。

（4）計(jì)算最大溫度，最大溫度可采用觀察比較獲得。

3．3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 軸瓦間隙不勻故障分析

根據(jù)本故障分析方法的原理，當(dāng)存在軸瓦間隙不勻故障時(shí)，機(jī)組的瓦溫偏差較大、最大溫度監(jiān)視量上升、平均溫度有可能上升。

3.3.2 根據(jù)故障分析結(jié)果制定處理措施

通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析若存在軸瓦間隙不勻故障，繼續(xù)判斷軸瓦間隙不勻主要存在哪幾塊軸瓦之間，及時(shí)制定軸瓦間隙調(diào)整措施，利用機(jī)組檢修期，可高效開(kāi)展軸瓦間隙調(diào)整工作，從而縮短檢修工期，提高工作效率。

3．4 批量數(shù)據(jù)處理分析方法

實(shí)際分析過(guò)程中，單純的一組數(shù)據(jù)很難準(zhǔn)確判斷軸瓦間隙不勻故障，往往需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，此時(shí)可借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助運(yùn)算，本分析方法中所涉及的計(jì)算公式均可通過(guò)Excel表格里的函數(shù)完成，可進(jìn)行批量計(jì)算分析，并生成趨勢(shì)圖。下面是所涉及的Excel表格函數(shù)介紹：

（1）瓦溫偏差計(jì)算：ABS（ ）取兩數(shù)之差的絕對(duì)值，MAX（）取一組數(shù)據(jù)的最大值。

（2）平均值計(jì)算：AVERAGE（ ）計(jì)算一組數(shù)據(jù)平均值。

（3）離散度：STDEVP（ ）即一組數(shù)據(jù)的樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

（4）最大值：MAX（ ）取一組數(shù)據(jù)的最大值。

4 故障分析方法具體實(shí)踐應(yīng)用

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后，軸瓦溫度基本保持不變，下面是根據(jù)某水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)查詢到的電廠7號(hào)機(jī)組檢修前某時(shí)刻各塊水導(dǎo)軸瓦溫度見(jiàn)表1。

表1 檢修前軸瓦溫度數(shù)據(jù)Table 1 Temperature data of Bearing Bush before maintenance

4．1 根據(jù)分析方法計(jì)算主要監(jiān)視量

（1）計(jì)算瓦溫偏差，根據(jù)上述瓦溫偏差計(jì)算公式，計(jì)算某水電廠7號(hào)機(jī)組檢修前瓦溫偏差數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 檢修前水導(dǎo)軸瓦溫度偏差Table 2 Temperature deviation of water guide bearing bush before maintenance

（2）計(jì)算檢修前的平均溫度：

（3）計(jì)算檢修前的溫度離散度：

（4）檢修前最大溫度：52.2℃。

4．2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)《瀾滄江公司精品機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的優(yōu)秀值、良好值、國(guó)標(biāo)限值與實(shí)測(cè)值對(duì)比表見(jiàn)表3。

表3 精品機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)Table 3 High quality unit standard

續(xù)表

（1）根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，7號(hào)機(jī)組檢修前水導(dǎo)瓦溫各項(xiàng)指標(biāo)均較大，特別是水導(dǎo)瓦溫偏差達(dá)到9.9℃，比允公司良好標(biāo)準(zhǔn)8℃大。

（2）水導(dǎo)瓦最大溫度為52.2℃達(dá)到一般報(bào)警溫度，較其他機(jī)組高出約6℃。

（3）因此根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析說(shuō)明7號(hào)機(jī)組存在水導(dǎo)瓦間隙不勻故障。根據(jù)計(jì)算的離散度為2.38，說(shuō)明存在的軸瓦間隙不勻數(shù)量較少，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析主要是第14號(hào)軸瓦與相鄰的1號(hào)和13號(hào)瓦之間。

（4）根據(jù)分析結(jié)果確定存在間隙不勻的軸瓦，電廠提前制定了檢修期開(kāi)展水導(dǎo)軸瓦間隙調(diào)整措施，于檢修期進(jìn)行了軸瓦間隙實(shí)際檢查測(cè)量。各軸瓦間隙值見(jiàn)表4。

表4 檢修前軸瓦間隙Table 4 Clearance of Bearing Bush before maintenance

通過(guò)對(duì)比檢修實(shí)際測(cè)量軸瓦間隙值發(fā)現(xiàn)，14號(hào)軸瓦間隙較其他軸瓦間隙大130μm左右，說(shuō)明存在軸瓦間隙不均勻的情況。

4．3 檢修后的水導(dǎo)各軸瓦的溫度數(shù)據(jù)分析

檢修后的水導(dǎo)各軸瓦的溫度數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表5。

表5 檢修后軸瓦溫度數(shù)據(jù)Table 5 Temperature data of Bearing Bush after maintenance

（1）根據(jù)軸瓦溫度偏差計(jì)算公式檢修后的溫度偏差數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 檢修后水導(dǎo)軸瓦溫度偏差Table 6 Temperature deviation of water guide bearing bush after maintenance

（2）檢修后的平均溫度：

（3）檢修后的溫度離散度：

（4）檢修后最大溫度：47.8℃。

（5）檢修后重新測(cè)量的水導(dǎo)軸瓦間隙值見(jiàn)表7。

表7 檢修后軸瓦間隙Table 7 Clearance of Bearing Bush after maintenance

（6）修后數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果分析。

根據(jù)檢修后數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，7號(hào)機(jī)組檢修后水導(dǎo)瓦溫各項(xiàng)指標(biāo)較好，水導(dǎo)瓦溫偏差最大2.2℃，比6℃小，達(dá)到了公司精品機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)水導(dǎo)瓦溫偏差優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)，瓦最大溫度為47.8℃也有所降低，平均值為46.13℃降低較多，瓦溫離散度進(jìn)一步降低，軸瓦間隙均在180μm左右，說(shuō)明檢修后軸瓦間隙調(diào)整得較好。圖4是機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定工況下提取的水導(dǎo)瓦溫?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)Excel表格函數(shù)計(jì)算的瓦溫偏差、瓦溫最大值、瓦溫平均值發(fā)展趨勢(shì)圖。

圖4 檢修前后數(shù)據(jù)分析對(duì)比趨勢(shì)圖Figure 4 Trend chart of data analysis and comparison before and after maintenance

根據(jù)檢修前后計(jì)算數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析，可直觀看出檢修后，水導(dǎo)軸瓦溫偏差、最大值、平均值趨勢(shì)均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，說(shuō)明針對(duì)軸瓦間隙不勻故障檢修期所做的軸瓦間隙調(diào)整[9]結(jié)果較好。

本分析方法前提是建立在前端數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性與正確性，必須保證所采集軸瓦溫度數(shù)據(jù)與實(shí)際一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)計(jì)算分析為軸瓦間隙不勻故障時(shí)，首先應(yīng)檢查確認(rèn)前端溫度傳感器以及測(cè)量回路是否有異常，若數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，則說(shuō)明存在軸瓦間隙不勻故障。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)軸瓦都是在密閉的油槽內(nèi)，因此運(yùn)行人員日常巡檢無(wú)法發(fā)現(xiàn)軸瓦間隙不勻故障。采用上述方案，通過(guò)建立基于瓦溫偏差、瓦溫最大值、瓦溫離散度、瓦溫平均值反映軸瓦間隙不勻的故障分析模型，不僅可及時(shí)分析檢測(cè)出水輪發(fā)電機(jī)組存在軸瓦間隙不均勻故障，而且還可檢測(cè)出軸瓦間隙不均勻故障數(shù)量多還是少，更重要的是可準(zhǔn)確檢測(cè)到具體間隙不勻的軸瓦，以便在檢修前做好軸瓦間隙調(diào)整方案，合理制定檢修工期，并在檢修時(shí)能夠準(zhǔn)確對(duì)該軸瓦進(jìn)行調(diào)整，縮短檢修工期，節(jié)約檢修成本，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

雖然作為一種間接的計(jì)算分析判斷故障的方法，不可能保證百分之百的準(zhǔn)確，但作為設(shè)備異常故障原因判斷分析的輔助手段[10]，可為確定設(shè)備故障原因指出方向，或排除不良軸瓦間隙不勻故障。在水電機(jī)組由計(jì)劃?rùn)z修逐步過(guò)渡到狀態(tài)檢修[11]的時(shí)期，如何通過(guò)數(shù)據(jù)分析挖掘設(shè)備潛力，評(píng)估設(shè)備狀態(tài)、提前進(jìn)行設(shè)備故障預(yù)警，是行業(yè)內(nèi)亟待解決的問(wèn)題，本方法給出了一種運(yùn)行機(jī)組軸瓦間隙不勻分析判斷解決方案，在行業(yè)內(nèi)具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。