常玉紅 郝國文 劉夫果 趙江 李長勇

摘? 要：抽水蓄能機(jī)組具有轉(zhuǎn)速高、容量大以及工況轉(zhuǎn)換頻繁的特點(diǎn)，在電網(wǎng)中通常承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用的任務(wù)，其狀態(tài)直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。隨著機(jī)組服役年限的不斷增加，水泵水輪機(jī)部件可能會產(chǎn)生必要的空蝕、磨蝕、磨損或疲勞，造成機(jī)組性能下降，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致故障，對機(jī)組的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行帶來較大的隱患。現(xiàn)有的規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)并非針對水泵水輪機(jī)狀態(tài)評價(jià)而制定的，其存在著狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系不夠系統(tǒng)化、評價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重不合理等問題。該文通過對抽水蓄能電站運(yùn)行10年以上、單機(jī)容量150MW以上的水泵水輪機(jī)主要部件已發(fā)生故障進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)，建立基于故障原因的主要部件狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系，并根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)法及主要部件相關(guān)故障的發(fā)生頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行權(quán)重分析，然后結(jié)合機(jī)組在線監(jiān)測參數(shù)構(gòu)建基于“故障原因—主要部件狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系—在線監(jiān)測參數(shù)”相結(jié)合的主要部件安全評估模型。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站? 水泵水輪機(jī)? 狀態(tài)評價(jià)體系? 評估模型

中圖分類號：TK734 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）09（a）-0070-05

Abstract： Special features of the power units are obvious as high speed， large capacity and fast transition for load transfer. The units are usually playing more important roles in the grid as peak load adjustment， frequently operating in partial load， condense operations and standby. Operational safety， reliability and stability have become more important and critical. Along with gradual increase in service life， the cavitation， corrosion， wear and fatigue may occur in the reversible pump turbine. Moreover， performance degradation even failure may be realized， it would have a significant impact on the operational safety， reliability and stability. The available international and domestic standards or codes are not made especially for condition assessment of reversible pump turbine， in which the assess criteria and their weight factors are not reasonable for applicable. This paper established a integrated model combined the assess criteria and their weighted factors as well as the on-line monitoring parameters for condition assessment of the reversible pump turbine based on the root cause analysis through the operational pumped storage power plant with capacity over 150MW and service life exceed 10 years.

Key Words： Pumped storage power plant; Water pump turbine; Status evaluation system; Evaluation model

抽水蓄能機(jī)組具有轉(zhuǎn)速高、容量大以及工況轉(zhuǎn)換頻繁的特點(diǎn)，在電網(wǎng)中通常承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用的任務(wù)，其狀態(tài)直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。從20世紀(jì)90年代中期開始，廣州、十三陵、天荒坪、泰安等一批高轉(zhuǎn)速大容量抽水蓄能機(jī)組陸續(xù)建成并投入生產(chǎn)，隨著機(jī)組服役年限的不斷增加，水泵水輪機(jī)部件可能會產(chǎn)生必要的空蝕、磨蝕、磨損或疲勞，導(dǎo)致機(jī)組性能下降，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致機(jī)組故障，對機(jī)組的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行帶來較大的隱患。因此，有必要對水泵水輪機(jī)的主要部件開展?fàn)顟B(tài)評價(jià)研究，以便識別、分析和評估潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施，為水泵水輪機(jī)的檢修維護(hù)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)，保障抽水蓄能機(jī)組的可靠安全穩(wěn)定運(yùn)行。但目前國際國內(nèi)尚未針對水泵水輪機(jī)狀態(tài)評價(jià)制定專門的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的參考規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)存在著狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系不夠系統(tǒng)化、評價(jià)指標(biāo)不合理、評價(jià)指標(biāo)權(quán)重不合理等諸多問題，導(dǎo)致了在實(shí)際的工程應(yīng)用中缺乏可操作性和可靠性，也就無法為電站的檢修維護(hù)工作提供參考依據(jù)。該文通過對抽水蓄能電站運(yùn)行10年以上、單機(jī)容量150MW以上的水泵水輪機(jī)主要部件已發(fā)生故障進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)，建立基于故障原因的主要部件狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求、專家經(jīng)驗(yàn)及已統(tǒng)計(jì)的主要部件相關(guān)故障的發(fā)生頻率進(jìn)行權(quán)重分析，然后結(jié)合機(jī)組在線監(jiān)測參數(shù)構(gòu)建基于“故障原因—主要部件狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系—在線監(jiān)測參數(shù)”相結(jié)合的主要部件安全評估模型。該評估模型將水泵水輪機(jī)作為一個(gè)系統(tǒng)，水泵水輪機(jī)主要部件作為構(gòu)成系統(tǒng)的部件，首先從機(jī)械狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)兩個(gè)維度來定義表征水泵水輪機(jī)主要部件狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而從安全性（風(fēng)險(xiǎn)）、可靠性和性能3個(gè)維度來分析主要部件對系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)水泵水輪機(jī)系統(tǒng)量化評估，為電站的檢修維護(hù)提供參考。

1? 水泵水輪機(jī)評價(jià)指標(biāo)體系

1.1 水泵水輪機(jī)系統(tǒng)

水泵水輪機(jī)作為一個(gè)系統(tǒng)，其主要部件包括蝸殼座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)（包括頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉、導(dǎo)葉套筒、拐臂及連桿、控制環(huán)、導(dǎo)葉接力器）轉(zhuǎn)輪、水導(dǎo)軸承、主軸及主軸密封。

1.2 水泵水輪機(jī)系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)

水泵水輪機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)評估應(yīng)從安全性（風(fēng)險(xiǎn)）、可靠性和性能3個(gè)維度來分析主要部件對系統(tǒng)的影響。其中，安全性指標(biāo)是指水泵水輪機(jī)主要部件發(fā)生故障的后果和發(fā)生故障的概率對水泵水輪機(jī)系統(tǒng)的影響;可靠性指標(biāo)是指可用率、無故障連續(xù)運(yùn)行時(shí)間、大修間隔時(shí)間和使用期限（壽命）。水泵水輪機(jī)的性能指標(biāo)包括功率、效率、流量、飛逸轉(zhuǎn)速、空蝕、磨蝕、振動、噪音、壓力脈動、軸向水推力以及軸承溫度。

1.3 水泵水輪機(jī)系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

水泵水輪機(jī)系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)體系主要包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層和方案層，其中目標(biāo)層是我們研究需要達(dá)到的目的即水泵水輪機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)評估。準(zhǔn)則層為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)層所定義的準(zhǔn)則，即評估水泵水輪機(jī)系統(tǒng)的3個(gè)維度包括安全性、可靠性和性能。指標(biāo)層則為安全性、可靠性和性能的具體體現(xiàn)指標(biāo)。方案層則為構(gòu)成水泵水輪機(jī)系統(tǒng)的各主要部件包括蝸殼座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)（包括頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉、導(dǎo)葉套筒、拐臂及連桿、控制環(huán)、導(dǎo)葉接力器）轉(zhuǎn)輪、水導(dǎo)軸承、主軸及主軸密封。為了評估各主要部件對水泵水輪機(jī)系統(tǒng)的權(quán)重影響，采用專家經(jīng)驗(yàn)法確定權(quán)重分配，進(jìn)而結(jié)合各主要部件的狀態(tài)評估結(jié)果實(shí)現(xiàn)水泵水輪機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)評估。

2? 水泵水輪機(jī)主要部件狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)

由于水泵水輪機(jī)主要部件均為機(jī)械部件，其狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)首先從機(jī)械狀態(tài)和部件運(yùn)行狀態(tài)兩個(gè)維度來進(jìn)行評估。部件機(jī)械狀態(tài)主要包括結(jié)構(gòu)完整性、功能性以及性能，其中結(jié)構(gòu)完整性是指該部件在其設(shè)計(jì)服役壽命內(nèi)能否承受工作荷載而不失效的能力，包括應(yīng)力、變形以及疲勞壽命;功能性是指部件能否實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)為其預(yù)定的目的和用途;性能是指部件實(shí)現(xiàn)其預(yù)定目的和用途的能力。部件運(yùn)行狀態(tài)的評估是指通過在線監(jiān)測參數(shù)的評估來反映部件的工作狀態(tài)。其次，通過對運(yùn)行10年以上、單機(jī)容量150MW以上的水泵水輪機(jī)主要部件典型故障案例進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)，進(jìn)而提煉出能夠反映主要部件故障原因的狀態(tài)量。因此，主要部件狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)應(yīng)在具備可執(zhí)行性和可操作性的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械狀態(tài)指標(biāo)、運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)和典型故障案例分析的成果綜合確定。

2.1 典型故障案例統(tǒng)計(jì)分析

通過對典型設(shè)備故障案例的統(tǒng)計(jì)分析，其中水泵水輪機(jī)系統(tǒng)（不包括調(diào)速器和球閥）共計(jì)65項(xiàng)。其按系統(tǒng)設(shè)備分導(dǎo)水機(jī)構(gòu)30項(xiàng)（包括頂蓋6項(xiàng)，底環(huán)1項(xiàng)，導(dǎo)葉3項(xiàng)，導(dǎo)葉套筒、拐臂及連桿20項(xiàng)），轉(zhuǎn)輪6項(xiàng)，水導(dǎo)軸承7項(xiàng)，主軸密封8項(xiàng)，其他（主要是控制閥、電動閥等）14項(xiàng)。具體結(jié)果詳見表1。

2.2 水泵水輪機(jī)主要部件評價(jià)指標(biāo)分析

根據(jù)主要部件狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)選取原則，該文選取轉(zhuǎn)輪作為示例，對其故障原因及可能造成的后果進(jìn)行了分析，具體詳見表2蝸殼評價(jià)指標(biāo)分析。

2.3 水泵水輪機(jī)主要部件狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

《IEC62256-2017水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)復(fù)原與性能改進(jìn)》[1]對水泵水輪機(jī)單個(gè)部件的權(quán)重明確為設(shè)備的物理狀態(tài)權(quán)重為47%，運(yùn)行年限權(quán)重為20%，修復(fù)檢修成本權(quán)重為33%。根據(jù)水泵水輪機(jī)主要部件狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)對水泵水輪機(jī)（部件）安全可靠運(yùn)行和性能的重要程度，從輕到重分為1級、2級、3級、4級、5級、6級、7級、8級、9級、10級，其權(quán)重分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，具體見表3。

為了實(shí)現(xiàn)對水泵水輪機(jī)系統(tǒng)及其部件狀態(tài)的量化評價(jià)，根據(jù)水泵水輪機(jī)主要部件評價(jià)指標(biāo)的劣化程度，從輕到重分為10級。分別為1級、2級、3級、4級、5級、6級、7級、8級、9級、10級，對應(yīng)的扣分值為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，具體見表4。劣化最嚴(yán)重，超過相關(guān)規(guī)程規(guī)范限定的正常運(yùn)行范圍邊界的為7～10分;中度劣化，處于相關(guān)規(guī)程規(guī)范限定的正常運(yùn)行范圍邊界的為4～6分;輕度劣化，具有相關(guān)規(guī)程規(guī)范限定的正常運(yùn)行范圍邊界的趨勢，但未超過該限值的為1～3分。

水輪機(jī)水輪機(jī)主要部件評價(jià)指標(biāo)的扣分值由評價(jià)指標(biāo)權(quán)重、基本扣分值共同決定，即評價(jià)指標(biāo)的扣分值等于該評價(jià)指標(biāo)的基本扣分值乘以該評價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

3? 水泵水輪機(jī)狀態(tài)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 主要部件的狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)的判斷依據(jù)

目前國際國內(nèi)參考標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范均部分或者涉及了對設(shè)備狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但仍然存在諸如評價(jià)指標(biāo)評價(jià)判斷依據(jù)不合理，缺乏工程實(shí)踐的可操作性及指導(dǎo)性，從而導(dǎo)致無法為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供理論依據(jù)。該文以蝸殼的部分評價(jià)指標(biāo)為例，對其判斷依據(jù)進(jìn)行了細(xì)化，具體見表5。

3.2 主要部件的狀態(tài)評價(jià)方法

《IEC62256-2017 水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)復(fù)原與性能改進(jìn)》規(guī)定了水輪機(jī)物理狀態(tài)的檢查結(jié)果的評分要求見表6。

而國內(nèi)類似輸變電設(shè)備狀態(tài)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如國家電網(wǎng)公司《主要輸變電設(shè)備狀態(tài)評價(jià)導(dǎo)則》[2]、南方電網(wǎng)公司《設(shè)備狀態(tài)評價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)評估導(dǎo)則》[3]等將設(shè)備的狀態(tài)劃分為正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)和嚴(yán)重狀態(tài)?？紤]國際國內(nèi)在評分上沒有本質(zhì)的區(qū)別，該文亦將水泵水輪機(jī)的狀態(tài)評價(jià)劃分為正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)和嚴(yán)重狀態(tài)。其中正常狀態(tài)是指按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，經(jīng)評定設(shè)備的狀態(tài)在規(guī)定的正常運(yùn)行范圍內(nèi)水泵水輪機(jī)可以長期穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。注意狀態(tài)是指設(shè)備的評價(jià)指標(biāo)（單項(xiàng)或多項(xiàng)）具有接近規(guī)定的正常運(yùn)行范圍邊界的趨勢，但未超過該限值，設(shè)備在實(shí)時(shí)監(jiān)控的條件下具備長時(shí)間運(yùn)行能力的狀態(tài)。異常狀態(tài)是指設(shè)備的評價(jià)指標(biāo)（單項(xiàng)或多項(xiàng)）處于或略超過規(guī)定的正常運(yùn)行范圍邊界，設(shè)備在實(shí)時(shí)監(jiān)控的條件下具備短時(shí)運(yùn)行能力的狀態(tài)。嚴(yán)重狀態(tài)是指設(shè)備的評價(jià)指標(biāo)（單項(xiàng)或多項(xiàng)）超過規(guī)定的正常運(yùn)行范圍邊界，設(shè)備不能夠滿足運(yùn)行能力的狀態(tài)。

水泵水輪機(jī)的部件狀態(tài)評價(jià)僅考慮評價(jià)指標(biāo)單項(xiàng)的扣分情況，部件狀態(tài)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表7。當(dāng)任一評價(jià)指標(biāo)單項(xiàng)扣分達(dá)到表6規(guī)定[1，40）區(qū)間時(shí)，視為正常狀態(tài);當(dāng)任一評價(jià)指標(biāo)單項(xiàng)扣分達(dá)到表7規(guī)定[40， 60）區(qū)間時(shí)，視為注意狀態(tài);當(dāng)任一評價(jià)指標(biāo)單項(xiàng)扣分達(dá)到表7規(guī)定[60，80）區(qū)間時(shí)，視為異常狀態(tài);當(dāng)任一評價(jià)指標(biāo)單項(xiàng)扣分達(dá)到表7規(guī)定[80，100]區(qū)間時(shí)，視為嚴(yán)重狀態(tài);當(dāng)該部件所有評價(jià)指標(biāo)評價(jià)為“正常狀態(tài)”時(shí)，該部件評價(jià)為“正常狀態(tài)”;當(dāng)任一評價(jià)指標(biāo)為“注意狀態(tài)”“異常狀態(tài)”“嚴(yán)重狀態(tài)”時(shí)，整體評價(jià)為其中最嚴(yán)重的狀態(tài)。

3.3 水泵水輪機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)評價(jià)方法

在IEC62256-2017中未對各主要部件對水泵水輪機(jī)系統(tǒng)的影響進(jìn)行明確，當(dāng)然也沒有提出相應(yīng)地權(quán)重。而類似國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)考慮到工程實(shí)踐中的可靠性問題，采用的類似木桶效應(yīng)的概念，也就是系統(tǒng)的狀態(tài)取決于主要部件中最差的狀態(tài)，因此該文亦采用此方法。當(dāng)主要部件評價(jià)為“正常狀態(tài)”時(shí)，設(shè)備整體評價(jià)為“正常狀態(tài)”;當(dāng)任一主要部件為“注意狀態(tài)”“異常狀態(tài)”“嚴(yán)重狀態(tài)”時(shí)，整體評價(jià)為其中最嚴(yán)重的狀態(tài)。

4? 結(jié)語

水泵水輪機(jī)的狀態(tài)評價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，該文基于“故障原因—主要部件狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系—在線監(jiān)測參數(shù)”相結(jié)合的主要部件安全評估模型構(gòu)建了水泵水輪機(jī)部件及系統(tǒng)評價(jià)體系，同時(shí)運(yùn)用專家分析法來確定相應(yīng)地評價(jià)指標(biāo)權(quán)重和扣分值，實(shí)現(xiàn)了水泵水輪機(jī)系統(tǒng)及主要部件的狀態(tài)的量化評價(jià)，為機(jī)組的檢修維護(hù)工作提供決策依據(jù)。同時(shí)，該模型也存在一些不足，比如權(quán)重指標(biāo)和扣分值的確定基本上依賴于專家經(jīng)驗(yàn)，未來水泵水輪機(jī)狀態(tài)評價(jià)系統(tǒng)將采用更好的分析方法比如層次分析法來確定指標(biāo)權(quán)重，實(shí)現(xiàn)評估模型對專家經(jīng)驗(yàn)的過于依賴，提供模型的可靠性和精確度。

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