水輪發(fā)電機(jī)檢修系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

摘 要：運(yùn)用水力發(fā)電，優(yōu)化資源配置是當(dāng)前社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要課題。水輪發(fā)電機(jī)是水力發(fā)電的主要設(shè)備，傳統(tǒng)的設(shè)備檢修方式，對(duì)事故的預(yù)防控制不足，導(dǎo)致需要故障隱患不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。本文提出了以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、全息譜分解技術(shù)為核心的水輪發(fā)電機(jī)檢修系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了實(shí)證分析。

關(guān)鍵詞：水流發(fā)電機(jī)；檢修系統(tǒng)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷

中圖分類號(hào)：TM312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2017）03-0039-03

Key Technical analysis of Maintenance System of Hydrogenerator

QU Maoxin

（Taishan Deep Well Reservoir Management Institute，Taishan 529241，China）

Abstract： Using Hydropower to optimize the allocation of resources is an important issue for sustainable development of the society.Hydro generator is the main equipment of hydraulic power generation. The traditional way of equipment maintenance is insufficient to prevent and control the accident， which leads to the hidden trouble that can not be found in time. In this paper， the design scheme of the maintenance system of hydro generator based on the Internet of things and the technology of holographic spectrum decomposition is put forward， and an empirical analysis is carried out.

Keywords： flow generator； maintenance system； condition monitoring； fault diagnosis

0 引 言

我國(guó)水能儲(chǔ)備豐富，并且受供給側(cè)改革、環(huán)保政策及“十三五”規(guī)劃綱要影響，化石能源發(fā)電進(jìn)一步制約，水力發(fā)電比例持續(xù)上升。以三峽水電站為例，其年均發(fā)電量可達(dá)847億千瓦時(shí)。而水輪發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的故障會(huì)降低水力發(fā)電效率，并存在安全隱患。自20世紀(jì)90年代，我國(guó)開始引入水電設(shè)備狀態(tài)檢修，促進(jìn)了水輪發(fā)電機(jī)檢修的發(fā)展。因此對(duì)水輪發(fā)電機(jī)檢修系統(tǒng)進(jìn)行研究，就是以狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷為核心的狀態(tài)檢修系統(tǒng)的研究。

1 水輪發(fā)電機(jī)檢修的發(fā)展

在20世紀(jì)90年代以前，針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)等設(shè)備的檢修以按周期進(jìn)行的計(jì)劃?rùn)z修為主的方式進(jìn)行的，著重于按照設(shè)備的運(yùn)行特征、故障特點(diǎn)定期檢修，發(fā)生事故后及時(shí)進(jìn)行修整。容易出現(xiàn)檢修時(shí)問題尚未出現(xiàn)，出現(xiàn)問題時(shí)未到檢修時(shí)間的問題，對(duì)故障的預(yù)防和控制效果較低[1]。隨著狀態(tài)檢修的引入，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)檢修逐步走向了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、提前預(yù)警的智能化故障診斷和預(yù)防的方向。清華大學(xué)、東南大學(xué)、航天部等科研院校和部門相繼開發(fā)了水輪發(fā)電機(jī)狀態(tài)檢修系統(tǒng)。水輪發(fā)電機(jī)檢修的效率、效果正在逐年提升。

2 水輪發(fā)電機(jī)檢修存在的問題

隨著水電機(jī)組單機(jī)裝機(jī)容量的持續(xù)增長(zhǎng)，水電設(shè)備結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、故障機(jī)理也日益復(fù)雜，當(dāng)前基于水輪機(jī)組開發(fā)的系統(tǒng)中仍存在一定的問題。

首先，狀態(tài)檢修系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的依據(jù)較為單一，容易發(fā)生誤判的情況，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前水輪發(fā)電機(jī)故障發(fā)生的機(jī)理，提取為廣泛的、具有評(píng)價(jià)意義的參數(shù)，提升診斷效果；其次，水輪發(fā)電機(jī)的健康標(biāo)準(zhǔn)過于模式化，忽略了實(shí)際采集數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的融入，使得系統(tǒng)自身所儲(chǔ)備的數(shù)據(jù)庫不能夠根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)的制造、安裝、運(yùn)行的異同進(jìn)行正確的判斷，引入更多的智能技術(shù)，形成發(fā)達(dá)的“神經(jīng)性”狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有利于提升檢修系統(tǒng)的準(zhǔn)確性[2]；第三，水輪機(jī)與汽輪機(jī)不同，屬于低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，因此對(duì)其開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)，應(yīng)滿足良好的低頻響應(yīng)特征，并符合動(dòng)靜態(tài)的指標(biāo)。當(dāng)前所選用的傳感元件的可信度有待提高，其對(duì)低頻信息的捕捉效果不高。且各單位在選擇傳感器也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，影響實(shí)際測(cè)試效果。

3 水輪發(fā)電機(jī)檢修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 水輪發(fā)電機(jī)檢修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)檢修存在的問題，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)智能管理技術(shù)為依托，并結(jié)合對(duì)時(shí)下水輪發(fā)電機(jī)故障發(fā)生機(jī)理，筆者設(shè)計(jì)了一種水輪發(fā)電機(jī)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的系統(tǒng)。它通過三個(gè)關(guān)鍵步驟完成對(duì)水輪發(fā)電機(jī)的檢修。第一階段，以無線傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，在水輪發(fā)電機(jī)組中布設(shè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)的布設(shè)要以完整的感知為核心，考慮測(cè)點(diǎn)損失的可能，留足余量。同時(shí)結(jié)合信號(hào)分析、全息譜分解技術(shù)完成水輪發(fā)電機(jī)當(dāng)前工況的實(shí)時(shí)感知和采集；第二階段為工況數(shù)據(jù)信息的分析和對(duì)比，從而完成對(duì)水輪發(fā)電機(jī)工況的判斷，是否處于良好工作的狀態(tài)。這部分的基礎(chǔ)是建立完整的數(shù)據(jù)庫，且數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容應(yīng)是持續(xù)擴(kuò)增的。它應(yīng)包括水輪發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：出廠參數(shù)、安裝方式、運(yùn)行機(jī)理等；歷史數(shù)據(jù)：該水輪發(fā)電機(jī)的過往檢修數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀況等；專家?guī)?、案例庫：多個(gè)專家所提供了的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)以及其他水輪發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的案例等。第三階段就是根據(jù)第二階段所判斷的水輪發(fā)電機(jī)的工況智能發(fā)出預(yù)警，并提出故障的處理方案，安排工作人員執(zhí)行故障排除[3]?？傮w來說，水輪發(fā)電機(jī)的檢修系統(tǒng)由前端傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、在線監(jiān)控終端以及上位機(jī)構(gòu)成。

3.2 水輪發(fā)電機(jī)檢修系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

筆者以某水電站單機(jī)發(fā)電量為500MW的水輪機(jī)的狀態(tài)檢修為例，探討所設(shè)計(jì)的水輪發(fā)電機(jī)檢修系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)檢修系統(tǒng)的構(gòu)成可以看出，其關(guān)鍵技術(shù)包括兩個(gè)方面：一是以物聯(lián)網(wǎng)的傳感技術(shù)為核心的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，二是以全息譜分解技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)的故障診斷。

3.2.1 以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

狀態(tài)監(jiān)測(cè)顧名思義就是通過采集水輪發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)工況以備故障診斷使用，提升故障的預(yù)防和控制。它由兩個(gè)關(guān)鍵的組件構(gòu)成，即傳感器和數(shù)據(jù)采集單元。傳感器是狀態(tài)監(jiān)測(cè)的眼睛和手，它代替人工進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)收集?？傮w來說，目前使用的傳感器種類眾多，如電渦流傳感器、壓力脈動(dòng)傳感器等，不同的傳感器類型其傳感測(cè)量精度也有所區(qū)別。傳感器應(yīng)能夠采集包括擺度、震動(dòng)、壓力脈動(dòng)、氣隙等重要參數(shù)。隨著“中國(guó)智造”的發(fā)展，一批性能良好的國(guó)產(chǎn)傳感器正在迅速的占領(lǐng)市場(chǎng)。本系統(tǒng)所選取的傳感器的基本原則是能夠充分采集水輪發(fā)電機(jī)的低頻信號(hào)，并能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集，減少傳感器的測(cè)點(diǎn)損失。同時(shí)因?yàn)樗璨杉膮?shù)類型較多，應(yīng)根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)不同部位的監(jiān)測(cè)需求，配置相應(yīng)的傳感器的類型[4]。數(shù)據(jù)采集單元，它根據(jù)傳感器傳入的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并與上位機(jī)相連。為了方便進(jìn)行靈活的配置和處理，數(shù)據(jù)采集單元按照模塊化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用自適應(yīng)鎖相環(huán)技術(shù)，減少信號(hào)泄露和柵欄效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)采集；上位機(jī)，檢修系統(tǒng)的總控制端，它以開放式的分層分布式的以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布局，接受數(shù)據(jù)采集器的信號(hào)，利用在在線監(jiān)控終端并進(jìn)行集中的處理和分析。

與此同時(shí)，本文選擇GPRS技術(shù)、ZigBee技術(shù)作為無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)。ZigBee技術(shù)它是一種新型的雙向網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，在工作狀態(tài)中能耗低、傳輸速率高，并且具有幾項(xiàng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰?，?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自愈，減少因?yàn)樾盘?hào)中斷而造成的數(shù)據(jù)采集缺失。而GPRS可以向上與監(jiān)控終端、上位機(jī)建立連接，實(shí)現(xiàn)信息的融合。具體的信息融合與處理的過程如圖1所示。

3.2.2 以全息譜分解技術(shù)為核心的故障診斷技術(shù)

本檢修系統(tǒng)的故障診斷的方式以全息譜分解技術(shù)與非線性分析技術(shù)為基礎(chǔ)的。根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)所采集的信號(hào)數(shù)據(jù)，與儲(chǔ)存在系統(tǒng)內(nèi)部的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、歷史信息數(shù)據(jù)庫為判斷依據(jù)，分析水輪機(jī)當(dāng)前發(fā)生的故障以及可能存在的潛在威脅和影響，并結(jié)合專家數(shù)據(jù)庫、案例庫的解決模型，推理判斷出最適合的發(fā)電機(jī)故障處理方案，安排工作人員進(jìn)行及時(shí)的處理。全息譜分解技術(shù)與傳統(tǒng)的頻譜分析技術(shù)相比，增加了對(duì)相位信息的處理，它是一種將時(shí)域信號(hào)變換至頻域加以分析的方法。其把復(fù)雜的時(shí)間歷程波形，經(jīng)過傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究，以獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波和相位信息，以頻率坐標(biāo)軸表示，進(jìn)而分析其頻率特性。其基本的工作方式就是通過監(jiān)測(cè)信號(hào)建立頻譜分析模型[5]，提取頻率的特征幅值形成軌跡圖，根據(jù)模糊理論判斷水輪機(jī)的狀況信息。這種方式可以同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳遞的多個(gè)信號(hào)進(jìn)行綜合的分析，例如水輪發(fā)電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)是由兩個(gè)相互垂直的信號(hào)構(gòu)成的，它可以將兩個(gè)信號(hào)在坐標(biāo)軸中表示，借以分析發(fā)電機(jī)軸心的振動(dòng)軌跡。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，水輪機(jī)的工況數(shù)據(jù)則呈現(xiàn)出非線性分布的特征，運(yùn)用FFT、奇異譜、偏微分等理論，就可以提前提取故障預(yù)兆信號(hào)，更早的作出預(yù)警和處理。

3.2.3 檢修的實(shí)證分析

（c）錐管監(jiān)測(cè)點(diǎn)處

如圖2為某水電站單機(jī)發(fā)電量為500MW的水輪機(jī)，通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)獲得的壓力脈動(dòng)變化的監(jiān)測(cè)結(jié)果。根據(jù)水輪機(jī)組的工作機(jī)理，需要對(duì)其壓力脈動(dòng)開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)，當(dāng)壓力脈動(dòng)產(chǎn)生較大的負(fù)荷偏移時(shí)，則會(huì)造成水輪機(jī)頂蓋震動(dòng)，影響其正常工作。為此分別在水輪機(jī)組的頂蓋、蝸殼、尾水錐管處布設(shè)不同數(shù)量的壓力脈動(dòng)傳感器。

根據(jù)傳感器采集到的信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)控終端，采用全息譜分解技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷和處理。根據(jù)信號(hào)采集結(jié)果發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)頂蓋出現(xiàn)振動(dòng)異常，尋找異常的原因，具體處理辦法如下：首先改變負(fù)荷值對(duì)分置于水輪機(jī)頂蓋（A/B）、蝸殼、尾水錐管處的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，獲得壓力脈動(dòng)的波形圖及壓力脈動(dòng)幅值的方差隨負(fù)荷的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的負(fù)荷值下時(shí)頻分布規(guī)律基本穩(wěn)定。其次，運(yùn)用加窗平均周期圖全息譜分解，四處頻域均主要為機(jī)組轉(zhuǎn)頻與渦帶頻率，沒有發(fā)現(xiàn)其他特殊頻帶，故可以判斷，頂蓋振動(dòng)超標(biāo)的原因與信號(hào)異常無關(guān)。分析壓力脈動(dòng)前后變化的比值，與數(shù)據(jù)庫中所存儲(chǔ)的壓力脈動(dòng)合同保證值進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，其已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該數(shù)值。并在出力達(dá)到500MV時(shí)發(fā)生突變，由此可以判斷由于壓力脈動(dòng)的負(fù)荷產(chǎn)生了較大的偏移，從而導(dǎo)致頂蓋振動(dòng)超出保證值。系統(tǒng)根據(jù)專家?guī)?、案例庫及歷史信息得出修正方案，用常規(guī)泄水錐代替柱狀泄水錐，并調(diào)整出水出上冠厚度。根據(jù)修正方案運(yùn)用系統(tǒng)進(jìn)行模擬調(diào)整，在確定方案的準(zhǔn)確性后，安排人員進(jìn)行實(shí)施。并在完成檢修后，獲取檢修后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行全息譜分解分析。

4 結(jié) 論

水輪發(fā)電機(jī)是水力發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，針對(duì)其開展實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷的檢修系統(tǒng)的研究有利于提升其工作效率，降低水力發(fā)電安全事故的發(fā)生。隨著科技的發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)的檢修系統(tǒng)以現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、信息采集技術(shù)、全息譜分解技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了對(duì)水輪機(jī)的遠(yuǎn)程狀態(tài)檢修，并能提供更加精準(zhǔn)、有效的故障解決法方案，成功改變傳統(tǒng)事后檢修的劣勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：區(qū)茂信（1987.09—），男，江門臺(tái)山人，大專，電力工程電氣助理工程師，畢業(yè)于廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院。研究方向：水電。