水轮发电机组故障诊断系统的设计与实现

水轮发电机组故障诊断系统的设计与实现

谢佳欣

贵州中水能源股份有限公司遵义分公司 贵州省遵义市 563000

摘要：近年来，我国的水电站建设越来越多，对水轮发电机组的应用也越来越广泛。水轮机是目前投运的最大单机容量机组，其运行的稳定性受到国内外同行的高度关注，对确保电力系统的安全稳定也具有极其重要的意义。本文简要论述了高温冷却水循环系统故障，详细阐述了振动故障、定位胎具设计研发应用、机组摆度、状态评估逻辑设计以及机组运行区域划分，以供参考。

关键词：水电机组；故障诊断；状态检修；KKS；在线监测

引言

水轮机模型试验是检验水轮机转轮性能的重要手段，但是由于受到各种因素的制约，水轮机模型与真机之间不可能完全相似，水轮机模型试验的结果不能完全反映真机的水力特性，因此必须通过试验来获取真机的真实性能。水轮发电机组振动和摆度是水电站设计与运行维护中的重大课题，它作为新机安装或者机组大修后运行时的动态评价指标，在机组安全稳定运行方面具有举足轻重的地位。因此，在实践中解决水轮发电机组振动问题，在提高机组安全稳定运行和延长机组使用寿命方面将具有十分重要的意义。

1高温冷却水循环系统故障

运行人员在机组热备期间巡视发现：①在环境温度0℃-20℃时机组高温冷却水水温维持于40℃-45℃之间不满足机组热备设定温度55℃-65℃，在环境温度25℃-30℃时，机组水温满足设定温度；②热备过程中高温膨胀水箱液位上升，严重时溢流至加药水箱；③机组定期检查运行期间出现高温水超温停机事件（机组高温冷却水水温＞95℃），同时伴随高温膨胀水箱液位上升。通过现场分析及试验导致机组三项问题：①机组热备期间高温冷却水膨胀水箱液位异常问题；②机组运行期间高温冷却水超温事件；③预热温度不满足设定要求，的原因为：①机组恒温阀故障；②机组蒸汽排放管路堵塞。对相应问题进行整改：①更换机组高温冷却水恒温阀；②对机组蒸汽排放管路进行排查。通过对机组故障恒温阀的更换限定了机组热备期间冷却水的加热范围，提高了机组热备期间冷水水温，通过对机组蒸汽管路的清理，保障了蒸汽管路的通常消除了机组热备运行期间高温膨胀水箱液位异常上升的问题，消除了机组运行期间冷却水超温停机风险，保障了机组运行安全，恢复了机组功能。

2振动故障

水轮发电机组的振动问题与一般动力机械的振动有一定差异，除了需要考虑机器本身旋转部件和固定部件振动外，还要考虑作用于发电机的电磁振动以及作用于水轮机过流部件的流体压力对系统及其部件振动的影响。在机组运行状态下，流体-机械-电磁三部分之间是相互影响的。因此，水轮发电机组的振动是电气、机械、流体耦合振动。对设备的振动信息进行实时采集。然后将采集来的振动信号，通过有线网络反馈给位于风电场升压站的集中监测系统中。将振动信号转化为电信号，由计算机对信号进行分析。若存在异常数据，则自动收集该数据的来源位置，确定故障源。最后，将故障基础信息传送到远程诊断模块，实现远程在线诊断，并为下一步开展维修提供依据。为了尽可能全面收集振动信息，要挑选合适的监测点位。

3定位胎具设计研发应用

如果以停止转动后的孔位置确定钻床主轴中心位置，就可以省去手动粗找中心的时间，提高工作效率。通过对机组下轴套内孔尺寸的对比，设计研发两套尺寸定位胎具，一套为圆锥形定位胎具，一套为球形定位胎具，分别进行现场试验，并对结果进行分析对比。钻床主轴用的是莫氏钻卡头，我们利用直径50mm的钻头锥柄，就可以直接装在机床主轴上。把钻头部分去除，这样就可以和钻床主轴同心。使用圆锥形定位胎具进行实验，同心度为0．2～0．28mm，未达到技术要求，检测发现圆锥形定位胎具不能完全接触，有部分是点接触，而且圆锥形定位胎具长度过大，达到了最下限位，找正效果不理想。使用球形定位胎具实验，同心度为0．8～0．15mm，达到接触面大、稳定性强、契合度高，完全符合下轴套找正加工技术要求。将球形定位胎具安装在钻床主轴上，打开钻床锁紧装置，手动压入球形定位胎具，使其与尼龙套上沿口贴合，就可以达到找正中心的效果，精度在0．8～0．15mm左右，单个找正时间从25min，缩短到5min，大大提高了劳动生产率。

4机组摆度

随着机组负荷的增加，机组摆度逐渐减小，总体在厂家保证值范围内，主频主要为转频1．51Hz;随着导叶开度及流量的增大，在300～550MW负荷范围内，机组摆度呈现单峰形态，摆度值维持在较高水平，此时频率主要为0．3Hz，与该工况下无叶区压力脉动的频率基本一致。在550～850MW负荷范围内，三部轴承摆度幅值较小且稳定，幅值均维持在100um左右，此时频率主要为转频1．51Hz。

5状态评估逻辑设计

机组状态评估逻辑主要由三个步骤实现，第一步由在线监测数据按照规则逻辑确定状态量的状态，由故障诊断功能模块确定当前机组或部件是否存在故障及其故障等级情况；第二步由部件关联状态量状态按照规则逻辑确定关键部件的状态；第三步由关键部件状态按照规则逻辑确定机组主设备状态。将设备状态定义按照动态阈值等规则逻辑确定为四种不同的状态，分别为正常、注意、异常和危险。当任一特征值达到“注意”、“异常”，或机组存在三级故障时则系统自动定位故障点，并发出黄色告警；当机组存在二级故障或任一特征值为“危险”级别时，则发出橙色告警；当机组存在三个及以上特征参数为“危险”级别或存在一级故障时，则判定机组处于“危险”状态，发出红色告警。

6机组运行区域划分

根据试验数据及厂家合同保证值，可以将试验水头下全负荷范围内该机组的运行区域划分为。1)小负荷区。小负荷区的运行范围约为空载0～200MW，机组处于低水头、小开度的工况下，无叶区、蜗壳进口、锥管0．3D处压力脉动达到最大值，信号的主频为涡带频率，约为0．3Hz;此时机组振动、摆度幅值均维持在较高的水平，此时机组摆度主频主要为转频1．51Hz，顶盖振动主频为0．3Hz左右的低频。2)涡带工况区。负荷范围约为330～550MW，机组处于涡带工况，机组无叶区压力脉动呈现单峰值形态，此时机组振动、摆度均出现峰值，主频均为0．3Hz。3)大负荷最佳运行区。负荷范围约为550～750MW，机组振动、摆度、压力脉动等参数幅值达到全负荷最小值且幅值稳定，是机组的最佳运行区域。4)高负荷区。负荷范围约为750～850MW，无叶区压力脉动和顶盖振动出现翘尾现象，略有增加，无叶区压力脉动的主频为15倍转频;该区域其余部件振动摆度基本保持稳定，未出现明显变化。

结语

综上所述，当水轮发电机机架振动超标或偏大时，如果发电机摆度也处于较高水平，通过动平衡的手段来降低转子激振力有时也会取得理想的治理效果。当机组摩擦振动与转子平衡状况有较大关联时，通过动平衡的方法将发电机转子不平衡量控制在较低水平后，将有利于缓解甚至消除各导轴承摆度波动现象。

参考文献

[1]姜福长.水轮发电机组振动故障诊断系统的研究与设计[M].长沙：中南大学,2008.

[2]陈强,赵永国.电力资产统一设备编码体系研究与应用[J].电力信息与通信技术,2016,14(2),138.

[3]陈小松,洪凯,张志霞,郭鹏慧，周文，甄国强.基于趋势分析的远程诊断系统设计与实现[J].水电厂自动化,2017,38(2):36.

[4]卢双龙,吴峥峰,杨建刚.某汽轮发电机组异常振动分析及处理[J].电站系统工程,2015,31(5):51～53.