基于故障原因分析的水泵水輪機狀態(tài)評估

常玉紅 郝國文 劉夫果 趙江 李長勇

摘? 要：抽水蓄能機組具有轉(zhuǎn)速高、容量大以及工況轉(zhuǎn)換頻繁的特點，在電網(wǎng)中通常承擔調(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)定運行。隨著機組服役年限的不斷增加，水泵水輪機部件可能會產(chǎn)生必要的空蝕、磨蝕、磨損或疲勞，造成機組性能下降，嚴重時甚至導(dǎo)致故障，對機組的安全穩(wěn)定可靠運行帶來較大的隱患?，F(xiàn)有的規(guī)范或者標準并非針對水泵水輪機狀態(tài)評價而制定的，其存在著狀態(tài)評價指標體系不夠系統(tǒng)化、評價指標及其權(quán)重不合理等問題。該文通過對抽水蓄能電站運行10年以上、單機容量150MW以上的水泵水輪機主要部件已發(fā)生故障進行分析、歸納和總結(jié)，建立基于故障原因的主要部件狀態(tài)評價指標體系，并根據(jù)專家經(jīng)驗法及主要部件相關(guān)故障的發(fā)生頻率統(tǒng)計結(jié)果進行權(quán)重分析，然后結(jié)合機組在線監(jiān)測參數(shù)構(gòu)建基于“故障原因—主要部件狀態(tài)評價指標體系—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? 狀態(tài)評價體系? 評估模型

中圖分類號：TK734 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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

抽水蓄能機組具有轉(zhuǎn)速高、容量大以及工況轉(zhuǎn)換頻繁的特點，在電網(wǎng)中通常承擔調(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)定運行。從20世紀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組陸續(xù)建成并投入生產(chǎn)，隨著機組服役年限的不斷增加，水泵水輪機部件可能會產(chǎn)生必要的空蝕、磨蝕、磨損或疲勞，導(dǎo)致機組性能下降，嚴重時可導(dǎo)致機組故障，對機組的安全穩(wěn)定可靠運行帶來較大的隱患。因此，有必要對水泵水輪機的主要部件開展狀態(tài)評價研究，以便識別、分析和評估潛在的安全風(fēng)險，并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施，為水泵水輪機的檢修維護提供科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)，保障抽水蓄能機組的可靠安全穩(wěn)定運行。但目前國際國內(nèi)尚未針對水泵水輪機狀態(tài)評價制定專門的規(guī)范或標準，現(xiàn)有的參考規(guī)范或者標準存在著狀態(tài)評價指標體系不夠系統(tǒng)化、評價指標不合理、評價指標權(quán)重不合理等諸多問題，導(dǎo)致了在實際的工程應(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工作提供參考依據(jù)。該文通過對抽水蓄能電站運行10年以上、單機容量150MW以上的水泵水輪機主要部件已發(fā)生故障進行分析、歸納和總結(jié)，建立基于故障原因的主要部件狀態(tài)評價指標體系，并根據(jù)相關(guān)標準要求、專家經(jīng)驗及已統(tǒng)計的主要部件相關(guān)故障的發(fā)生頻率進行權(quán)重分析，然后結(jié)合機組在線監(jiān)測參數(shù)構(gòu)建基于“故障原因—主要部件狀態(tài)評價指標體系—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作為一個系統(tǒng)，水泵水輪機主要部件作為構(gòu)成系統(tǒng)的部件，首先從機械狀態(tài)和運行狀態(tài)兩個維度來定義表征水泵水輪機主要部件狀態(tài)評價指標，進而從安全性（風(fēng)險）、可靠性和性能3個維度來分析主要部件對系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)水泵水輪機系統(tǒng)量化評估，為電站的檢修維護提供參考。

1? 水泵水輪機評價指標體系

1.1 水泵水輪機系統(tǒng)

水泵水輪機作為一個系統(tǒng)，其主要部件包括蝸殼座環(huán)、導(dǎo)水機構(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 水泵水輪機系統(tǒng)評價指標

水泵水輪機系統(tǒng)狀態(tài)評估應(yīng)從安全性（風(fēng)險）、可靠性和性能3個維度來分析主要部件對系統(tǒng)的影響。其中，安全性指標是指水泵水輪機主要部件發(fā)生故障的后果和發(fā)生故障的概率對水泵水輪機系統(tǒng)的影響;可靠性指標是指可用率、無故障連續(xù)運行時間、大修間隔時間和使用期限（壽命）。水泵水輪機的性能指標包括功率、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 水泵水輪機系統(tǒng)評價指標體系構(gòu)建

水泵水輪機系統(tǒng)評價指標體系主要包括目標層、準則層、指標層和方案層，其中目標層是我們研究需要達到的目的即水泵水輪機系統(tǒng)的狀態(tài)評估。準則層為實現(xiàn)目標層所定義的準則，即評估水泵水輪機系統(tǒng)的3個維度包括安全性、可靠性和性能。指標層則為安全性、可靠性和性能的具體體現(xiàn)指標。方案層則為構(gòu)成水泵水輪機系統(tǒng)的各主要部件包括蝸殼座環(huán)、導(dǎo)水機構(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系統(tǒng)的權(quán)重影響，采用專家經(jīng)驗法確定權(quán)重分配，進而結(jié)合各主要部件的狀態(tài)評估結(jié)果實現(xiàn)水泵水輪機系統(tǒng)的狀態(tài)評估。

2? 水泵水輪機主要部件狀態(tài)評價指標

由于水泵水輪機主要部件均為機械部件，其狀態(tài)評價指標首先從機械狀態(tài)和部件運行狀態(tài)兩個維度來進行評估。部件機械狀態(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現(xiàn)系統(tǒng)為其預(yù)定的目的和用途;性能是指部件實現(xiàn)其預(yù)定目的和用途的能力。部件運行狀態(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，通過對運行10年以上、單機容量150MW以上的水泵水輪機主要部件典型故障案例進行分析、歸納和總結(jié)，進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)評價指標應(yīng)在具備可執(zhí)行性和可操作性的基礎(chǔ)上，結(jié)合機械狀態(tài)指標、運行狀態(tài)指標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)計分析

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

2.2 水泵水輪機主要部件評價指標分析

根據(jù)主要部件狀態(tài)評價指標選取原則，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行了分析，具體詳見表2蝸殼評價指標分析。

2.3 水泵水輪機主要部件狀態(tài)評價指標權(quán)重確定

《IEC62256-2017水輪機、蓄能泵和水泵水輪機復(fù)原與性能改進》[1]對水泵水輪機單個部件的權(quán)重明確為設(shè)備的物理狀態(tài)權(quán)重為47%，運行年限權(quán)重為20%，修復(fù)檢修成本權(quán)重為33%。根據(jù)水泵水輪機主要部件狀態(tài)評價指標對水泵水輪機（部件）安全可靠運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。

為了實現(xiàn)對水泵水輪機系統(tǒng)及其部件狀態(tài)的量化評價，根據(jù)水泵水輪機主要部件評價指標的劣化程度，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。劣化最嚴重，超過相關(guān)規(guī)程規(guī)范限定的正常運行范圍邊界的為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)范限定的正常運行范圍邊界的趨勢，但未超過該限值的為1～3分。

水輪機水輪機主要部件評價指標的扣分值由評價指標權(quán)重、基本扣分值共同決定，即評價指標的扣分值等于該評價指標的基本扣分值乘以該評價指標權(quán)重。

3? 水泵水輪機狀態(tài)評價標準

3.1 主要部件的狀態(tài)評價指標的判斷依據(jù)

目前國際國內(nèi)參考標準或規(guī)范均部分或者涉及了對設(shè)備狀態(tài)評價指標的評價標準，但仍然存在諸如評價指標評價判斷依據(jù)不合理，缺乏工程實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指標為例，對其判斷依據(jù)進行了細化，具體見表5。

3.2 主要部件的狀態(tài)評價方法

《IEC62256-2017 水輪機、蓄能泵和水泵水輪機復(fù)原與性能改進》規(guī)定了水輪機物理狀態(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)評價標準如國家電網(wǎng)公司《主要輸變電設(shè)備狀態(tài)評價導(dǎo)則》[2]、南方電網(wǎng)公司《設(shè)備狀態(tài)評價與風(fēng)險評估導(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)和嚴重狀態(tài)。考慮國際國內(nèi)在評分上沒有本質(zhì)的區(qū)別，該文亦將水泵水輪機的狀態(tài)評價劃分為正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)和嚴重狀態(tài)。其中正常狀態(tài)是指按照相關(guān)標準和規(guī)范，經(jīng)評定設(shè)備的狀態(tài)在規(guī)定的正常運行范圍內(nèi)水泵水輪機可以長期穩(wěn)定運行的狀態(tài)。注意狀態(tài)是指設(shè)備的評價指標（單項或多項）具有接近規(guī)定的正常運行范圍邊界的趨勢，但未超過該限值，設(shè)備在實時監(jiān)控的條件下具備長時間運行能力的狀態(tài)。異常狀態(tài)是指設(shè)備的評價指標（單項或多項）處于或略超過規(guī)定的正常運行范圍邊界，設(shè)備在實時監(jiān)控的條件下具備短時運行能力的狀態(tài)。嚴重狀態(tài)是指設(shè)備的評價指標（單項或多項）超過規(guī)定的正常運行范圍邊界，設(shè)備不能夠滿足運行能力的狀態(tài)。

水泵水輪機的部件狀態(tài)評價僅考慮評價指標單項的扣分情況，部件狀態(tài)評價標準見表7。當任一評價指標單項扣分達到表6規(guī)定[1，40）區(qū)間時，視為正常狀態(tài);當任一評價指標單項扣分達到表7規(guī)定[40， 60）區(qū)間時，視為注意狀態(tài);當任一評價指標單項扣分達到表7規(guī)定[60，80）區(qū)間時，視為異常狀態(tài);當任一評價指標單項扣分達到表7規(guī)定[80，100]區(qū)間時，視為嚴重狀態(tài);當該部件所有評價指標評價為“正常狀態(tài)”時，該部件評價為“正常狀態(tài)”;當任一評價指標為“注意狀態(tài)”“異常狀態(tài)”“嚴重狀態(tài)”時，整體評價為其中最嚴重的狀態(tài)。

3.3 水泵水輪機系統(tǒng)狀態(tài)評價方法

在IEC62256-2017中未對各主要部件對水泵水輪機系統(tǒng)的影響進行明確，當然也沒有提出相應(yīng)地權(quán)重。而類似國內(nèi)標準考慮到工程實踐中的可靠性問題，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。當主要部件評價為“正常狀態(tài)”時，設(shè)備整體評價為“正常狀態(tài)”;當任一主要部件為“注意狀態(tài)”“異常狀態(tài)”“嚴重狀態(tài)”時，整體評價為其中最嚴重的狀態(tài)。

4? 結(jié)語

水泵水輪機的狀態(tài)評價是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，該文基于“故障原因—主要部件狀態(tài)評價指標體系—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)建了水泵水輪機部件及系統(tǒng)評價體系，同時運用專家分析法來確定相應(yīng)地評價指標權(quán)重和扣分值，實現(xiàn)了水泵水輪機系統(tǒng)及主要部件的狀態(tài)的量化評價，為機組的檢修維護工作提供決策依據(jù)。同時，該模型也存在一些不足，比如權(quán)重指標和扣分值的確定基本上依賴于專家經(jīng)驗，未來水泵水輪機狀態(tài)評價系統(tǒng)將采用更好的分析方法比如層次分析法來確定指標權(quán)重，實現(xiàn)評估模型對專家經(jīng)驗的過于依賴，提供模型的可靠性和精確度。

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