何理瑞
(浙江水利水電學(xué)院 工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心,浙江 杭州 310018)
水輪機(jī)是水電站運(yùn)行的核心設(shè)備,其工作狀態(tài)是否穩(wěn)定對(duì)整個(gè)電站發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行保障具有很大的影響,若設(shè)備出現(xiàn)重大安全事故往往會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.有資料表明,水電機(jī)組所發(fā)生的70%~80%的故障都能通過(guò)水電機(jī)組的振動(dòng)反映出來(lái).振動(dòng)故障預(yù)測(cè)和診斷是保障水輪機(jī)安全運(yùn)行的有效技術(shù)手段之一.對(duì)水輪機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)及失效分析的研究,具有很大的實(shí)際意義,有利于推動(dòng)設(shè)備維護(hù)和狀態(tài)檢修工作的正常開展.水輪機(jī)振動(dòng)故障診斷與失效分析研究,及時(shí)、正確地對(duì)水輪機(jī)各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)作出診斷,預(yù)防或消除故障,提高機(jī)械運(yùn)行的可靠性、安全性和有效性,將水輪機(jī)故障的損失降低到最低水平.保證水輪機(jī)發(fā)揮最大的工作能力,制定合理的檢修制度,延長(zhǎng)水輪機(jī)服役期限和使用壽命,降低其全壽命周期費(fèi)用.
利用振動(dòng)信息進(jìn)行故障診斷,一般是出于以下考慮:
(1)振動(dòng)是機(jī)械運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的必然現(xiàn)象,只要機(jī)械設(shè)備開動(dòng)就有振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生,而故障信息包含于振動(dòng)信號(hào)之中;
(2)易于實(shí)現(xiàn)在線診斷和監(jiān)控;
(3)大部分機(jī)械內(nèi)部異常時(shí),會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)量的增加以及振動(dòng)頻率成分或振動(dòng)形態(tài)的改變;
(4)不同的故障是由于機(jī)械故障所施加的激勵(lì)不同而引起的.因而產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)具有各自的特點(diǎn);
(5)測(cè)試手段、方法、理論相對(duì)比較成熟.
水輪機(jī)振動(dòng)與其他機(jī)器設(shè)備一樣,在運(yùn)轉(zhuǎn)中的振動(dòng)是普遍存在的、不可能安全避免和消除的現(xiàn)象.根據(jù)引起振動(dòng)的誘發(fā)原因,水輪機(jī)振動(dòng)故障特點(diǎn)主要表現(xiàn)為:
(1)水輪機(jī)振動(dòng)故障的漸變性.水輪機(jī)轉(zhuǎn)速與其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速相比明顯較低,水輪機(jī)振動(dòng)故障的發(fā)展一般屬于漸變性、耗損性故障.同時(shí)也為故障診斷和趨勢(shì)分析,捕捉事故征兆,早期預(yù)警帶來(lái)便捷.
(2)水輪機(jī)振動(dòng)故障的復(fù)雜多樣性.水輪機(jī)是一個(gè)涉及機(jī)械和水力的復(fù)雜系統(tǒng).在運(yùn)行過(guò)程中除了機(jī)械因素外還有水力因素的影響,可能是某一個(gè)因素引起的單一振動(dòng),也可能是幾種因素共同作用的耦合振動(dòng),振動(dòng)機(jī)理相對(duì)復(fù)雜.
(3)水輪機(jī)振動(dòng)故障的特殊性.整個(gè)水電站的設(shè)計(jì)、施工受地理位置、地質(zhì)狀況和經(jīng)濟(jì)技術(shù)等多方面的影響.導(dǎo)致了不同于一般振動(dòng)故障的特性.
振動(dòng)故障診斷的“專家系統(tǒng)”是指在計(jì)算機(jī)控制的振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)、特征分析和振動(dòng)專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用人工智能方法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)故障的一種自動(dòng)診斷系統(tǒng).它通常是水輪機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的一個(gè)組成部分(見圖1).
圖1 專家系統(tǒng)的構(gòu)成
通常當(dāng)水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí),必然會(huì)反映到振動(dòng)水平的改變或異常,特別是在振動(dòng)頻率上表現(xiàn)得最為明顯.為了掌握故障征兆參數(shù)與故障原因之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立故障樣本數(shù)據(jù)庫(kù).對(duì)異常振動(dòng)原因進(jìn)行分析和推斷.運(yùn)用頻譜分析方法,國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家對(duì)遇到的大量實(shí)際故障進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),按照征兆對(duì)應(yīng)的故障發(fā)生頻率建立了用于故障診斷的征兆頻率表(見表1).
振動(dòng)幅值的大小是反映故障發(fā)生嚴(yán)重程度的一種度量.大量的工程實(shí)踐表明,當(dāng)發(fā)生振動(dòng)故障時(shí),總會(huì)在水輪機(jī)的某個(gè)部位檢測(cè)到超過(guò)允許值的振動(dòng).
(1)若在水導(dǎo)軸承處的振動(dòng)比其他部位更明顯時(shí),可能是蝸殼、導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪中的水力不平衡所引起的振動(dòng).
(2)若因轉(zhuǎn)輪葉片出水連線型差異、葉片尾部形成卡門渦列、尾水管中產(chǎn)生偏心渦帶等引起的振動(dòng),則在壓力鋼管、尾水管頂板均可測(cè)得明顯振動(dòng),蝸殼中會(huì)出現(xiàn)較大水壓波動(dòng).
因此,根據(jù)振動(dòng)部位的不同,也可在一定程度上判斷振動(dòng)故障原因.當(dāng)水輪機(jī)發(fā)生振動(dòng)故障時(shí),總會(huì)在某個(gè)(或某些)部位產(chǎn)生較大的振動(dòng),即振動(dòng)部位反映與振動(dòng)故障有著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見表2).
表1 水輪機(jī)振動(dòng)故障頻譜特征表
注:表中f0為轉(zhuǎn)子工作頻率.
表2 水輪機(jī)振動(dòng)故障幅值特征表
對(duì)于水輪機(jī)來(lái)說(shuō)振動(dòng)引起的各種故障或事故成為其檢修的主要原因.狀態(tài)監(jiān)測(cè)是對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行狀況和現(xiàn)存性能指標(biāo)以及安全程度,失效分析的綜合描述.它是對(duì)水輪機(jī)整體或主要部件的各種性能指標(biāo)定量或定性的反映,通過(guò)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)分析工具和方法,對(duì)水輪機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄與分析,采用在線或離線故障診斷系統(tǒng),對(duì)機(jī)組現(xiàn)存狀態(tài)作出科學(xué)評(píng)估、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和失效分析.
水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)檢修工作主要由五個(gè)環(huán)節(jié)組成:水輪機(jī)→狀態(tài)監(jiān)測(cè)→診斷分析并判斷決策→檢修管理→檢修評(píng)估,并形成有機(jī)的閉環(huán)系統(tǒng)(見圖2).對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),然后對(duì)機(jī)組進(jìn)行故障診斷和綜合狀態(tài)評(píng)估,從而判定是否需要維修、何時(shí)維修、維修部件和部位,并給出狀態(tài)檢修建議,為檢修計(jì)劃、失效與否提供依據(jù).
圖2 水輪機(jī)狀態(tài)檢修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
隨著信息技術(shù)和數(shù)學(xué)方法的發(fā)展,尤其是智能化專家系統(tǒng)、模糊理論、灰色理論、遺傳理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新興方法的建立與逐步成熟,計(jì)算機(jī)技術(shù)的有力支持,振動(dòng)診斷在水輪機(jī)故障診斷與失效分析中的應(yīng)用越來(lái)廣泛,應(yīng)用振動(dòng)故障診斷與處理技術(shù),已成功地解決了水輪機(jī)運(yùn)行中的大許多振動(dòng)問題,在保證設(shè)備、企業(yè)安全運(yùn)行方面發(fā)揮了重要作用.深入進(jìn)行振動(dòng)故障診斷與失效分析的研究和探討,努力將新技術(shù)轉(zhuǎn)化為物化系統(tǒng)并應(yīng)用于生活實(shí)際,具有重要理論研究意義和實(shí)際工程價(jià)值.
參考文獻(xiàn):
[1] 何理瑞.振動(dòng)診斷在機(jī)械設(shè)備齒輪故障診斷中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2009(5):210-212.
[2] 張學(xué)延.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)診斷[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.
[3] 毛漢領(lǐng).混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋監(jiān)測(cè)研究[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2009.
[4] 王玲花.水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)及分析[M].鄭州:黃河水利出版社,2011.
[5] 張梅軍.機(jī)械狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.
[6] 劉 云.水輪發(fā)電機(jī)故障處理與檢修[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010.
[7] 劉曉波.旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷若干關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.