趋势故障识别在水电机组运检中的应用试验.pdf

:./.趋势故障识别在水电机组运检中的应用试验林 飞何继全郭旭有(.福建华电福瑞能源发展有限公司 古田溪水力发电厂福建 宁德 .北京中元瑞讯科技有限公司北京)摘 要:该文针对水轮发电机组中的趋势故障问题结合现阶段在线监测系统在水力发电机组中的应用情况进行研究 为了更及时有效地识别趋势故障针对机组运行过程中各状态监测量出现的趋势异常现象进行总结并分类同时提取趋势异常故障识别的有效特征参数通过自动计算同一工况下的这些特征参数值进而对不同类型的趋势异常现象做出评价实现对机组运行健康状态的早期预警和诊断 此外还列举了不同类型的趋势异常现象及特征参数在其故障识别中的应用案例验证了趋势故障识别方法在水电机组运检中的实际应用价值关键词:水力发电机组状态监测设备检修趋势故障识别特征参数中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言水轮发电机组运行状态的监测与诊断直接关系到机组安全稳定运行其作用是:能够在早期发现设备缺陷有效防止重大事故发生能够分析和追溯设备故障发生原因能够帮助设备管理员快速全面掌握设备运行健康状态与运行特性趋势减少检修时长提高发电效益随着国内水电事业突飞猛进的发展水电机组状态监测技术的发展与应用越来越广泛 在水轮发电机组运行过程中各种参数如温度、振动摆度数值、定转子空气间隙、水压、油压、油位等均会出现趋势异常趋势异常可以说是水机故障中最常见的一种运行故障 因此趋势故障识别成为研究的热点问题 现阶段水电机组趋势故障识别方法主要是通过跟踪同工况下机组监测量的长期趋势进行判断若趋势发生变化便可怀疑有早期故障产生进而由资深专家进行诊断 然而这种方法存在一定的缺陷它对于部分关键监测量的趋势故障识别并不敏感实用程度不强致使故障可能发生到晚期时才能够做出警示提醒 为了更及时有效地对趋势故障进行识别笔者对水轮发电机组运行中的异常趋势故障的不同形式进行总结和分类同时提取有效特征参数并对不同类型的趋势异常现象做出评价 另外通过不同类型的趋势异常现象及特征参数在其故障识别中的应用案例验证了趋势故障识别在水电机组运检中的应用价值 趋势故障的表现类型由于数据趋势发生变化的形式不同故而趋势故障的表现类型不同其对应故障原因也可能不同因此进行有效识别的方法也存在着差异 其次水轮发电机组在运行过程中同时受到机械力、水力和电磁力三种力的作用因而在不同的工况条件下如温度、负电力与装备 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:林 飞()男福建宁德人工程师主要从事水电站机电运行、检修管理方面的相关工作荷、水头等机组的运行特性参数所表现的特征值也会出现较明显的差异因此对于水轮发电机机组趋势故障的分析必须选择相同工况下的特征参数这样的趋势比较才具有可比较性 文中所涉及趋势故障分析数据均为相同工况下的数据即选取机组运行在负荷和水头变化不大且稳定运行 后的数据基于大量机组运行数据从趋势故障特征数据的变化形式看大致将趋势故障分为如下四大类()趋势异常线性变化顾名思义此类故障下异常特征参数会随时间呈线性单调增加或减小 这种趋势异常故障也是最常见的一种故障例如机组上导冷却性能下降导致机组上导瓦温随时间逐渐升高机组油循环回路出现渗漏导致油位逐渐下降等此类趋势故障通常体现的是事故的发生有一个缓慢累计的过程即需要一个从量变到质变的过程通常这类故障需要通过相对较长时间的数据趋势来体现()趋势异常突变趋势异常突变是指特征参数在机组运行过程中发生特别明显的瞬时变化这种突变有时只是短时的很快就会恢复有时无法恢复造成机组异常停机或检修 例如有异物进入转轮当异物通过转轮时会引起机组振摆数据的突然变化但很快机组振摆数值会恢复为正常数值但如果有异物卡在导叶处时会导致机组局部流量降低这时会由于水力不平衡作用引起机组振摆数值发生突增且无法恢复此时机组需要被迫停机检修进行事故排查处理此类趋势故障通常体现的是事故突发性这个突发过程往往伴随受力的突然改变 通常此类故障可以通过较短时间的数据趋势来体现()趋势往复震荡变化趋势往复震荡变化是指特征参数在机组运行过程中呈现往复无规律的跳变时而特征参数正常时而特征参数异常 这种现象的出现往往与机组在稳定运行边界工况的运行有关系例如机组运行在涡带区与稳定运行的交界边界负荷稍微波动或水头稍稍改变都会引起机组振摆幅值的变化 当机组进入涡带区后机组振摆会突增当机组运行在稳态负荷边界时振摆数值就会恢复正常此类趋势故障通常体现的是特定工况特征参数的异常反应不需要检修处理只需对工况进行调整规避异常工况即可 通常此类故障既可在短时趋势数据体现也可在长期趋势数据体现()趋势周期性规律变化趋势周期规律性变化是指特征参数在机组运行过程中与某些工况参数的变化呈现周期性规律 例如某轴流转桨式机组其自身存在水力不平衡问题当机组在汛期时由于尾水位升高效率下降带相同的负荷就需要增大流量此时受水力不平衡影响机组水导摆度和顶盖振动幅值就明显增大异常严重时机组无法带满发但到了枯水期尾水位下降机组效率升高带满发机组振摆数值又无异常此类趋势故障体现的是特定工况参数的周期变化对机组特征参数的影响此类故障比较复杂需根据实际情况酌情去检修处理 通常此类故障在长期趋势数据中体现 趋势故障识别的核心特征参数及量化评价结合趋势故障的分类及其特征表现形式文中引入了 个核心特征参数作为趋势故障的评价依据分别是极值(最高值/最低值)、偏差率和变化率通过有效计算和特征参数的组合使用达到对各类趋势故障有效识别的目的极值指所选时间段数据中监测参数的最大值和最小值即、偏差率指将选定段内的监测参数值按特定时间(例如:每时/每日/每月/每年)进行整体计数并计算其平均值然后取相邻两个均值的最大变化量变化率指所选数据中监测参数值的某一变化与该变化所用时间的比值 此处定义该变化初始时刻为 终止时刻为 特别强调变化率对突变故障表现最为明显偏差率和变化率的计算公式分别为:()()()式中:为偏差率为变化率对于趋势故障数据的筛选也很重要按照时间的长短可将趋势数据分为如下四大类()时趋势时趋势是指所选数据范围在某几小时内的监测参数值趋势 其对趋势中出现异常突变类故障的反应明显便于分析故障发生周期较短()日趋势日趋势是指所选数据范围在某几天内的监测参数值趋势 其对趋势中出现异常单调变化类故障的反应较明显故障一直存在且表现出递增或递减()月趋势月趋势是指所选数据范围在某个月或某几个月内的监测参数值趋势 其对趋势中出现异常单调或特殊往复变化故障的反应明显故障周期较长()年趋势机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)电力与装备年趋势是指所选数据范围在一整年内或某几年内的监测参数值趋势 其对趋势中出现周期性规律变化故障的反应明显故障周期长那么对于特征参数可通过时、日、月、年之分进行定义 以偏差率为例定义 为时最大变化值为日最大变化值为月最大变化值为年最大变化值其他特征参数也以此方法定义各种不同类型趋势故障在实际故障识别时表现出的特点不同因此用到的特征参数也不一样对于趋势线性异常变化故障通常选用的是时趋势或月趋势特征参数进行识别对于趋势异常突变故障选用的是时趋势特征参数识别对于趋势往复震荡变化故障往往选用的是日趋势或月趋势特征参数进行识别对于趋势周期性规律变化故障往往选用的是年趋势特征参数进行识别 应用实例文中进行了应用实例说明通过对上述 个核心特征参数的计算监测与实时跟踪可以对不同类型趋势故障产生和表现特点及时有效地做出故障诊断和预警.趋势异常线性变化故障实例某水力发电厂 机组(机组额定转速./、额定功率 、混流式)检修后在没有任何机械调整的情况下满负荷稳态运行时出现上导摆度增大现象 图 是机组热稳定运行 以后上导摆度随时间变化趋势图图 上导摆度随时间变化趋势图 从图 中可以看出机组检修后在没有任何机械调整的情况下热稳定后满负荷运行上导摆度幅值发生明显的增大变化趋势且增大的主要频率是(转频)上导摆度增大过程数据如表 所列表 上导摆度趋势增大过程摘选机组运行数据序号时间有功功率/导叶开度/上导 向摆度/上导 向摆度/:./:./:./:.从表 中数据可以看出机组在 月份运行期间上导 向摆度幅值线性增大约 上导 向摆度幅值线性增大约 结合图表中数据计算得到趋势故障识别核心特征参数值如表 所列表 趋势故障识别核心特征参数值序号监测参数特征指标特征值上导 向摆度上导 向摆度最高值/.月偏差率/.月变化率/.最高值/.月偏差率/.月变化率/(/).从特征参数月偏差率和月变化率可以看出虽然最大幅值增幅不明显但其月偏差率和月变化率(为 个月)有较明显的反应 经现场排查导致该趋势故障发生的原因是由于上导瓦有变位引起瓦间隙增大从而导致摆度出现了线性增大的现象重新调整瓦间隙后该故障现象消失.趋势异常突变故障实例某水力发电厂 机组(机组额定转速./、额定功率 、混流式)在稳态工况运行时水导摆度分别在 月 日 时和 月 日 时发生两次明显的突增现象 图 是机组热稳定运行 以后水导摆度及相关参数随时间变化趋势图复选框为异常突变时刻 从图 中可以看出机组稳态运行中水导摆度出现两次明显的突变增大现象且导致水导摆度增大的主要频率是(转频)同时在水导摆度增大的过程中水导摆度间隙也发生了明显的变化 月 日 时发生突增前后时刻数据如表 所列 月 日 时发生突增前后时刻数据如表 电力与装备 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用所列图 水导摆度及相关参数随时间变化趋势图 从表、中数据可以看出机组第一次突增前后水导摆度幅值增大了约 第二次突增前后水导摆度幅值增大了约 同时结合表中数据计算得到核心特征参数值如表 所列从特征参数时偏差率和时变化率可以看出两次突变过程时偏差率和时变化率(为 )均有非常明显的体现能够对两次突变过程进行有效的识别 经现场实际故障排查发现引起水导摆度两次突变的原因是由于水导水冷系统出现泥沙堵塞导致流量不足水导瓦(材质为橡胶瓦)磨损从而引起瓦间隙变化进而出现水导摆度突变表 月 日 时故障突增前后时刻数据序号时间有功功率/号机水头/导叶开度/水导 向摆度/水导 向摆度/:./:./:.表 月 日 时故障突增前后时刻数据序号时间有功功率/号机水头/导叶开度/水导 向摆度/水导 向摆度/:./:./:./:.表 趋势异常突变故障特征参数计算值序号监测参数特征指标特征值(第一次突变)特征值(第二次突变)水导 向摆度水导 向摆度最高值/.时偏差率/.时变化率/(/).最高值/.时偏差率/.时变化率/(/).趋势往复震荡变化故障实例某水力发电厂 机组(机组额定转速./、额定功率 、混流式)在 区间运行时机组负荷相同的情况下振摆数值呈现往复震荡的变化趋势 图 是机组运行热稳定 以后各部导轴承摆度随时间变化趋势图 从图 中可以看出机组各部导轴承摆度在机组负荷变化不大的情况下摆度数值有明显的跳变不仅摆度包括各导轴承机架振动、顶盖及定子振动也呈现相同的变化规律 抽取机组各摆度跳变时刻前后数据进行分析如表 所列为上导摆度数据图 各部导轴承摆度随时间变化趋势图机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)电力与装备表 机组摆度跳变时刻前后上导摆度数据序号时间有功功率/号机水头/导叶开度/上导 向摆度/上导 向摆度/:./:./:./:./:./:.从表 中可以看出机组上导 向摆度每次跳变幅值变化了约 上导 向摆度每次跳变幅值变化了约 同时结合图表中数据计算得到核心特征参数值如表 所列表 趋势往复震荡变化故障特征参数计算值序号监测参数特征指标特征值上导 向摆度上导 向摆度最高值/.日偏差率/.日变化率/(/).月偏差率/.月变化率/(/).最高值/.日偏差率/.日变化率/(/).月偏差率/.月变化率/(/).从特征参数日偏差率、日变化率(为 天)和月偏差率、月变化率(为 个月)中可以看出在数据往复震荡变化的过程中虽然极值(最高值)并未出现明显超过实际使用范围的情况但日偏差率、日变化率和月偏差率、月变化率均能对该故障进行有效识别 该故障产生的原因是由于机组运行在特定负荷区间时产生了水力激振导致机组振摆幅值突增在该区间外运行时机组运行正常.趋势周期性规律变化故障实例某水力发电厂 机组(机组额定转速 /、额定功率 、水泵水轮机组)在抽水工况下稳定运行且无明显负荷调整时机组上机架水平振动幅值呈现随季节变化趋势 图 是机组运行热稳定 以后上机架水平振动随时间变化趋势图图 上机架水平振动随时间变化趋势图 从图 中可以看出机组在抽水工况热稳定后负荷不变的情况下运行时上机架水平振动幅值在一整年内趋势变化明显且呈现随季节周期性规律变化选取对应季度内机组上机架水平振动在各阶段最大值数据进行统计结果如表 所列表 各阶段上机架水平振动最大值统计表序号时间有功功率/导叶开度/上机架 向振动/上机架 向振动/:./:./:./:./:.从表 中数据可以看出机组在负荷不变的情况下上机架 向水平振动幅值在一个年度内最大变化量约 上机架 向水平振动幅值最大变化量约为 变化趋势明显 但同比不同年份相同月份的数据可以看出上机架振动幅值变化并不明显结合图表中数据计算得到特征参数值如表 所列电力与装备 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用表 趋势周期性规律变化故障特征参数计算值序号监测参数特征指标特征值上机架 向水平振动上机架 向水平振动最高值/.年偏差率:/.年变化率:/(/).最高值/.年偏差率:/.年变化率:/(/).从特征参数年偏差率和年变化率(为 年)可以看出参考限值在一整年度内机组上机架水平振动周期趋势变化过程中年偏差率和年变化率数值变化明显能够有效对该故障进行识别导致此故障出现的原因是由于机组定子冷却为自然风冷却冷却性能受环境季节温度变化影响明显夏季机组冷却性能下降严重导致定子温升增高从而引起定子热变形增大由于变形不一致导致机组电磁力不平衡进而对机组的振动影响增大从而出现了上述的上机架水平振动增大的现象 结 语文中充分总结和提取了大量机组运行数据并引入几个趋势异常故障识别的有效特征参数使用北京中元瑞讯科技有限公司研制的 测量系统进行数据测量计算了同一工况下其特征参数值进而对不同类型的趋势异常现象做出评价 同时通过实际应用案例的测试结果分析验证了趋势故障识别在水电机组运检中的实际应用价值 该趋势故障识别方法使现场检修维护人员更方便地掌握机组运行状态及特性及时准确地对机组运行状态做出判断能有效防止重大事故的发生 同时也为故障诊断及相关专业技术人员提供了更多的诊断方法帮助分析和追溯故障发生原因为进一步推进趋势故障识别在水轮发电机在线监测系统中的应用发挥了促进作用参考文献:刘 娟潘罗平桂中华等.国内水电机组状态监测和故障诊断技术现状.大电机技术():.潘罗平周 叶唐 澍等.水轮发电机组状态监测技术的现状及展望.水电站机电技术():.董开松.基于气隙动态测量技术的定转子变形评价方法研究.西安:西安理工大学.王善永钟敦美张启明.水电机组状态参数趋势分析与在线识别.电力系统自动化():.段炼达.基于大数据的水电机组故障检测技术研究.北京:中国水利水电科学研究院.潘罗平.基于健康评估和劣化趋势预测的水电机组故障诊断系统研究.北京:中国水利水电科学研究院.刘瑞叶李卫星李 峰等.电网运行异常的状态特征与趋势指标.电力系统自动化():.顾煜炯杨 楠刘 璐等.基于序列数据异常趋势识别的故障诊断方法.电力系统自动化():.写作小知识书名号用法补充规则 ()不能视为作品的课程、课题、奖品奖状、商标、证照、组织机构、会议、活动等名称不应用书名号 下面为书名号误用的示例示例:本市将召开全国食用天然色素应用研讨会(误用)示例:本报将于今年暑假举行墨宝杯书法大赛(误用)()有的名称应根据指称意义的不同确定是否使用书名号 如文艺晚会指一项活动时不用书名号而特指一种节日名称时可用书名号 再如展览作为一种文化传播的组织形式时不用书名号特定情况下将某展览作为一种创作的作品时可用书名号示例:年重阳联欢晚会受到观众的称赞和好评示例:本台将重播 年重阳联欢晚会()书名后面表示该作品所属类别的普通名词不标在书名号内示例:机械研究与应用杂志 示例:我们杂志()书名有时候带有括注 如果括注是书名、篇名等的一部分应放在书名号之内反之则放在书名号之外示例:琵琶行(并序)示例:人民日报(海外版)()书名、篇名末尾如有叹号或问号应放在书名号之内示例:如何做到同工又同酬?示例:日记何罪!()在古籍或某些文史类著作中为与专名号配合书名号也可以改用浪线式“”标注在书名号下方这可以看作是特殊的专名号或特殊的书名号本刊辑机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)电力与装备