水力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)故障檢修分析

韋宏昊，黃娜

（廣西大藤峽水利樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530000）

近年來(lái)，水電機(jī)組故障機(jī)理研究持續(xù)完善，關(guān)于水力發(fā)電設(shè)備的故障信號(hào)采集方式、采集設(shè)備、采集定位跟蹤技術(shù)逐步升級(jí)，并形成完整的規(guī)范體系，為水力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)故障檢修提供了充足的技術(shù)支持。在水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢修，可以提前預(yù)測(cè)并處理風(fēng)險(xiǎn)因子，避免設(shè)備故障擴(kuò)大。因此，探究水力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)故障檢修措施具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 狀態(tài)檢修概述

狀態(tài)檢修是借助現(xiàn)代化狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)收集設(shè)備狀態(tài)信息，進(jìn)而分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息判斷設(shè)備是否正常，預(yù)先獲知設(shè)備故障，在故障發(fā)生前進(jìn)行設(shè)備檢修。從檢測(cè)內(nèi)容來(lái)看，狀態(tài)檢修可以劃分為機(jī)組穩(wěn)定性檢測(cè)、設(shè)備能量及空蝕、調(diào)速等幾個(gè)類(lèi)別。

圖1 中，機(jī)組穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括固定部件振動(dòng)、過(guò)流部件壓力及壓力脈動(dòng)、機(jī)組噪聲、軸系擺動(dòng)等幾個(gè)指標(biāo)；設(shè)備能量及空蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括設(shè)備效率、耗損水量、流量、空蝕及空化噪聲幾項(xiàng)指標(biāo)；調(diào)速狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括靜態(tài)特征、動(dòng)態(tài)特征、油壓控制等幾個(gè)指標(biāo)；推力軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括軸承溫度、軸承負(fù)荷支撐受力、油膜溫度等幾個(gè)指標(biāo)；主變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括局部放電、鐵心接地、高壓套管等幾項(xiàng)指標(biāo)。

圖1 狀態(tài)檢修內(nèi)容

2 水力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行常見(jiàn)故障

2.1 振動(dòng)故障

振動(dòng)故障是水力發(fā)電設(shè)備常見(jiàn)故障，多因水流經(jīng)過(guò)引流道、轉(zhuǎn)輪、尾水管等過(guò)流部分形成巨大水動(dòng)壓力引發(fā)機(jī)動(dòng)零部件振動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)卡門(mén)渦共振故障?？ㄩT(mén)渦共振主要是在一定條件下流體經(jīng)過(guò)物體后，在物體表面兩側(cè)周期性產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反的規(guī)律雙列線(xiàn)性渦，會(huì)直接引發(fā)水力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)，振動(dòng)頻率與葉片出口邊緣厚度、水流過(guò)葉片兩側(cè)相對(duì)速度等具有較大關(guān)系，具體如下：

式中，f 為卡門(mén)渦列引起振動(dòng)頻率，Hz；S 為斯特勞哈爾數(shù)，一般為0.2；w 為水流過(guò)葉片兩側(cè)相對(duì)速度，m/s；d 為葉片出口邊緣厚度，mm。

2.2 電氣故障

水力發(fā)電設(shè)備是在電磁場(chǎng)作用下將水輪機(jī)傳遞機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電磁能的設(shè)備，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，易出現(xiàn)磁拉力失衡故障，表現(xiàn)為各磁極電氣參數(shù)出現(xiàn)差異，機(jī)組局部過(guò)熱甚至短路，破壞設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 機(jī)械故障

水力發(fā)電設(shè)備是大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，機(jī)械結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜，各零部件在慣性力、摩擦力等作用下受力高度復(fù)雜，極易隨時(shí)間推移而出現(xiàn)個(gè)別零部件異?；驌p壞，進(jìn)而出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件碰撞、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、推力軸瓦不平、大軸永久性彎曲、大軸軸線(xiàn)偏差等。比如，金屬溫升狀態(tài)下熱膨脹會(huì)引發(fā)機(jī)組軸系對(duì)中超出正常范圍，進(jìn)而加快旋轉(zhuǎn)支撐部位磨損，影響整體機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 水力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)故障檢修

3.1 故障信息收集

故障信息收集是水力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)故障檢修最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，采集發(fā)電設(shè)備原始狀態(tài)信息準(zhǔn)確性、全面性對(duì)故障評(píng)估質(zhì)量具有直接的影響。在水電發(fā)電設(shè)備狀態(tài)信息采集過(guò)程中，可以應(yīng)用水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自帶TR8000 智能數(shù)據(jù)采集裝置，總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 水電發(fā)電設(shè)備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，水電發(fā)電設(shè)備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括信息采集層、現(xiàn)場(chǎng)采集顯示層、中央控制層幾個(gè)部分。根據(jù)水力發(fā)電設(shè)備常見(jiàn)故障類(lèi)型，可以科學(xué)布置測(cè)點(diǎn)，具體見(jiàn)表1。

表1 信息采集測(cè)點(diǎn)布置

3.2 設(shè)備狀態(tài)評(píng)估

水力發(fā)電設(shè)備是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)備故障信號(hào)內(nèi)涵蓋豐富的故障信息，依托概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析機(jī)組運(yùn)行過(guò)程信號(hào)可以間接推測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否存在異常。概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為4 層結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3），分別為輸入層、模式層、求和層與輸出層。

圖3 概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估函數(shù)如下：

式中，g（x）為輸出結(jié)果；x 為輸入樣本；p 為概率密度；w 為樣本歸屬類(lèi)；N 為訓(xùn)練樣本數(shù)目；k 為訓(xùn)練樣本編號(hào)；xi 為第i 個(gè)訓(xùn)練樣本；Q 為貝葉斯規(guī)則中的PNN 學(xué)習(xí)率。

根據(jù)式（2），水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障檢修流程為：第一步，歸一化待訓(xùn)練水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)樣本集；第二步，計(jì)算待識(shí)別樣本x 與訓(xùn)練集內(nèi)每一水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障樣本之間距離第三步，在概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式層，以概率密度為激活函數(shù)，進(jìn)行待識(shí)別樣本x 與每一訓(xùn)練樣本之間相似度的計(jì)算，即第四步，在概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求和層，計(jì)算待識(shí)別樣本x 與水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障類(lèi)別訓(xùn)練樣本的相似度總和計(jì)算，并將其視為樣本歸屬特定故障類(lèi)別概率大??；第五步，在概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層對(duì)比待識(shí)別樣本x 與水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障類(lèi)別的平均概率，概率最大類(lèi)別為待識(shí)別水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)樣本的故障類(lèi)別。

3.3 確認(rèn)檢修策略

根據(jù)水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)樣本的故障類(lèi)別識(shí)別結(jié)果，檢修人員可以進(jìn)行水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢修策略的制定。比如，在確定水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)樣本的故障類(lèi)別為水力振動(dòng)故障的卡門(mén)渦共振時(shí)，檢修人員應(yīng)結(jié)合水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率，對(duì)葉片進(jìn)行修型，改善葉片出水邊厚度尺寸分布，促使葉片出口環(huán)量分布均勻且合理；針對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡故障，檢修人員可以借助動(dòng)平衡儀或動(dòng)平衡系統(tǒng)，進(jìn)行配重；對(duì)于大軸永久性彎曲、軸線(xiàn)不對(duì)中故障，檢修人員可以從零部件著手進(jìn)行各導(dǎo)軸承間隙的修正；針對(duì)發(fā)電機(jī)磁拉力不平衡問(wèn)題，檢修人員可以先調(diào)整軸承、鍵槽、軸承蓋等部件將水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)調(diào)整至磁場(chǎng)中心線(xiàn)，再進(jìn)行磁極間距調(diào)整，必要時(shí)，增加磁極數(shù)或更改勵(lì)磁方式。

4 水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障檢修的保障措施

4.1 完善故障檢修制度

完善構(gòu)建故障檢修制度是水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障檢修規(guī)范開(kāi)展的保障。在故障檢修制度制定前，相關(guān)人員可以梳理現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，局部見(jiàn)表2。

表2 現(xiàn)行水力發(fā)電設(shè)備監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（局部）

根據(jù)表2，相關(guān)人員應(yīng)建立故障檢修績(jī)效考核激勵(lì)制度，從多個(gè)方面，明確水力發(fā)電設(shè)備振動(dòng)故障、機(jī)械故障、電氣故障等不同故障檢修質(zhì)量考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果與人員薪資績(jī)效有機(jī)關(guān)聯(lián)，增強(qiáng)檢修人員對(duì)科學(xué)狀態(tài)檢修的關(guān)注，激勵(lì)人員自覺(jué)遵守制度規(guī)范作業(yè)。

4.2 做好全面實(shí)時(shí)監(jiān)控

全面實(shí)時(shí)監(jiān)控是水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障判定準(zhǔn)確性的保障。比如，為判定水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行期間主軸對(duì)中情況以及各導(dǎo)軸承預(yù)載荷、同心度，檢修人員應(yīng)以主軸運(yùn)行軌跡及動(dòng)態(tài)空間軸線(xiàn)為監(jiān)控要點(diǎn)，將電渦流傳感器布置在主軸徑向臨近導(dǎo)軸承2 個(gè)互成90°的方向，實(shí)時(shí)測(cè)量主軸擺度。

4.3 強(qiáng)化人員綜合素養(yǎng)

檢修人員是水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障檢修開(kāi)展的主體，強(qiáng)化人員綜合素養(yǎng)至關(guān)重要。因此，在水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障檢修人員篩選時(shí)，應(yīng)優(yōu)選專(zhuān)業(yè)水平高、責(zé)任心強(qiáng)、善于思考、積極創(chuàng)新的人員。同時(shí)，根據(jù)水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢修技術(shù)發(fā)展，組織檢修人員開(kāi)展培訓(xùn)。以骨干檢修人員為紐帶，定期評(píng)選優(yōu)秀檢修人員，由優(yōu)秀檢修人員帶動(dòng)新入職檢修人員更快地適應(yīng)狀態(tài)檢修模式。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，振動(dòng)故障、機(jī)械故障、電氣故障在水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中較為常見(jiàn)，會(huì)直接影響設(shè)備的平穩(wěn)可靠運(yùn)行。因此，檢修人員應(yīng)科學(xué)運(yùn)用狀態(tài)檢修手段，經(jīng)壓力、渦流傳感器實(shí)時(shí)收集水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，在概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)分析信息并輸出設(shè)備故障類(lèi)別。根據(jù)設(shè)備故障類(lèi)別，檢修人員可以制定恰當(dāng)?shù)男蘩聿呗?，確保水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行故障的預(yù)先處理，避免故障影響范圍擴(kuò)大。