水電站水輪機(jī)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)檢修分析

1、 水電站水輪機(jī)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)檢修分析 摘要：水輪機(jī)是水電機(jī)組極為關(guān)鍵的設(shè)備，其健康狀態(tài)將會(huì)直接影響整個(gè)水電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。本文主要分析了水輪機(jī)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)檢修的概念、意義、過程、支持系統(tǒng)和發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；狀態(tài)檢修電力能源已成為當(dāng)今各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最重要的制約因素，提高能源利用效率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，不斷開發(fā)利用新的能源形式，將成為未來電力工業(yè)新的發(fā)展方向。“大力發(fā)展水電，優(yōu)化發(fā)展火電，適當(dāng)發(fā)展核電，積極發(fā)展新能源”是目前的電力發(fā)展政策。水電是公認(rèn)的最環(huán)保、可重復(fù)開發(fā)利用的綠色環(huán)保能源，目前我國電力緊缺的局面必將使得我國水電事業(yè)迅速發(fā)展。隨著水電設(shè)備逐步朝著大型化、高水頭方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)也越來

2、越復(fù)雜，自動(dòng)化控制程度也越來越高，各子系統(tǒng)間的關(guān)系也越來越密切，對(duì)機(jī)組的安全性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求，開展更為先進(jìn)的、多方位的水輪機(jī)的狀態(tài)檢修技術(shù)研究已迫在眉睫。1水輪機(jī)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)檢修概述水輪機(jī)是集水、機(jī)、油、電、汽于一體的復(fù)雜的龐大的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，是水電機(jī)組極為關(guān)鍵的設(shè)備，其健康狀態(tài)將會(huì)直接影響整個(gè)水電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，且已經(jīng)成為一般水電廠大修周期的決定性因素。早期的水輪機(jī)檢修體制基本上是事后檢修方式（Breakdown Maintenance），該方式是在水輪機(jī)發(fā)生故障后再進(jìn)行拆檢或更換零部件，檢修成本較大。隨著流程化工業(yè)的推廣，開始逐步推行定期預(yù)防檢修（Preventive

3、Maintenance），該方式以可靠性為中心制定水輪機(jī)的檢修周期，但該方法無法解決“維修不足”和“維修過?！倍咧g的矛盾。近年來，隨著振動(dòng)與聲測(cè)試?yán)碚摵图夹g(shù)、信號(hào)分析與處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等發(fā)展，出現(xiàn)了更為科學(xué)的按水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢修的方式，即狀態(tài)檢修（ConditionBased Maintenance），又稱為預(yù)知檢修（Predictive Maintenance）。檢修的策略是定期地對(duì)水輪機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，依據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果決定是否對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行檢修。這種檢修方式不僅可以發(fā)現(xiàn)早期故障，避免惡性事故的發(fā)生，還可從根本上解決定期檢修中“維修不足”和“維修過?！钡拿?，但它的前提條件是要對(duì)水輪機(jī)

4、的運(yùn)行狀態(tài)有非常準(zhǔn)確的了解。輪機(jī)能量、空化空蝕、振動(dòng)與穩(wěn)定性并為水輪機(jī)的三大狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，能量特性關(guān)系到對(duì)水能的利用程度，空化空蝕關(guān)系到機(jī)組的效率和使用壽命，而振動(dòng)與穩(wěn)定性關(guān)系到機(jī)組能否安全正常運(yùn)行。水輪機(jī)的大部分關(guān)鍵組件如輪葉、導(dǎo)葉以及轉(zhuǎn)輪體出現(xiàn)的故障現(xiàn)象一般有：葉片松動(dòng)、裂紋、斷裂、空化空蝕以及泥沙磨損等，其中空化空蝕是水輪機(jī)運(yùn)行過程中不可避免的破壞現(xiàn)象，其發(fā)生在很大的程度上與水輪機(jī)長期偏離其設(shè)計(jì)工況運(yùn)行有關(guān)。水輪機(jī)運(yùn)行在密閉的蝸殼內(nèi)，空化空蝕現(xiàn)象不易被直接觀察和監(jiān)測(cè)，但其引起的機(jī)組振動(dòng)加強(qiáng)、噪聲強(qiáng)度變大、機(jī)組功率波動(dòng)幅度增強(qiáng)等異常特征現(xiàn)象十分明顯，尤為振動(dòng)和噪聲特征最為明顯，因此水輪機(jī)空

5、化空蝕的測(cè)試方法以振動(dòng)法和噪聲法為主。2 水輪機(jī)狀態(tài)檢修過程水輪機(jī)的狀態(tài)檢修與故障診斷技術(shù)的實(shí)質(zhì)是了解和掌握水輪機(jī)在運(yùn)行過程中的狀態(tài)，評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)水輪機(jī)的可靠性，早期發(fā)現(xiàn)故障，并對(duì)其故障原因、部位、危險(xiǎn)程度等進(jìn)行識(shí)別，預(yù)報(bào)故障的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)具體情況作出檢修決策。因此水輪機(jī)狀態(tài)檢修與故障診斷技術(shù)實(shí)際上包含水輪機(jī)狀態(tài)識(shí)別及其發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)兩個(gè)方面的內(nèi)容，具體過程分為：信號(hào)測(cè)取、特征提取、狀態(tài)識(shí)別和狀態(tài)分析，見圖 1.1 所示。圖 1.1 水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的過程特征提取直接關(guān)系到故障診斷的確診率和故障早期預(yù)報(bào)的可靠性，為保證特征值準(zhǔn)確提取，借助于對(duì)非平穩(wěn)、非高斯信號(hào)的現(xiàn)代信號(hào)處理研究理論，對(duì)

6、信號(hào)的深度加工中獲取更多的特征信息。非平穩(wěn)信號(hào)處理的主要方法是時(shí)頻分析，包含線性和非線性兩種形式，線性時(shí)頻分析主要包括小波變換、短時(shí)Fourier變換、Gabor展開等，是目前機(jī)電設(shè)備狀態(tài)檢修與故障診斷分析技術(shù)的研究熱點(diǎn)；而非線性時(shí)頻分析應(yīng)用最廣泛的是二次雙線性時(shí)頻分布，包括Cohen分布、Wigner-Ville分布、譜圖、尺度圖等。3水輪機(jī)狀態(tài)檢修的支持系統(tǒng)實(shí)施水輪機(jī)狀態(tài)檢修與故障診斷需要三大支持系統(tǒng)，即設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)和診斷系統(tǒng)、運(yùn)行檢修決策系統(tǒng)和設(shè)備綜合管理系統(tǒng)。由于監(jiān)測(cè)、診斷、狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)和診斷系統(tǒng)而言，水輪機(jī)監(jiān)測(cè)診斷項(xiàng)目可以不斷擴(kuò)大，功能會(huì)逐漸增多，實(shí)際上是

7、一個(gè)“系統(tǒng)群”。水輪機(jī)不同的監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)是在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下集成，可以共享資源和數(shù)據(jù)，因此，該系統(tǒng)是一廣義的技術(shù)系統(tǒng)。而運(yùn)行檢修決策系統(tǒng)和設(shè)備綜合管理系統(tǒng)屬于基礎(chǔ)性的管理系統(tǒng)，必須要與各種不同的診斷技術(shù)和系統(tǒng)接口，提供先進(jìn)的決策模型和管理功能。從投入的觀點(diǎn)來看，運(yùn)行檢修決策系統(tǒng)和設(shè)備綜合管理系統(tǒng)的建立的起點(diǎn)和基礎(chǔ)較高，要充分利用目前發(fā)電廠已經(jīng)具備的信息管理資源，使一次性建設(shè)投入后，再發(fā)生的費(fèi)用很少，而設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)和診斷系統(tǒng)作為技術(shù)層面的支持，而不是一次大投入能全面考慮的，要從最需要的部分開始，逐步投入、逐步補(bǔ)充。所以，水輪機(jī)狀態(tài)檢修投入的重點(diǎn)將發(fā)生在監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分，但是必須要在有基礎(chǔ)

8、管理系統(tǒng)之后，才能發(fā)揮應(yīng)有的作用。1） 水輪機(jī)狀態(tài)評(píng)估和診斷系統(tǒng)作為水輪機(jī)組狀態(tài)檢修的技術(shù)支持，狀態(tài)評(píng)價(jià)和診斷技術(shù)包括在線和離線監(jiān)測(cè)診斷、可靠性分析、壽命與安全評(píng)價(jià)等，系統(tǒng)則包括大型在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)，其作用是對(duì)水輪機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，并得出故障診斷和預(yù)測(cè)結(jié)論。2）運(yùn)行維修決策系統(tǒng)運(yùn)行維修決策系統(tǒng)幫助管理人員根據(jù)診斷結(jié)果進(jìn)行檢修時(shí)間、方式的選擇，對(duì)檢修費(fèi)用、效益進(jìn)行評(píng)估，提供檢修決策支持，把監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)和維修管理系統(tǒng)連接起來。由于決策中的許多不確定性因素的影響，自學(xué)習(xí)是運(yùn)行維修決策系統(tǒng)的重要功能。3）水輪機(jī)設(shè)備綜合管理系統(tǒng)設(shè)備綜合管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪機(jī)設(shè)備的動(dòng)、靜態(tài)管理和檢修

9、過程管理，它包括設(shè)備數(shù)據(jù)綜合管理、缺陷管理、檢修工作立項(xiàng)、人力物力需求管理、檢修費(fèi)用管理、檢修進(jìn)展過程跟蹤管理、檢修效果評(píng)定和工程驗(yàn)收、以及跟蹤檢修過程中設(shè)備狀態(tài)的變更等。4水輪機(jī)狀態(tài)檢修的發(fā)展方向水輪機(jī)狀態(tài)檢修與故障診斷技術(shù)目前已成為一門獨(dú)立的跨學(xué)科的綜合信息處理技術(shù)，與當(dāng)代前沿科學(xué)的融合是其發(fā)展方向，發(fā)展趨勢(shì)是傳感器精密化、智能化、多維化，診斷理論和診斷模型的多元化以及診斷技術(shù)的智能化，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）與當(dāng)代最新傳感器技術(shù)，尤其是與智能傳感器技術(shù)的融合：狀態(tài)檢修與診斷技術(shù)的發(fā)展急需智能傳感器和多功能傳感器的出現(xiàn)，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化使得微型傳感器的設(shè)計(jì)

10、和制造成為可能，如果將來研制出能“走入”水輪機(jī)內(nèi)部來監(jiān)測(cè)零部件運(yùn)轉(zhuǎn)和損壞情況的微機(jī)器人傳感器，必將為水輪機(jī)狀態(tài)檢修和故障診斷技術(shù)帶來一場(chǎng)革命。（2）與最新信號(hào)處理理論和方法融合，更為準(zhǔn)確提取狀態(tài)特征值；（3）與非線性方法和原理的融合：水輪機(jī)在發(fā)生故障時(shí)，其動(dòng)力學(xué)行為會(huì)表現(xiàn)出更為復(fù)雜的非線性，基于非線性行為的故障診斷方法使?fàn)顟B(tài)技術(shù)與故障診斷技術(shù)得以完善。（4）與多傳感器信息技術(shù)的融合。多傳感器信息融合技術(shù)和故障診斷技術(shù)相結(jié)合的診斷技術(shù)可以消除不同監(jiān)測(cè)與故障診斷方法的矛盾和不協(xié)調(diào)性，為解決大型水輪機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷問題提供了新的方法和手段。（5）與智能分析與診斷方法的融合。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的智能監(jiān)測(cè)和故障診斷是水輪機(jī)狀態(tài)檢修與故障診斷發(fā)展的最新目標(biāo)，水輪機(jī)遠(yuǎn)程分布式智能診斷系統(tǒng)將是發(fā)展趨勢(shì)。5結(jié)語水輪發(fā)電機(jī)組由計(jì)劃檢修向狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)化，是國內(nèi)外設(shè)備檢修的發(fā)展趨勢(shì)，是可行和勢(shì)在必行的。其不但能提高機(jī)組的可靠性，而且提高了電網(wǎng)的安全性，克服了定期維修的盲目性，減少檢修費(fèi)用，最大限度地?cái)U(kuò)展了檢修周