那建軍

[摘 要]振動故障診斷與失效分析在保障水輪發(fā)電機組正常安全運行的過程中發(fā)揮著至關重要的作用。本文將從水輪發(fā)電機組振動故障的主要特點出發(fā)，加快構建故障診斷專家系統(tǒng)，并對振動故障進行識別，判斷出具體的故障部位，并建立水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測檢修系統(tǒng)，及時掌握水輪發(fā)電機組狀態(tài)信息，在故障診斷和狀態(tài)評估的基礎上，做出是否需要維修的判定，從而及時采取有效措施，保障水輪發(fā)電機組運行正常，確保水電站供應區(qū)內工業(yè)與居民用電。

[關鍵詞]振動診斷；水輪發(fā)電機組故障；失效分析

中圖分類號：TV734.1；TV738 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）09-0339-02

作為水電站運行設備的核心，水輪發(fā)電機組工作運行狀態(tài)是否正常穩(wěn)定直接關系到整個水電站發(fā)電系統(tǒng)的運行安全能否得到有效保障。一旦水輪發(fā)電機組重要設備運行過程中出現(xiàn)重大安全事故時，不僅會導致供電區(qū)域斷電，同時也會造成巨大的經濟損失。據(jù)有關資料顯示，70%-80%的水電機組故障和問題都能夠從水電機組振動中得以反映。當前，振動故障預測與診斷已經成為保證水輪發(fā)電機組運行安全的重要手段之一，因此，研究水輪發(fā)電機組故障診斷與失效分析，具有重要意義，能夠有效提高水電設備維護與狀態(tài)檢修水平。通過水輪發(fā)電機組振動故障診斷與失效分析研究，能夠更加準確地診斷出水輪發(fā)電機組的異常狀態(tài)或故障問題，及時預防與排除故障，保證機械運行安全可靠，從而盡可能地降低因水輪發(fā)電機組發(fā)生故障而導致的損失，確保水輪發(fā)電機組設備的工作能力得到充分發(fā)揮，通過合理制定檢修制度，能夠使水輪發(fā)電機組服役期限得到有效延長，并有效降低全壽命周期維護保養(yǎng)費用。

1 振動診斷的優(yōu)越性分析

通過水輪發(fā)電機組發(fā)出的振動信息進行故障診斷，主要是基于以下幾點考慮：第一，在機械運行的過程中，不可避免地就會出現(xiàn)振動，換言之，只需要啟動機械設備，讓其處于運行狀態(tài)，就會產生振動信號，而振動信號往往就蘊含著故障信息。第二，振動信息能夠進行在線診斷與監(jiān)控。第三，絕大多數(shù)的機械設備內部出現(xiàn)異常，會明顯增加振動量，同時還導致振動形態(tài)和振動頻率發(fā)生一定變化。第四，機械設備所產生的不同故障往往是因為機械故障對機械設備所施加的激勵存在一定差異，正因為如此，導致存在不同故障設備的振動存在各自的特點，為檢修人員判別創(chuàng)造條件。第五，利用振動信息診斷機械設備這種做法無論是在理論、測試手段，還是在方法上都已經比較成熟，應用上存在較強的可行性。

2 水輪發(fā)電機組振動故障診斷

2.1 構建完善的故障診斷專家系統(tǒng)

這里所提到的水輪發(fā)電機組故障診斷專家系統(tǒng)指的是通過計算機控制技術對水輪發(fā)電機組振動進行在線監(jiān)測，根據(jù)振動所表現(xiàn)出的特征進行分析，結合振動專家多年診斷經驗，并借助于人工智能方法對水輪發(fā)電機組振動故障進行自動智能化診斷的一種診斷系統(tǒng)。這個系統(tǒng)是水輪發(fā)電機組振動在線監(jiān)測與診斷的重要組成部分，具體見圖1。

2.2 水輪發(fā)電機組振動故障特點

水輪發(fā)電機組故障具有復雜多樣性的特點，對于水輪發(fā)電機組而言，它是同時涉及電磁力、水力和機械的龐雜系統(tǒng)體系，在正常運行過程中，不僅僅要考慮水力因素的影響，還要兼顧電磁力、機械因素等對振動的影響，既有可能是某單個因素所導致的振動，也有可能是多個因素共同作用的結果，可以說振動機理存在較大的復雜性，增加故障診斷的難度。

2.3 振動故障的識別

一旦水輪發(fā)電機組運行狀態(tài)產生異常，往往就會導致振動水平發(fā)生改變和異常，主要表現(xiàn)在振動頻率。為了尋求故障原因與故障征兆參數(shù)之間的內在關聯(lián)，需要針對故障樣本建立一個數(shù)據(jù)庫，分析和推斷水輪發(fā)電機組出現(xiàn)異常振動的原因，并通過運用頻譜分析方法進行分析。目前，為了方便診斷故障，相關專業(yè)和學者通過對各種現(xiàn)實振動故障進行分類統(tǒng)計，并結合征兆對應的故障發(fā)生頻率狀況建立了比較完善的特征頻率表。

2.4 故障的振動部位判別

為了對故障發(fā)生的嚴重程度進行量化，一般采用振動幅值的大小來度量。大量實踐已經表明，當水輪發(fā)電機組振動出現(xiàn)故障時，在水輪發(fā)電機組某個部位所檢測得到的振動值，往往會遠遠超出允許值?；谠摾碚摚绻啺l(fā)電機組水導軸承出振動幅度比其他部位振動更劇烈，則可能是因為轉輪、導葉或者蝸殼處所受水力不平衡，導致產生振動，同時會出現(xiàn)相應的特征頻率、頻譜。如果水輪發(fā)電機組壓力鋼管或者尾水管頂板處振動異常，蝸殼中水壓波動劇烈，則說明轉輪葉片出水連線型可能出現(xiàn)異常，尾水管出現(xiàn)偏心渦帶。因此，在實際工程中，可以根據(jù)振動部位的不同判斷出出現(xiàn)振動故障的原因，一旦水輪發(fā)電機組出現(xiàn)振動故障，就會在其某個或多個部位出現(xiàn)振動異常，并且這種振動故障與振動部位往往存在一定關聯(lián)。

3 水輪發(fā)電機組振動故障診斷應用案例分析

導致水輪發(fā)電機組振動的原因有多種且比較復雜，在實際診斷過程中，并非只有單一的振動故障，更多地是多個故障相互交織在一起，并且各種故障現(xiàn)象又存在交叉現(xiàn)場，大大增加了現(xiàn)場診斷工作的難度。要想及時排除機組振動，首先要依靠故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)對水輪發(fā)電機組振動有一個比較準確的判斷，但是要想準確抓住振動故障的內在原因，不僅依靠扎實的振動故障診斷原因的理論分析，還應對機組特性做到了然于胸。下面就兩個筆者實踐工作中所遇到的故障診斷案例進行分析：

3.1 轉子質量不平衡

某電廠1號機組額定容量50MW，額定水頭256m，額定轉速500r/min，機組結構為半傘-混流式。（圖2，圖3，表1）

分析結論：質量不平衡對機組上機架水平振動的影響約為70μm，對機組下機架水平振動的影響約為130μm，說明機組存在較大的質量不平衡，有必要對機組進行配重；配重位置轉子中心體下端面，配重方位（失重角）為由鍵相塊位置逆時針轉動267°。

3.2 磁拉力不水平衡

某電廠3號機組額定容量240MW，額定水頭60m，額定轉速68.2r/min，機組結構為半傘-混流式。（圖4，表2）

分析結論：對定子機架振動影響最大的是2X、3X、4X，主要是由轉子不圓造成的，建議對轉子不圓度進行調整。

3.3 水力不水平衡

某電廠額定容量25MW，額定轉速68.2r/min，額定水頭6.8米，機組結構為貫流式。（圖5）

分析評價：轉輪室振動處于危險級別，從瀑布圖可以看出，主要存在4X的葉片頻率，并且隨著負荷的增大而增大，表明機組協(xié)聯(lián)關系不好。

4 結束語

綜上所述，近年來信息技術獲得了快速發(fā)展，各種新興的方法，如灰色理論、智能化專家系統(tǒng)、神經網(wǎng)絡技術等也日漸成熟，對于振動診斷而言，在獲得計算機技術的支持后，在水輪發(fā)電機組故障診斷和失效分析中得到了更加廣泛的應用，并且有效解決了多起水輪發(fā)電機組振動問題，使水輪發(fā)電機組設備運行更加安全可靠，有效避免了經濟損失。因此，我們有必要對振動故障診斷和失效分析進行深入分析和研究，并努力將新技術運用到實踐之中，這不僅具有重要的理論研究價值，在實際工程領域具有重要意義。

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