李國(guó)和,孫 勇,王 磊,魏 敏
(國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司,北京市 100023)
根據(jù)前期對(duì)10家抽水蓄能電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行專題分析,對(duì)各電站運(yùn)行情況有了較深入的了解。各運(yùn)行電站機(jī)組振擺不僅存在共性特征,如多數(shù)機(jī)組在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、具有相同影響因素等,而且個(gè)性化特征也較為突出。其中,瑯琊山機(jī)組振擺和波動(dòng)區(qū)間均較小,無(wú)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)情況,隨時(shí)間變化運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)突變狀況發(fā)生,整體運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)秀;桐柏、天荒坪、白蓮河、泰山電站機(jī)組振擺和波動(dòng)區(qū)間相對(duì)較小,但偶有超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)情況,隨時(shí)間變化運(yùn)行偶有突變情況發(fā)生,整體運(yùn)行狀態(tài)良好;回龍、張河灣、西龍池、蒲石河、宜興電站機(jī)組振擺和波動(dòng)區(qū)間較大且超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)情況時(shí)有發(fā)生,隨時(shí)間變化突變情況也相對(duì)較多,整體運(yùn)行狀態(tài)需要關(guān)注。
而且,基于10家抽蓄電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ),發(fā)現(xiàn)機(jī)組振擺主要表現(xiàn)在空間和時(shí)間兩個(gè)維度上,空間維度主要聚焦于振擺的大小,時(shí)間維度主要聚焦于振擺的規(guī)律。為此,本文利用箱線圖和趨勢(shì)擬合法,分別從空間和時(shí)間維度對(duì)國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司10家抽蓄電站40臺(tái)機(jī)組的振擺數(shù)據(jù)特征規(guī)律進(jìn)行深度探索。
1.1.1 機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)特征
從機(jī)架振動(dòng)的空間分布上看,主要特征為各運(yùn)行電站機(jī)組機(jī)架振動(dòng)差異較大,同一電站各運(yùn)行機(jī)組機(jī)架振動(dòng)差異也相對(duì)較大,而且各電站間機(jī)組機(jī)架振動(dòng)范圍各不相同。機(jī)組機(jī)架振動(dòng)個(gè)性特征明顯[1]。
抽水蓄能機(jī)組在發(fā)電(額定負(fù)荷)和抽水兩種工況下,振動(dòng)數(shù)據(jù)特征空間分布如圖1所示,由于宜興、桐柏、瑯琊山、泰山、白蓮河電站機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)為速度型測(cè)點(diǎn),單位為mm/s?;佚?、蒲石河、天荒坪、西龍池、張河灣電站機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)為位移型測(cè)點(diǎn),單位為μm。所以針對(duì)不同振動(dòng)單位,分別比較。
從圖1可以看出,發(fā)電(額定負(fù)荷)和抽水工況下,機(jī)架振動(dòng)特征表現(xiàn)基本保持一致。綜合振動(dòng)數(shù)據(jù)特征情況和超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)情況:回龍、張河灣電站機(jī)組機(jī)架振動(dòng)值很大,且大幅超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);蒲石河和西龍池電站機(jī)組機(jī)架振動(dòng)值也相對(duì)較大,且存在超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況;天荒坪、宜興、桐柏、瑯琊山電站機(jī)架振動(dòng)值均很小,沒(méi)有超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況發(fā)生。在機(jī)組層面,回龍1、2號(hào)機(jī)組、張河灣2、3號(hào)機(jī)組機(jī)架振動(dòng)值偏大,而瑯琊山電站4臺(tái)機(jī)組機(jī)架振動(dòng)值很小。
1.1.2 機(jī)組擺度數(shù)據(jù)特征
從導(dǎo)軸承擺度數(shù)據(jù)特征空間分布上看,其主要特征與機(jī)架振動(dòng)相同[2](見(jiàn)表1),也表現(xiàn)為各運(yùn)行電站機(jī)組擺度差異較大,同一電站各運(yùn)行機(jī)組擺度差異也相對(duì)較大的同時(shí),各電站間機(jī)組擺度范圍各不相同。機(jī)組導(dǎo)軸承擺度個(gè)性特征同樣明顯(見(jiàn)表2)。
圖1 各工況下40臺(tái)機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)區(qū)間分布Figure 1 Vibration data interval distribution of 40 units under various working conditions
表1 機(jī)組機(jī)架振動(dòng)區(qū)間中位數(shù)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of the median vibration range of unit frame exceeding the national standard
從圖2可以看出,發(fā)電(額定負(fù)荷)和抽水工況下,導(dǎo)軸承擺度特征表現(xiàn)基本保持一致。綜合擺度數(shù)據(jù)特征情況和超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)情況:回龍、蒲石河電站機(jī)組導(dǎo)軸承擺度值均很大,且大幅超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表3);宜興和西龍池電站導(dǎo)軸承擺度值也相對(duì)較大,且存在超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況[3];瑯琊山、泰山、白蓮河電站導(dǎo)軸承擺度值均很小,沒(méi)有超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況發(fā)生。在機(jī)組層面,回龍1、2號(hào)機(jī)組、宜興2號(hào)機(jī)組、西龍池2號(hào)機(jī)組導(dǎo)軸承擺度均偏大,而瑯琊山電站4臺(tái)機(jī)組導(dǎo)軸承擺度均很小。
表2 機(jī)組導(dǎo)軸承擺度區(qū)間中位數(shù)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of unit guide bearing swing interval median exceeding national standard
圖2 各工況下40臺(tái)機(jī)組擺度數(shù)據(jù)區(qū)間分布Figure 2 Swing data interval distribution of 40 units under various working conditions
表3 蒲石河發(fā)電(額定負(fù)荷)工況導(dǎo)軸承擺度預(yù)警值示意Table 3 Early warning value of guide bearing swing under power generation (rated load) condition of pushihe
1.1.3 機(jī)組振擺故障特征
篩選由振擺異常引起、并且具備數(shù)據(jù)支撐分析的9次嚴(yán)重、危急缺陷,根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘分析得出,此類缺陷發(fā)生前是缺陷發(fā)生前機(jī)組多數(shù)部位振擺陸續(xù)突增[4],以瑯琊山電站3號(hào)機(jī)組2016年4月18日發(fā)電過(guò)程中缺陷振擺特征為例,如圖3所示。
1.1.4 基于振擺大小的預(yù)警值分析
根據(jù)振擺空間大小的分析結(jié)果,不同機(jī)組振擺歷史運(yùn)行范圍存在明顯差異,有著不同的個(gè)性化的運(yùn)行特性[5]。而機(jī)組運(yùn)行超出自身運(yùn)行特性,即可能進(jìn)入異常運(yùn)行狀態(tài)。為了機(jī)組長(zhǎng)期可靠安全的運(yùn)行,充分考慮機(jī)組運(yùn)行的個(gè)性化特性,及時(shí)掌握機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),盡早發(fā)現(xiàn)機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在非振擺歷史區(qū)間或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)非安全區(qū)域引起的異常狀態(tài)征兆,避免嚴(yán)重事故發(fā)生,保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行,因此開(kāi)展預(yù)警值探索性分析研究。
依據(jù)規(guī)程,評(píng)定各種機(jī)器振動(dòng)烈度有兩個(gè)評(píng)定準(zhǔn)則的一般描述。一是考慮振動(dòng)幅值(大小),不能超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(A-B區(qū)上限值)的1.25倍;二是考慮振動(dòng)幅值(大?。┑淖兓还苁窃黾舆€是減少,明顯變化時(shí)可能指示事故已發(fā)生或預(yù)示即將發(fā)生的事故或其他不規(guī)則事故,而且當(dāng)幅值(大?。┑淖兓^(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(A-B區(qū)上限值)的25%時(shí),這樣的變化被認(rèn)為是明顯的[6]。
圖3 振擺類缺陷發(fā)生時(shí)振擺變化情況Figure 3 Shimmy changes when shimmy defects occur
預(yù)警值對(duì)不同的機(jī)器可以有很大的變化,通常是相對(duì)于基線值來(lái)設(shè)定預(yù)警值[7]。以各機(jī)組各部位2011—2016年振擺數(shù)據(jù)的分布區(qū)間上限作為基線值,超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(A-B區(qū)上限值),預(yù)警基線值修正為A-B區(qū)上限值。
考慮振動(dòng)幅值(大?。┮?jiàn)式(1):
考慮振動(dòng)幅值(大?。┳兓?jiàn)式(2):
1.2.1 機(jī)組振擺數(shù)據(jù)特征
從機(jī)組振擺隨時(shí)間維度的變化特征上來(lái)看,主要存在年內(nèi)呈季節(jié)性變化;年間呈一定范圍內(nèi)規(guī)律波動(dòng);懸式機(jī)組較半傘式機(jī)組季節(jié)性變化更為明顯的特征[8](見(jiàn)表4)。
一是機(jī)組振擺年內(nèi)呈季節(jié)性變化。季節(jié)性變化機(jī)組總占比達(dá)70%,懸式機(jī)組較半傘式機(jī)組季節(jié)性變化更為明顯。在發(fā)電(額定負(fù)荷)工況下,天荒坪、宜興、回龍電站12臺(tái)懸式機(jī)組中有10臺(tái)機(jī)組振擺年內(nèi)呈季節(jié)性變化特征,占比83%。桐柏、瑯琊山、西龍池、張河灣、泰山、蒲石河、白蓮河電站28臺(tái)半傘式機(jī)組中有18臺(tái)機(jī)組振擺年內(nèi)呈季節(jié)性變化特征,占比64%。導(dǎo)軸承擺度年內(nèi)季節(jié)變化規(guī)律是1、2、3月擺度較小,7、8、9月擺度較大。抽水工況下振擺季節(jié)性變化特征與發(fā)電(額定負(fù)荷)基本一致[8](見(jiàn)圖4)。
二是機(jī)組振擺年間呈現(xiàn)在一定范圍內(nèi)規(guī)律波動(dòng)。分析的40臺(tái)機(jī)組中,發(fā)電(額定負(fù)荷)工況下,約69%的機(jī)組測(cè)點(diǎn)振擺在一定范圍內(nèi)波動(dòng),在抽水工況下,約66%的機(jī)組測(cè)點(diǎn)振擺在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。此外,半傘式機(jī)組測(cè)點(diǎn)振擺在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的特征占比更大。在發(fā)電(額定負(fù)荷)工況下,天荒坪、宜興、回龍電站等懸式機(jī)組中,約55%的機(jī)組測(cè)點(diǎn)振擺在一定范圍內(nèi)波動(dòng);桐柏、瑯琊山、西龍池、張河灣、泰山、蒲石河、白蓮河電站等半傘式機(jī)組中,約76%的機(jī)組測(cè)點(diǎn)振擺在一定范圍內(nèi)波動(dòng)[9](見(jiàn)圖5)。抽水工況下機(jī)組測(cè)點(diǎn)振擺在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的特征與發(fā)電(額定負(fù)荷)基本一致,如圖6所示。
1.2.2 機(jī)組振擺突變情況分析
從機(jī)組振擺在時(shí)間維度上的突變情況上來(lái)看,天荒坪4~6號(hào)機(jī)組、宜興1~2、4號(hào)機(jī)組、西龍池2號(hào)機(jī)組、張河灣1~4號(hào)機(jī)組、泰山2~3號(hào)機(jī)組、蒲石河2~3號(hào)機(jī)組、回龍1~2號(hào)機(jī)組機(jī)架振動(dòng)或?qū)лS承擺度存在某個(gè)時(shí)間突然變化的特征,而且機(jī)架振動(dòng)較導(dǎo)軸承擺度的突變特征更為突出?,樼鹕胶屯┌仉娬臼亲钇椒€(wěn)的,波動(dòng)最小更沒(méi)有突變情況發(fā)生,運(yùn)行最優(yōu)(見(jiàn)圖7~圖9)。
機(jī)組振擺突出表現(xiàn)為兩個(gè)方向的特征,一個(gè)是空間維度,主要體現(xiàn)為振擺的大??;另一個(gè)是時(shí)間維度,主要體現(xiàn)為振擺的變幅。為了綜合比較公司各電站在空間、時(shí)間維度上的變幅,就需要一把統(tǒng)一的尺子加以衡量,以確立評(píng)價(jià)比較的準(zhǔn)確性和權(quán)威性。為此,本文借助大數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)算法,引入了機(jī)組振擺綜合評(píng)分法的概念[10]。
首先,為了去除振動(dòng)和擺度數(shù)據(jù)單位或量級(jí)限制,選取離差標(biāo)準(zhǔn)化算法對(duì)振擺原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,將其轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱量的純數(shù)值,使結(jié)果落到[0,1]區(qū)間上,便于不同單位或量級(jí)的指標(biāo)進(jìn)行比較和加權(quán);而且為了消除各電站機(jī)組之間量級(jí)的差異性以及最大程度上保證分析結(jié)論的準(zhǔn)確性和權(quán)威性,離差標(biāo)準(zhǔn)化的分母使用的是各電站國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定振擺的最大值。具體計(jì)算公式如式(3)所示。
然后,選取等距映射(ISOMAP)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間維度上的映射,使含有空間大小和隨時(shí)間變化特性的二維振擺數(shù)據(jù)降維為一維數(shù)據(jù),此算法能夠很好地保留數(shù)據(jù)的全局幾何信息。在MDS理論框架上保持點(diǎn)與點(diǎn)之間的最短距離見(jiàn)式(4)。
式中dG——點(diǎn)與點(diǎn)之間的測(cè)地距離;
xbi——高維的點(diǎn);
ybi——低維的點(diǎn)。
轉(zhuǎn)化為最小誤差函數(shù)見(jiàn)式(5):
最后,綜合考慮振擺數(shù)據(jù)在空間中的大小和振幅情況,選取中位數(shù)、50%集中分布區(qū)間和95%集中分布區(qū)間三個(gè)角度進(jìn)行評(píng)價(jià),由點(diǎn)到面,全面展示數(shù)據(jù)的整體信息,進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。
上述百分位公式中,b表示百分位,Lb、i、fb分別為該百分位所在組段的下限,組距和頻數(shù),F(xiàn)b為小于該百分位的各組段累計(jì)頻數(shù)。則中位數(shù)等三個(gè)特征值的計(jì)算公式見(jiàn)式(7)~式(9):
表4 機(jī)組振擺在時(shí)間維度上的突變情況統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of the sudden change of unit swing in time dimension
圖4 懸式機(jī)組導(dǎo)軸承擺度隨時(shí)間年內(nèi)季節(jié)性變化規(guī)律示意圖Figure 4 Schematic diagram of seasonal variation of swing of guide bearing of suspension unit with time
圖5 半傘式機(jī)組導(dǎo)軸承擺度隨時(shí)間年內(nèi)季節(jié)性變化規(guī)律示意圖Figure 5 Schematic diagram of the seasonal variation of the swing of the guide bearing of the semi umbrella unit with the time
圖6 懸式機(jī)組導(dǎo)軸承擺度隨時(shí)間年間變化規(guī)律示意圖Figure 6 Schematic diagram of swing of guide bearing of suspension unit changing with time
圖7 半傘式機(jī)組導(dǎo)軸承擺度隨時(shí)間年間變化規(guī)律示意圖Figure 7 Schematic diagram of the variation of the swing of the guide bearing of the semi umbrella unit with time
圖8 蒲石河電站機(jī)組機(jī)架振動(dòng)突變情況示意圖Figure 8 Schematic diagram of sudden change of unit frame vibration of pushihe hydropower station
圖9 天荒坪電站機(jī)組導(dǎo)軸承擺度突變情況示意圖Figure 9 Schematic diagram of sudden change in swing of guide bearing of tianhuangping power station unit
且由于大小和幅值的重要性是相等的,將三個(gè)層面得到的評(píng)分求平均值,最終得到綜合評(píng)分。分值越高表示振擺的波動(dòng)程度越劇烈,運(yùn)行效果越差。
機(jī)組振擺綜合評(píng)分,從電站層面看,宜興電站評(píng)分最大、回龍次之,瑯琊山電站最小,桐柏電站也較?。粡臋C(jī)組層面面看,宜興1、2、4號(hào)機(jī)組、回龍1號(hào)機(jī)組、西龍池2、4號(hào)機(jī)組、張河灣3號(hào)機(jī)組評(píng)分偏大;從機(jī)組型式看,立軸半傘式機(jī)組評(píng)分小于懸式機(jī)組(見(jiàn)圖10)。
圖10 40臺(tái)機(jī)組振擺綜合評(píng)分Figure 10 Comprehensive score of shimmy of 40 units analyzed
2.2.1 機(jī)組層面綜合評(píng)分
從分析的40臺(tái)機(jī)組看,機(jī)組綜合評(píng)分從小到大前五位的機(jī)組分別為:瑯琊山2號(hào)機(jī)組0.31、瑯琊山4號(hào)機(jī)組0.31、瑯琊山3號(hào)機(jī)組0.36、瑯琊山1號(hào)機(jī)組0.37、桐柏1號(hào)機(jī)組0.52。機(jī)組綜合評(píng)分從大到小后五位的機(jī)組分別為:宜興2號(hào)機(jī)組1.36、宜興4號(hào)機(jī)組1.33、宜興1號(hào)機(jī)組1.32、回龍1號(hào)機(jī)組1.28、西龍池2號(hào)機(jī)組1.25。
發(fā)電(額定負(fù)荷)工況下,機(jī)組評(píng)分從小到大前五位的機(jī)組分別為:瑯琊山2號(hào)機(jī)組0.32、瑯琊山4號(hào)機(jī)組0.34、瑯琊山3號(hào)機(jī)組0.35、瑯琊山1號(hào)機(jī)組0.35、天荒坪5號(hào)機(jī)組0.45。機(jī)組評(píng)分從大到小后五位的機(jī)組分別為:宜興2號(hào)機(jī)組1.38、西龍池2號(hào)機(jī)組1.36、宜興4號(hào)機(jī)組1.31、宜興1號(hào)機(jī)組1.30、西龍池4號(hào)機(jī)組1.27。
抽水工況下,機(jī)組評(píng)分從小到大前五位的機(jī)組分別為:瑯琊山4號(hào)機(jī)組0.28、瑯琊山2號(hào)機(jī)組0.30、瑯琊山3號(hào)機(jī)組0.37、瑯琊山1號(hào)機(jī)組0.38、桐柏1號(hào)機(jī)組0.48。機(jī)組評(píng)分從大到小后五位的機(jī)組分別為:回龍1號(hào)機(jī)組1.44、宜興4號(hào)機(jī)組1.34、宜興1號(hào)機(jī)組1.34、宜興2號(hào)機(jī)組1.33、張河灣3號(hào)機(jī)組1.29。
2.2.2 機(jī)組型式層面綜合評(píng)分
從機(jī)組的型式看,立軸半傘式機(jī)組綜合評(píng)分為0.76,懸式機(jī)組綜合評(píng)分為1.01,立軸半傘式機(jī)組評(píng)分小于懸式機(jī)組。
發(fā)電(額定負(fù)荷)工況下,立軸半傘式機(jī)組綜合評(píng)分為0.83,懸式機(jī)組綜合評(píng)分為0.99;抽水工況下,立軸半傘式機(jī)組綜合評(píng)分為0.70,懸式機(jī)組綜合評(píng)分為1.04,如圖11所示。
圖11 不同機(jī)組型式機(jī)組振擺綜合評(píng)分Figure 11 Comprehensive score of shimmy for different unit types
宏觀來(lái)看,抽水蓄能立軸半傘式機(jī)組的振擺評(píng)價(jià)要明顯優(yōu)于立軸懸式機(jī)組。
目前,根據(jù)2011—2016年關(guān)于機(jī)組振動(dòng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析情況看,國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司所屬抽水蓄能電站主要呈現(xiàn)以下幾個(gè)明顯的特征。
一是在空間維度上從振擺大小看,主要特征為各運(yùn)行電站機(jī)組機(jī)架振擺大小差異較大,同一電站各運(yùn)行機(jī)組機(jī)架振動(dòng)差異也相對(duì)較大。電站層面,回龍、蒲石河、西龍池機(jī)架振動(dòng)和導(dǎo)軸承擺度均很大,且大多數(shù)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);張河灣電站機(jī)架振動(dòng)很大,但導(dǎo)軸承擺度并不突出;宜興電站機(jī)架振動(dòng)并不突出,導(dǎo)軸承擺度則很大;瑯琊山電站機(jī)架振動(dòng)和導(dǎo)軸承擺度均很小。在機(jī)組層面,回龍1、2號(hào)機(jī)組、張河灣2、3號(hào)機(jī)組機(jī)架振動(dòng)和導(dǎo)軸承擺度均偏大,而瑯琊山電站4臺(tái)機(jī)組機(jī)架振動(dòng)和導(dǎo)軸承擺度則均很小。電站個(gè)性特征來(lái)看,個(gè)別電站或振擺存在突變情況,如泰山2號(hào)機(jī)組機(jī)架在2015年中的突然增大,或長(zhǎng)期高位運(yùn)行,如回龍。而由振擺異常引起的缺陷,有缺陷發(fā)生前機(jī)組多數(shù)部位振擺陸續(xù)突增,在前三天左右,機(jī)組個(gè)別部位振擺出現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì),機(jī)組振擺運(yùn)行在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)超標(biāo)逐漸增多的特征。
二是在時(shí)間維度上從振擺規(guī)律上看,主要特征是機(jī)組振擺大小年內(nèi)呈季節(jié)性變化浮動(dòng),年間呈一定范圍內(nèi)規(guī)律波動(dòng)。一般來(lái)講,機(jī)組振擺在1、2、3月擺度較小,7、8、9月擺度較大。
三是為了綜合比較振擺大小,我們?cè)O(shè)定了機(jī)組振擺綜合評(píng)分公式,從綜合評(píng)分的結(jié)果上看,各家差異較大,瑯琊山、桐柏表現(xiàn)較好,張河灣、西龍池、回龍、宜興表現(xiàn)不佳。立軸半傘式機(jī)組的振擺評(píng)價(jià)要明顯優(yōu)于立軸懸式機(jī)組。