謝永濤，劉俊俊，賈嶸，董開松

（1.西安理工大學(xué)，陜西西安　710048；2.甘肅省電力投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州　730050；3.國(guó)網(wǎng)甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州　730050）

燈泡貫流式機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝永濤1，劉俊俊2，賈嶸1，董開松3

（1.西安理工大學(xué)，陜西西安710048；2.甘肅省電力投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730050；3.國(guó)網(wǎng)甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州730050）

燈泡貫流式水力組以其可利用水頭資源豐富，機(jī)組效率高等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于我國(guó)中、低水頭電站領(lǐng)域。但由于其自身結(jié)構(gòu)的獨(dú)特，時(shí)常導(dǎo)致機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)非正常振動(dòng)現(xiàn)象，威脅機(jī)組的正常運(yùn)行。從其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，針對(duì)燈泡貫流式機(jī)組的常見振動(dòng)故障，進(jìn)行測(cè)點(diǎn)重新布置，設(shè)計(jì)并搭建了機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷平臺(tái)，最后，對(duì)黃河河口電站的部分振動(dòng)故障進(jìn)行了分析，總結(jié)。

燈泡貫流式機(jī)組；振動(dòng)；監(jiān)測(cè)；故障診斷

近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)大力開發(fā)水電資源，其水電總裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到了2.5億kW，絕大多數(shù)流域的中高水頭資源已經(jīng)開發(fā)到了一定的程度，剩下的都是水頭較低的資源［1-2］。學(xué)者研究表明：燈泡貫流式機(jī)組適應(yīng)于低水頭的水力發(fā)電場(chǎng)合，且單位容量投資相對(duì)較低、可利用的水頭資源相對(duì)豐富、水力損失小，效率高［3-6］。我國(guó)對(duì)大、中型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的研制始于20世紀(jì)80年代，起步相對(duì)較晚，但截止2000年，我國(guó)已建、在建的大、中型燈泡貫流式電站單機(jī)容量30 MW以上的機(jī)組約有100臺(tái)，中低水頭電站約占我國(guó)水電總裝機(jī)容量的16%，表1為國(guó)內(nèi)大型燈泡貫流式機(jī)組主要參數(shù)表。

表1　國(guó)內(nèi)大型燈泡貫流式機(jī)組主要參數(shù)表Tab.1　Main parameter table of domestic large bulb tubular units

河口水電站位于蘭州市西郊黃河干流上的一座中型水電站，距上游八盤峽水電站8 km，距下游柴家峽水電站約10 km，距蘭州市區(qū)約45 km，是黃河龍～青段梯級(jí)第十七座水電站。其電站的建設(shè)目的是為了響應(yīng)“優(yōu)化發(fā)展陜西、寧夏火電基地，因地制宜發(fā)展新能源，優(yōu)化電源電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)資源合理配置，大力加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)，適時(shí)實(shí)施高一級(jí)電壓工程，積極推進(jìn)“西北一華北等跨大區(qū)聯(lián)網(wǎng)工程”的口號(hào)；緩解蘭州地區(qū)電力供應(yīng)，改善蘭州地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉。由于黃河水質(zhì)條件的復(fù)雜和燈泡貫流式機(jī)組的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致了河口電站在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中時(shí)常出現(xiàn)非正常振動(dòng)現(xiàn)象，威脅機(jī)組正常運(yùn)行。

我國(guó)的水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)以獨(dú)立裝置為主，目前尚不具備網(wǎng)絡(luò)化、智能化的要求，主要存在以下問(wèn)題［7-11］：

1）系統(tǒng)主要集中在對(duì)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，大多監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于系統(tǒng)可能發(fā)生的故障或者已經(jīng)發(fā)生的故障進(jìn)行診斷分析較為困難，特別是對(duì)于一些可能發(fā)生故障的趨勢(shì)分析不到位，例如空蝕現(xiàn)象。

2）針對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷分析方法的理論研究較為深入，但缺乏實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

本文主要從燈泡貫流式機(jī)組自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，針對(duì)機(jī)組在日常運(yùn)行中的常見振動(dòng)故障，在Windows平臺(tái)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并搭建了機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)。

1　工程概況

甘肅省黃河河口水電站正常蓄水位高程1 558 m，最大壩高37 m電站總裝機(jī)見表2，容量為74 MW，多年平均發(fā)電量3.85億kW·h，水輪發(fā)電機(jī)采用4臺(tái)燈泡式貫流機(jī)組，單機(jī)容量18.5 MW，其機(jī)組水輪機(jī)型號(hào)為GZTF08C-WP-720，發(fā)電機(jī)型號(hào)SFWG18.5-88/ 7820。機(jī)組具有水力條件好、效率高、流量大、體積小等特點(diǎn)。

表2　河口水電站水電機(jī)組基本參數(shù)Tab.2　Basic parameters of the hydropower units of Hekou Hydropower Station

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1測(cè)點(diǎn)布置

河口水電站由于水頭較低，機(jī)組呈臥式布置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故誘發(fā)其振動(dòng)故障的原因很多［12］，大多數(shù)故障或事故都可以通過(guò)振動(dòng)信號(hào)來(lái)反映。綜合考慮河口電站現(xiàn)場(chǎng)情況，按照對(duì)燈泡貫流式機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)要求，河口電站測(cè)點(diǎn)布置情況如圖1所示。

圖1　測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1　Arrangement of measuring points

2.2系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)基于WINDOWS環(huán)境下的DELPHI 6.0開發(fā)工具來(lái)開發(fā)的，并采用INTERNET/INTRANET和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)約進(jìn)行對(duì)外通訊。通過(guò)結(jié)合Windows系統(tǒng)獨(dú)有的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡技術(shù)和動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源管理技術(shù)，來(lái)協(xié)調(diào)各單元的工作。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖2所示、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見圖3。由圖2可知，整個(gè)系統(tǒng)是建立在由電廠局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和運(yùn)行分析中心局域網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的；由傳感器、預(yù)處理機(jī)（SPU2000）、服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等部分組成。由傳感器得到機(jī)組各部件的信號(hào)，經(jīng)預(yù)處理機(jī)采集和轉(zhuǎn)換，將所有數(shù)據(jù)傳至服務(wù)器處理和保存，其他的客戶機(jī)則可以使用特定軟件或利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽的方式從服務(wù)器中獲取數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷。

2.3主要功能

系統(tǒng)主要具備以下分析功能：

1）工況過(guò)渡過(guò)程分析：包括開機(jī)過(guò)程、甩負(fù)荷、停機(jī)過(guò)程等工況轉(zhuǎn)換過(guò)程中擺度及振動(dòng)變化過(guò)程及其與機(jī)組轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度、氣隙測(cè)值等相關(guān)數(shù)據(jù)的相對(duì)關(guān)系。

2）連續(xù)時(shí)域分析顯示功能：對(duì)波形進(jìn)行分析，整理出時(shí)域范圍內(nèi)各特征數(shù)據(jù)；顯示并分析軸心軌跡。

3）連續(xù)頻譜分析和顯示功能：對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析，整理出時(shí)域范圍內(nèi)各特征數(shù)據(jù)，顯示極坐標(biāo)圖、瀑布圖等。

圖2　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框架圖Fig.2　The system network structure frame

圖3　系統(tǒng)監(jiān)測(cè)畫面Fig.3　The system monitoring screen

4）多工況相關(guān)趨勢(shì)分析

在系統(tǒng)中，多工況相關(guān)分析是最為重要的分析工具，通過(guò)分析多個(gè)主特征參量和另外一組參考特征參量之間的相互關(guān)系，來(lái)預(yù)測(cè)機(jī)組運(yùn)行狀況。

5）提供趨勢(shì)預(yù)報(bào)功能，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分布特征和當(dāng)前參數(shù)的變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)參量的發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行檢查和深入分析診斷；

以上多種措施使得多工況相關(guān)分析可以為了解機(jī)組運(yùn)行特性和查找定位故障、指導(dǎo)運(yùn)行和調(diào)度提供有力手段。

3　實(shí)例分析

3.1渦帶工況區(qū)

在試驗(yàn)過(guò)程中，河口電站1號(hào)機(jī)組組合軸承擺度和水導(dǎo)擺度隨負(fù)荷變化的瀑布圖如圖4所示。

圖4　1號(hào)機(jī)組組合軸承擺度和水導(dǎo)擺度隨負(fù)荷變化的瀑布圖Fig.4　The waterfall curve of the swing value change of 1#Unit combination bearing and turbine guide bearing with change of load

通過(guò)組合軸承擺度-頻率和水導(dǎo)擺度-頻率曲線關(guān)系可以看出在3～7 MW負(fù)荷區(qū)組合軸承和水導(dǎo)均存在明顯的低頻振動(dòng)，同時(shí)在5～6 MW之間負(fù)荷區(qū)振動(dòng)最為明顯。

通過(guò)對(duì)3～7 MW負(fù)荷之間的機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)和組合軸承均存在明顯的低頻成分，約轉(zhuǎn)頻的0.25倍，因此可以判斷3～7 MW負(fù)荷區(qū)屬于渦帶工況區(qū)，其中5～6 MW之間屬于嚴(yán)重渦帶工況區(qū)。

3.2高頻壓力脈動(dòng)區(qū)

測(cè)試機(jī)組在不同負(fù)荷下尾水管進(jìn)口壓力脈動(dòng)，其試驗(yàn)結(jié)果見圖5所示。

圖5　尾水管進(jìn)口壓力脈動(dòng)瀑布圖Fig.5　The waterfall curve of the draft tube inlet pressure pulsation

從圖5尾水管進(jìn)口壓力脈動(dòng)瀑布圖中可以看出，在3.7 MW負(fù)荷之間，機(jī)組尾水管進(jìn)口壓力脈動(dòng)存在較大的高頻壓力脈動(dòng)成分，經(jīng)過(guò)分析此時(shí)造成這種低負(fù)荷開度高頻壓力脈動(dòng)的主要原因是由于尾水管中的尾水水壓脈動(dòng)造成共振，這些是由于機(jī)組本身結(jié)構(gòu)和參數(shù)和運(yùn)行條件等因素決定，機(jī)組在運(yùn)行中應(yīng)盡量避免在該工況下運(yùn)行。

3.3磁拉力不平衡

將1號(hào)機(jī)組停機(jī)過(guò)程，斷勵(lì)磁前后振動(dòng)、擺度數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，其結(jié)果如表3所示。

表3　擺度變化表Tab.3　The swing value change chart

由表3數(shù)據(jù)可知，旋轉(zhuǎn)方向不平衡磁拉力使發(fā)導(dǎo)軸承X向振動(dòng)的減小約18 μm；固定方向磁拉力引起的主軸中心線偏移在發(fā)導(dǎo)處偏移約35 μm，偏移方位由鍵相塊位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)224.42°；使組合軸承處偏移約96 μm，偏移方位由鍵相塊位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)104.98°；所有數(shù)據(jù)均在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。

4　結(jié)論

燈泡貫流式機(jī)組具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)于中低水頭電站開發(fā)，具有十分重要的工程價(jià)值，本文針對(duì)黃河河口電站的實(shí)際運(yùn)行需求，設(shè)計(jì)、開發(fā)了燈泡貫流式機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)平臺(tái)，并對(duì)該電站1#機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)組運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行有效預(yù)估。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院新聞辦公室.中國(guó)的能源狀況與政策［J］.資源與人居環(huán)境，2008（04）：7-13.The state council inform ation office of the People’s Republic of China.China’s energy situation and policy［J］.Resources and Inhabitant Environment，2008（04）：7-13（in Chinese）.

［2］李仁年，侯華.貫流式水輪機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景［C］.水電站機(jī)電技術(shù)研討會(huì)論文集，長(zhǎng)沙：湖南水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)，2010，11，16.

［3］應(yīng)恒晶.燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)制造工藝慨述［J］.機(jī)電技術(shù)，2015（2）：66-69.YING Hengjing.Summarizes the manufacturing technology of bulb flow-type generators［J］.Mechanical&Electrical Technology，2015（2）：66-69（in Chinese）.

［4］黃少玲.淺談燈泡貫流式電站的優(yōu)化運(yùn)行 ［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（7）：122-122.HUANG Shaoling.Introduction to optimize operation of the bulb tubular power station［J］.China New Technologies and Products，2013（7）：122-122（in Chinese）.

［5］彭云龍，林長(zhǎng)宏.大洑潭電站燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)開發(fā)［J］.東方電氣評(píng)論，2013，27（1）：12-20.PENG Yunlong，LIN Changhong.Dafutan power station bulb tubular turbine generator technology development［J］.Dong Fang Electric Review，2013，27（1）：12-20（in Chinese）.

［6］王潤(rùn)，鄭淑華，楊富超，等.燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的選擇［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2012，30（4）：114-116.WANG Run，ZHENG Shuhua，YANG Fuchao，et al.The choice method of bulb tubular turbine generator power factor［J］.Inner Mongolia Electric Power，2012，30（4）：114-116（in Chinese）.

［7］彭文季，羅興锜.基于小波包分析和支持向量機(jī)的水電機(jī)組振動(dòng)故障診斷研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，26（24）：164-168.PENG Wenji，LUO Xingqi.Research on vibrant fault diagnosisofhydro-turbine generating unitbased on wavelet packet analysis and support vector machine［J］.Proceedings of the CSEE，2007，26（24）：164-168（in Chinese）.

［8］張孝遠(yuǎn)，周建中，黃志偉，等.基于粗糙集和多類支持向量機(jī)的水電機(jī)組振動(dòng)故障診斷［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010（20）：88-93.ZHANG Xiaoyuan，ZHOU Jianzhong，HUANG Zhiwei，et al.Vibrant fault diagnosis for hydro-turbine generating unit based on rough sets and multi-class support vector machine［J］.Proceedings of the CSEE，2007，26（24）：164-［9］XIANG X，ZHOU J，AN X，et al.Fault diagnosis based on walsh transform and support vector machine［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2008，22（7）：1685-1693.

168（in Chinese）.

［10］SONG G，HE Y，CHU F，et al.HYDES：a web-based hydro turbine fault diagnosis system［J］.Expert Systems with Applications，2008，34（1）：764-772.

［11］YANG Y，DONG X J，PENG Z K，et al.Vibration signal analysis using parameterized time frequency method for features extraction of varying-speed rotary machinery［J］.Journal of Sound and Vibration，2015（335）：350-366.

［12］王毅.影響燈泡貫流式機(jī)組振動(dòng)的因素［C］.甘肅省水力

C.燃?xì)鈾C(jī)組頻率響應(yīng)模型及其傳遞函數(shù)：發(fā)電工程學(xué)會(huì)、廣東省水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)、湖南省水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)2010年水電站機(jī)電技術(shù)研討會(huì)論文集，蘭州：甘肅水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)，2010：159-161.

（編輯李沈）

Condition Monitoring and Fault Diagnosis System Design of the Bulb Flow-Type Generator

XIE Yongtao1，LIU Junjun2，JIA Rong1，DONG Kaisong3
（1.Xi'an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China；2.Gansu Electric Power Investment Group Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，Gansu，China；3.State Grid Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730050，Gansu，China）

The bulb flow-type generator is widely used in the middle and low head hydro power field because it can utilize a large variety of hydraulic heads available and it is efficient.But due to its unique structure，abnormal vibration phenomena frequently occur in operation，causing risks to the normal operation of the generator unit.Starting from the structural characteristics of the bulb flow-type generator，this paper re-arranges the measure points，and designs and builds the vibration monitoring and fault diagnosis platform for the common vibration fault of the Bulb Flow-type Generator.Finally，some vibration faults occurred to Hekou Hydro-Power Station on the Yellow River are analyzed and summarized.

bulb flow-type generators；vibration；monitor；fault diagnosis

1674-3814（2015）11-0089-04

TV734.2

A

2015-06-22。

謝永濤（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化；

劉俊?。?982—），男，工程師，碩士，主要從事水電站檢修管理；

賈嶸（1971—），男，教授，碩博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化；

董開松（1966—），男，高級(jí)工程師，主要從事清潔能源并網(wǎng)與發(fā)電。

水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)與局放的監(jiān)測(cè)與診斷（51279161）。

Hydroelectric Generating Set Vibration and Partial Discharge Monitoring and Diagnosis（51279161）.