機(jī)組運(yùn)行設(shè)備診斷維護(hù)高效管理模式實(shí)施研究

當(dāng)前我國(guó)大中型水電廠遵照原電力部1996年484號(hào)文的精神，正朝著“無(wú)人值班(少人值守)”的管理模式發(fā)展，根據(jù)部頒《水電廠“無(wú)人值班”(少人值守)的若干規(guī)定》，抓緊設(shè)備的技術(shù)更新改造，提高水電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理水平和綜合自動(dòng)化的程度。機(jī)組運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)及其穩(wěn)定性對(duì)電廠、電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的隱患和缺陷，有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，實(shí)施以預(yù)測(cè)性維修體制，加強(qiáng)管理，將給電廠及電網(wǎng)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。為此，在現(xiàn)有機(jī)組運(yùn)行設(shè)備的基礎(chǔ)上，特別是大型水輪發(fā)電機(jī)組，研究實(shí)施設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水電廠運(yùn)行設(shè)備診斷與維護(hù)高效管理，是十分迫切而又極為重要的任務(wù)。
　　本文在FDI系統(tǒng)應(yīng)用推廣的基礎(chǔ)上［1］，根據(jù)我國(guó)大型水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行設(shè)備的特點(diǎn)和管理形式，從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合電力系統(tǒng)和水電廠運(yùn)行的實(shí)踐，特別是在已經(jīng)或正在實(shí)施的監(jiān)控系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)(即MIS系統(tǒng))的大中型水電廠，研究提出一個(gè)水電廠大型水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷、維護(hù)、管理(含調(diào)度)的集成化系統(tǒng)，以適應(yīng)當(dāng)前我國(guó)大電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)及發(fā)展，并供我國(guó)大中型水電廠實(shí)施“無(wú)人值班(少人值守)”的管理模式借鑒。

1　集成化的布置模式［2］
　　所謂集成化，就是將機(jī)組運(yùn)行設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷、維護(hù)和管理（含調(diào)度)三者集成為一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)，從而在整體上獲得高性能、高利用率、高效益。監(jiān)測(cè)診斷、維護(hù)和管理集成化是大電網(wǎng)高效能量管理的體現(xiàn)，也是電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。
　　實(shí)現(xiàn)以大型水電廠水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行設(shè)備為主的監(jiān)測(cè)診斷、維護(hù)和管理的集成化主要是在建立實(shí)施設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上與電廠的生產(chǎn)調(diào)度和管理信息系統(tǒng)(MIS系統(tǒng))接口，實(shí)行電廠(或公司)維護(hù)管理領(lǐng)導(dǎo)決策，同時(shí) 通過(guò)廣域通訊接口到網(wǎng)、省局電力調(diào)度控制系統(tǒng)或系統(tǒng)診斷分析中心，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)高效能量管理，既遵循電力生產(chǎn)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)高效率運(yùn)行，又適應(yīng)電力市場(chǎng)的原則。建立現(xiàn)代化電力運(yùn)營(yíng)機(jī)制，應(yīng)建立大型水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的具體布置形式如圖1所示。

　　該系統(tǒng)的總體布置由信號(hào)源、信號(hào)輸入、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、診斷系統(tǒng)、信號(hào)通訊、管理與調(diào)度等部分組成。狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)是總體布置的主體結(jié)構(gòu)。信號(hào)源是基于機(jī)組運(yùn)行設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷需要獲取的設(shè)備(即水輪機(jī)及過(guò)流部件、導(dǎo)軸承及推力軸承、發(fā)電機(jī)及定轉(zhuǎn)子絕緣、調(diào)速器及勵(lì)磁、潤(rùn)滑油油質(zhì)及其他設(shè)備等)信號(hào)以及機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的有關(guān)信號(hào)。由設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行信號(hào)采集及處理將選擇和檢測(cè)的機(jī)組狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析，輸入診斷分析系統(tǒng)，特征提取，對(duì)比識(shí)別，然后作出預(yù)測(cè)診斷，決策判斷機(jī)組運(yùn)行設(shè)備的好壞，壽命長(zhǎng)短，是否停機(jī)檢修或更新改造或改變機(jī)組運(yùn)行條件。但是，該系統(tǒng)真正實(shí)施應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，達(dá)到監(jiān)測(cè)診斷、維護(hù)與管理的目的，還必須做大量的工作，解決幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，即測(cè)點(diǎn)的選擇與布置、信號(hào)分析與處理、特征信號(hào)提取與故障類型的確定以及建立一個(gè)準(zhǔn)確可信的專家系統(tǒng)等。

2　監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇與布置
　　監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇與布置是取得機(jī)組運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)信號(hào)的重要環(huán)節(jié)，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)的合理性、準(zhǔn)確性以及數(shù)量多少取決于機(jī)組運(yùn)行性能的設(shè)計(jì)、設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用的規(guī)律性，直接影響到信號(hào)采集真實(shí)性和整個(gè)系統(tǒng)的診斷分析、決策判斷的可信度。
　　水輪發(fā)電機(jī)組特別是大型水輪發(fā)電機(jī)組由于型號(hào)、結(jié)構(gòu)的不同，加上運(yùn)行工況變化多樣，比較復(fù)雜，給監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇與布置帶來(lái)較大的困難。下面以豎式水輪發(fā)電機(jī)組為主，簡(jiǎn)略介紹機(jī)組運(yùn)行設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇與布置的原則和要求［3］。
2．1　要優(yōu)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)
　　優(yōu)化原則是監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的最基本的原則。從設(shè)備監(jiān)測(cè)角度來(lái)說(shuō)，少是很重要的，但也要考慮它的必要性、可能性及實(shí)際應(yīng)用。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)在滿足診斷的基礎(chǔ)上選擇最有代表性、最能捕捉運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，或最接近于設(shè)備運(yùn)行故障的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
2．2　要符合水力特性
　　大型水輪發(fā)電機(jī)組的水力穩(wěn)定性對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行影響是很大的，這是水輪發(fā)電機(jī)組的固有特性。主要是水輪機(jī)及其過(guò)流部件的渦殼、頂蓋、壓力鋼管、導(dǎo)水葉(含固定、活動(dòng)導(dǎo)水葉)及尾水管的壓力和壓力脈動(dòng)，其值大小取決于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置。所以應(yīng)根據(jù)機(jī)組的水力特性，正確選擇水輪機(jī)及其過(guò)流條件的最大壓力及壓力脈動(dòng)的測(cè)點(diǎn)位置。
2．3　要符合旋轉(zhuǎn)機(jī)械特性
　　水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性能，既涉及到機(jī)組的水力特性和電氣特性，又涉及機(jī)組的機(jī)械特性。水輪發(fā)電機(jī)組屬于低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，因此，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置時(shí)，應(yīng)考慮機(jī)組的低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的特點(diǎn)，并結(jié)合機(jī)組的水力和電氣干擾因素，綜合、合理、準(zhǔn)確地選擇機(jī)組振動(dòng)、擺度、間隙的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。
2．4　要符合設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
　　機(jī)組運(yùn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)的變化，將影響機(jī)組的正常運(yùn)行，降低機(jī)組運(yùn)行效率及設(shè)備壽命。因此，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置上，還應(yīng)根據(jù)運(yùn)行設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、故障征兆及機(jī)組運(yùn)行性能進(jìn)行正確選擇。這一原則不但有利于監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，而且便于診斷評(píng)估設(shè)備的趨勢(shì)及壽命。
2．5　要符合發(fā)電機(jī)電氣特性
　　影響水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性運(yùn)行的電氣干擾也是監(jiān)測(cè)診斷的重要參數(shù)。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇與布置時(shí)應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)電氣特性和結(jié)構(gòu)綜合分析。在考慮發(fā)電機(jī)負(fù)序電流或三相負(fù)荷電流不平衡所引起的相間不平衡時(shí)，應(yīng)選擇相電壓、相電流、負(fù)序電流等參數(shù)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在考慮發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子絕緣問題時(shí)應(yīng)注意選擇定、轉(zhuǎn)子和繞組的溫度以及監(jiān)測(cè)絕緣的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
　　另外，涉及機(jī)組運(yùn)行設(shè)備測(cè)點(diǎn)還有反映機(jī)組負(fù)荷特性的定、轉(zhuǎn)子電流、電壓、功率等；上下游水位、流量、機(jī)組的液位(含軸承油位和水壓水位)以及勵(lì)磁調(diào)節(jié)參數(shù)等監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇和布置［4］，與常規(guī)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)或機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)沒有多大變化。

3　監(jiān)測(cè)信號(hào)的分析與處理
　　設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的取得，是設(shè)備診斷技術(shù)的基本任務(wù)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析與處理，才能識(shí)別設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，揭示設(shè)備問題的本質(zhì)原因，因此分辨信號(hào)的性質(zhì)，進(jìn)行信號(hào)的分析與處理是至關(guān)重要的。
3．1　機(jī)組的信號(hào)特性
　　水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)信號(hào)是由周期信號(hào)、非周期信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)組成的，其中低頻隨機(jī)信號(hào)是機(jī)組運(yùn)行的固有特性，由于水輪發(fā)電機(jī)組的這一特性，加上反映機(jī)組運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)周期性較長(zhǎng)，在信號(hào)采集和處理上既有它的難度又有它的特殊性。例如，在采樣周期選擇上，要合理地選擇，提高采樣數(shù)據(jù)精度，以數(shù)量經(jīng)濟(jì)的時(shí)域數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確可靠的譜分析數(shù)據(jù)，盡量減少譜線泄漏，避免柵欄效益；應(yīng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行整周期采樣。為了分析到較低次諧波，需非周期采集及軟件上實(shí)現(xiàn)整周期細(xì)化功能，來(lái)提高譜分析范圍；在數(shù)據(jù)采集速度上，在提高A／D板數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸速度的基礎(chǔ)上要采取先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)；在信號(hào)處理上，應(yīng)注意低頻隨機(jī)信號(hào)的處理。
3．2　機(jī)組的信號(hào)分析
　　由于運(yùn)行設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能不一樣，反映其設(shè)備的信號(hào)、特征、征兆也就不相同，就其設(shè)備信號(hào)分析的基本功能也是有差異的。通常通用機(jī)械設(shè)備的系統(tǒng)信號(hào)分析基本功能包括時(shí)域、幅值域、頻域、時(shí)差域傳遞特性等信號(hào)分析(如圖2所示)。它既適用確定性信號(hào)(含周期信號(hào)及非周期信號(hào))的分析，又適用于隨機(jī)信號(hào)的分析。

　　水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組在系統(tǒng)信號(hào)分析中，不但包括通用機(jī)械設(shè)備的信號(hào)分析功能，還有自己獨(dú)特的信號(hào)分析功能。圖3表示了大型水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行設(shè)備的信號(hào)分析基本功能圖。考慮到機(jī)組監(jiān)測(cè)內(nèi)容的不同，在常規(guī)的主機(jī)信號(hào)分析基本功能中根據(jù)需要可相應(yīng)增加機(jī)組軸系系統(tǒng)、過(guò)渡過(guò)程、發(fā)電機(jī)氣隙、油膜厚度、溫度趨勢(shì)、線棒絕緣，以及潤(rùn)滑油質(zhì)等信號(hào)分析功能。

4　特征信號(hào)與故障類型
4．1　機(jī)組特征信號(hào)的獲取
　　機(jī)組運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)特征信號(hào)的獲取是故障診斷的基礎(chǔ)，特征信號(hào)獲取的正確與否，直接影響到預(yù)測(cè)診斷的效果。通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行設(shè)備各種運(yùn)行方式下的信號(hào)和各種狀態(tài)參數(shù)來(lái)識(shí)別機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，獲取和分析機(jī)組運(yùn)行的特征信號(hào)，提取征兆，才能對(duì)機(jī)組運(yùn)行設(shè)備和性能進(jìn)行診斷。
　　機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)特征信號(hào)一般有兩種表現(xiàn)形式，一是以能量方式表現(xiàn)出來(lái)的特征信號(hào)，另一種是物態(tài)形式表現(xiàn)出來(lái)的特征信號(hào)。對(duì)于 能量形式的特征信號(hào)(如振動(dòng)、擺度、壓力、溫度、位移、電壓、電流等)，可以在時(shí)域中提取征兆，也可以在頻域、幅值域或相位域提取征兆；對(duì)于物態(tài)形式的特征信號(hào)裂紋、煙霧、油質(zhì)等，可以采用特定的物理或化學(xué)分析方法(如探傷分析、超譜分析等)提取征兆。通常水輪發(fā)電機(jī)組特征信號(hào)是以能量形式表現(xiàn)為主的，以頻率作為運(yùn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)的重要特征，常見的水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組特征頻率［4］［5］。

f2=50　Hz　 3水輪機(jī)導(dǎo)葉頻率f3=nr.Z1／60Z1—導(dǎo)葉數(shù) 4水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片頻率f4<