水轮发电机组的状态监测和故障诊断

水轮发电机组的状态监测和故障诊断

余军

(信阳市南湾山库水电站，河南 信阳464031)

【摘要】水轮发电机组是水电厂的核心设备之一，其运行状态的稳定性与安全性直接关系到水电厂的安全。本文在分析水轮发电组振动机理、监测内容及典型故障的基础上，对水轮发电组的状态监测和故障诊断系统进行了阐述。

【关键词】水轮发电机组；状态监测；故障诊断；水电站

中图分类号：TV734.1

State monitoring and fault diagnosis of water-turbine generator set

YU Jun

(XinyangNanwanshanReservoirHydropowerStation,Xinyang464031,China)

Abstract:Water-turbine generator set is one of core equipment in hydropower station. The stability and safety of its running state are directly related to the safety of hydropower station. In the paper, the vibration mechanism, monitoring content and typical faults of water-turbine generator set are analyzed. On the basis, the state monitoring and fault diagnosis systems of water-turbine generator set are described.

Key words: water-turbine generator set; state monitoring; fault diagnosis; hydropower station

1水轮发电机组振动机理、监测内容及典型故障

1.1振动机理

推动或维持水轮发电机组振动的直接动力是水能。引发水轮发电机组振动的因素有很多，其中最重要的因素有三类：水力因素、电磁因素及机械因素。在水力因素方面引起水轮发电机组振动的主要原因如下：

a.设计的转轮结构不当。若转轮与迷宫的参数不合理，则会由于水力而产生振动。同时，由于转轮与迷宫之间止漏环径间隙的存在，也会引发振动，且随着流量的增大，振动的范围也会增大。因此，在对两者之间的止漏环间隙进行设计时，必须使之合理。

b.卡门涡流。以f为卡门涡的频率，t为尾部的最大宽度，v为水的流速，St为系数，则卡门涡流频率的计算公式为f=Stv/t。其中，f的单位为Hz；t的单位为m；v的单位为m/s；St一般在0.18～0.22之间。

除此之外，其他影响因素还有尾水管涡带、转轮进口处压力波动以及汽蚀。

1.2振动监测内容

振动监测内容包括机壳振动监测、大轴状态监测、轴心轨迹监测以及水轮发电机组振动测点选择与布置。

1.3常见故障

常见故障包括转子不平衡、轴系不对中以及油膜涡动与油膜振荡。其中，转子不平衡是水轮发电机组中最为常见、最易发生的故障。轴系不对中可分为轴承不对中和联轴器不对中两种，后者又可分为平行不对中、平行偏角不对中以及偏角不对中。油膜涡动故障出现的特征是轴心轨迹的形状类似内“8”字形，油膜振荡故障出现的特征是轴心轨迹的形状为花瓣形。

2振动状态监测

状态监测系统的功能是对发电机组的运行状态进行监测，其方法主要是利用传感器检测机组设备在运行状态下的重要物理量。按轴线位置对水轮发电机组进行分类，有立式与卧式。按能量方式转换的不同可分为反击式与冲击式。下面以立式混流式水轮发电机组为例，对水轮发电机组振动状态监测系统的结构进行设计。

2.1系统结构

根据立式混流式水轮发电机组的特点，采用多层分布式网络结构对其振动状态监测系统的总体结构进行设计，如图1所示。

图1　状态监测系统网络结构

2.2系统的硬件设计

立式混流式水轮发电机组振动状态监测系统主要由四部分组成：各振动监测传感器、监控中心设备、就地数据采集站以及相关的网络设备。该系统具体的硬件设计内容如下。

2.2.1监测点的选择与布置

在对发电机组监测点进行选择与布置时，为了确保其科学性与合理性，必须严格遵守以下原则：ⓐ监测点必须能够全面反映出该系统的状态，且能够满足后续分析诊断的需要；ⓑ监测点的安装要确保机组的正常运行；ⓒ所选择的监测点传感器不仅要便于安装，而且也便于日后的维修；ⓓ在充分满足监测需要的前提下，还必须考虑传感器的性价比。该系统监测点的部分设置见表1，其布局见表1、图2。

表1　立式混流式水轮发电机组振动状态

图2　测点布置示意图

2.2.2传感器的选型

传感器在整个系统中起到关键性作用，因此必须在水轮发电机组结构与运行特点的基础上，根据具体实际需要选择传感器。同时，所选择的传感器必须满足各项重要指标要求，主要有灵敏度、线性度、精度、动态范围、动态特性、稳定性以及抗干扰能力等。按传感器测量参数的数据类型对其进行划分，在振动测试中可分为位移传感器、速度传感器以及加速传感器。

该系统中，所运用的传感器及其所选用的型号为：键相与摆度传感器选用电涡流传感器，振动传感器采用低频速度传感器，定子铁芯振动传感器采用加速度型传感器，压力脉动传感器采用压电型压力变送器，抬基量传感器选用最大直径的电涡流传感器。例如：该系统机架振动传感器所选用低频速度传感器的类型为MLS/V—9，其具体参数为：灵敏度为300Mv/mm，频率响应在0.5～200Hz之间，幅值线性度要小于3%，工作温度在-30～60℃之间，供电电源为±12VDC、±24VDC，输出形式为-10～+10V、4～20mA。

2.2.3数据采集站设计

该系统数据采集站设备连接图见图3，其中，机柜内直流电源箱的功能是为系统中的传感器提供±12V和±24V的直流电源。

图3　数据采集站设备连接

根据上面提到的监测点的设置，该系统数据采集箱所包括的模板主要有键相模板、摆度模板、振动模板、压力脉动模板、过程量输入模板、继电器输出模板、系统板以及存储板。各采集模板之间互不影响，都可以独立工作。各模板之间的连接图见图4。

图4　数据采集箱功能模板连接

2.3监控中心设备选型

监控中心设备主要包括数据服务器、工程师站、WEB服务器、硬件防火墙以及相关网络设备等。其中，数据服务器与WEB服务器采用的是7945O85机架式服务器，工程师站采用的是TinkCentre M8300t台式机，防火墙采用的是PIX—535—FO—BUN，网络拓扑结构采用星形结构。

2.4系统主要功能

该系统的主要功能包括：实时显示机组运行状态信息，对时域、频域以及过量信号的分析，不同工况的报警与预警，辅助工作人员完成机组的各种性能试验并能自动生成试验报告，实现对机组的实时状态报告与长期运行状态报告以及能够对机组进行远程分析与诊断。

3水轮发电机组振动故障诊断

稳定性是衡量水轮发电机组性能的重要指标之一。随着大批巨型机组的投入使用，其稳定性也日益重要。若不及时采取有效措施维护机组的稳定性，易导致事故发生，严重危害到生命财产安全。因此，非常有必要对水轮发电机的故障进行诊断。

目前，水轮发电机组振动故障诊断技术已取得了较大成就。其中，研究以及应用比较广泛的技术主要有模糊诊断法、小波分析、专家系统诊断法以及神经网络诊断法等。水轮发电机组振动故障的特点包括分布不均匀性、渐变性或耗损性、复杂多样性以及不规则性。根据水轮发电机组振动故障的特点，笔者主要对专家系统诊断法进行分析。

3.1故障诊断系统的结构设计

依据水轮发电机组振动故障的特点，该振动故障诊断系统的结构主要是在规则与BP神经网络相结合的基础上设计的。这样，可以将传统的专家系统与人工神经网络诊断方法的优点融合起来，大大提高故障诊断系统的科学性与权威性。该振动故障诊断系统主要由两部分组成：在线故障自动诊断和离线故障诊断。其中，前者是机组自动启动的，后者是人工启动的。诊断的基本流程见图5。

图5　故障诊断的基本流程

振动故障诊断系统的组成及其结构见图6。

图6　故障诊断系统结构

3.2故障诊断知识的获取

水轮发电机组故障诊断知识获取的方法为分层次。例如：设备的结构、功能、技术规程以及操作范围等方面的知识，可以从设计文件、技术规程以及操作规程等中获取。

该系统的故障诊断知识是存储在故障诊断数据库之中的，且以表格的形式分类存储。以水导摆度报警为例，其部分相关诊断知识数据见表2。

表2　水导摆度报警相关知识数据

3.3信号分析与征兆提取

征兆获取是整个诊断过程的首要任务，它直接关系到诊断过程的速度与诊断结果的准确性。要使诊断过程的时间最短、结果准确性最高，就必须采取行之有效的手段获得更多、更准确以及更有效的征兆。信号分析正是获取故障征兆的重要手段之一，因此必须采取多种方式对信号进行分析。

3.4故障诊断系统的主要功能

该振动故障诊断系统的功能主要有在线自动诊断功能、高级离线诊断功能、故障诊断数据库编辑功能、故障分级处理功能、监测量屏蔽功能以及故障查询管理功能。

4结语

水轮发电机组运行状态的稳定性直接关系到水电站的运行及安全。在机组运行过程中引起振动的原因较多，但目前还没有可以彻底解决这一类问题的办法。只能通过设计机组运行状态的监测诊断系统即时监控机组的运行状况，通过不断地积累经验和寻找规律，提高发电机运行安全及稳定性能。

参考文献

[1]陈顺永.水轮发电机组状态监测与故障诊断方法[J].甘肃科技,2010,26(22):70-71,64.

[2]孔祥彬.水轮发电机组状态监测与故障诊断系统设计与应用[D].西安：西安理工大学,2010.

[3]宋通林.西流水水电站水轮发电机组状态监测与故障诊断系统设计与应用[D].西安：西安理工大学,2010.

[4]代红.水轮发电机组振动状态监测与故障诊断系统研究与应用[D].宜昌：三峡大学,2012.

[5]唐德军.水轮发电机组状态监测与故障诊断方法探讨[J].科技与企业,2013,12(12):331.

[6]庄爱宁.水轮发电机组状态监测与故障诊断方法[J].机电信息,2012,16(9):64-65.