水輪發電機組振動故障診斷關鍵技術與維護

涂洪波

摘要：水輪發電機組運行中的振動故障比較常見，如果不及時發現和處理則容易加劇零部件磨損并損壞設備等。文章對水輪發電機組運行中常見的振動類型及其原因進行分析，總結針對此類振動故障常用的幾種故障診斷技術方法，提出了預防和處理此類振動問題的有效維護策略，以供參考。

關鍵詞：水輪發電機組;振動故障

1、引言

水輪發電機組作為水電站中的關鍵部分，其運行中由于轉子處于長時間的旋轉狀態，容易與其他部件發生摩擦而產生振動問題，如果此振動問題比較劇烈，則會加劇磨損問題，造成零件松動以及更為嚴重的危害。比如可能會出現裂紋的擴大而導致斷裂損壞，或者緊固件松動而加劇損壞速度、縮短使用壽命，還坑會加劇轉動部件的磨損，甚至會在尾水管中引發渦流而產生一定的脈動壓力，造成水系統振蕩而造成尾水管壁的裂縫以及損壞尾水設施等問題。為此，要分析和總結引發水輪發電機組振動的原因，合理應用振動故障診斷技術準確和及時診斷振動故障原因和位置，通過相應的處理和維護措施來排除故障并降低故障發生概率。

2、水輪發電機組的振動的原因

2.1機械振動及其原因

此發電機組中的機械振動問題，如果發生在法蘭位置，主要是由于此位置的大軸存在連接無效或者固件松動、大軸穩定性不足等原因，這就容易引發大軸的折斷問題，導致振動故障的出現。如果此振動問題出現在發電機組的轉動部分，則通常是由于此位置的部分零件松動脫落或者出現質量不平衡的問題、彎曲問題等。還坑會由于發電機組中的固件和轉動部件之間出現摩擦問題，以及出現軸承瓦之間的間隙過大、軸承推力頭松動、推力軸瓦失去平衡等原因而引發振動。此類振動最大的特點就是振動頻率為轉頻的倍數，而且其中的不平衡力則通常為徑向水平方向的不平衡力。

2.2電磁振動及其原因

此類振動主要有轉頻振動以及極頻振動兩種形式，前者的引發原因通常為出現了轉子繞組短路的原因，或者是在定子和轉子之間的氣隙不夠均衡，或者是出現了磁極的次序錯誤等問題，這就會導致磁路不夠對稱，并造成磁拉力不夠平衡。后者則主要是出現了鐵芯松動的原因，其振動頻率通常為100Hz。

2.3水力振動及其原因

此類振動主要由于水力因素引起的，其特點就是會隨著水力的增加其擺度也不斷增加，而且隨著振源的改變也會改變振頻。如果是由于汽蝕愿意你引發的振動，則會表現出高頻振頻的特點，而水邊的厚度、葉片出水邊的相對流速等都會對卡門旋渦的振頻產生影響。此類振動通常會發生在卡門渦輪、尾水管、壓力管道、水封間隙等問題，或者是由于導葉、蝸殼以及轉輪水流不夠均衡而引發振動問題。

3、水輪發電機組振動故障診斷關鍵技術

3.1模糊神經網絡診斷技術

所謂的模糊神經網絡就是結合模糊理論與神經網絡而成的方法，通過此神經網絡技術以及模糊邏輯理論的應用，相互補充和彌補缺陷而形成模糊神經網絡，可以最大化發揮二者的優勢，在各個領域中廣泛應用。比如在發電機組振動故障診斷中的應用，主要是通過多種模糊神經網絡模型的構建，并應用相對應的學習算法開展故障診斷與分析工作。

3.2專家系統故障診斷技術

所謂的專家系統就是集合了本行業中具有較高專業知識水平以及豐富經驗人群的專業分析，結合行業中的優秀案例，總結發電機組運行中的常見振動故障及其相關知識而構建的智能化計算機程序系統。通過此系統的應用，可以對比實際出現的故障現象與專家系統數據庫中的相關資料，并會出最合理的建議。尤其針對引發振動原因比較復雜的振動故障，由于其無法應用上述神經網絡的診斷方法進行模型的構建，這就可以通過本領域中專家級專業知識和工作經驗進行故障判斷，通過人工智能技術的應用來分析和推力故障現象，判斷故障引發原因。在上述過程中，是以人的思維方式來智能模擬故障診斷過程，其在發電機組故障診斷中的典型應用就是在產生式規則的系統中，通過規則的方式來體現專家知識以及診斷經驗，構建包含上述知識和經驗的專家數據庫。然后通過傳感器等采集振動故障表現并檢測收集其運行參數，將這些信息與數據庫中的信息進行匹配，快速判斷故障類型并給胡最合理的故障檢修處理策略。

3.3故障樹診斷技術

此種方法就是依據故障引發原因、按照樹枝狀的方式對原因進行細化。在此故障樹的頂端則是最容易出現的故障狀態，也是導致頂事件的直接原因，然后通過邏輯符號來表現事件和原因之間的邏輯關系，從頂事件開始向下進行細化分解，直到最終無法分解，則形成了故障樹。通過此種診斷方法有助于尋找機組運行中的薄弱環節并加以改進和控制，其在機組振動故障的診斷中應用，表現出直觀、形象以及快速的優點。對于此種方法中所應用的數據庫也可以進行動態更新，通過選擇規則的搜尋通道開展診斷推理來提升診斷效率。但是應用此種診斷方法無法對不可預知的故障進行診斷，而且要確保故障樹信息的正確性與完整性。

4、水輪發電機組振動故障的維護

由于水輪機在某些負荷條件下會在尾水管中產生低頻渦帶現象，也就是在非設計工況條件下會引發尾水管位置的水壓脈動現象，如果此渦帶比較大，還可以在尾水管中按照固定的頻率轉動，以及在受到低頻壓力時產生水流脈動問題，進而會引發尾水管壁、導水機構以及轉輪、蝸殼、壓力管道等位置的振動。針對此問題，不僅要優化水利設計，盡量控制機組在允許工況范圍內運行，為了避免出現水流流動和旋轉的改變現行，則要加長尾水管的錐段、擴大尾水管的錐角、增加阻水柵和隔板、嚴格控制渦帶偏心距等。此外還可以通過對渦帶區補氣的方式來預防此類振動問題。

針對卡門渦列引發的振動問題，可以通過減小轉輪葉片厚度的方式來提升卡門渦列的頻率，避免出現共振問題。并且將支撐設置在葉片之間來調整和該表其自振頻率。還可以在設計階段預測渦列頻率以及導葉的固有頻率，盡量錯開二者頻率。

針對水力因素引發的振動問題，可以在設計階段優化水輪發電機組的水力，重點做好對上冠位置線型的設計以及葉片頭部葉型的設計。還要優化水頭設計，通過最優水頭的應用來防止出現高水頭葉道渦的出現，也可以通過在頂蓋表面設置補氣孔進行補氣的方式來消除機組振動，而且在機組運行中盡量避開葉道渦的發生區。

針對水力失衡引發的振動問題，不僅要在加工和安裝階段控制好加工和安裝誤差，盡量控制流道與葉片的形狀和尺寸相似。重點要控制零部件的加工與安全精度，最大化避免軸承的磨損以及轉子撓度問題。

5、結語

水輪發電機組在運行中，容易由于低頻渦帶、卡門渦列、水力不平衡等因素而引發機組振動異常的故障，此故障會導致振動加劇而出現零部件松動，以及影響機組正常運行等問題。基于引發不同類型振動故障的相應原因，不僅要合理應用先進診斷技術開展故障診斷，更重要的是在設計以及加工、安裝以及運行維護階段做好維護工作，預防振動故障的發生，確保水輪發電機組的穩定與安全運行。

參考文獻：

[1] 孟繁欣，? 王振羽，? 王樹新，等. 水輪發電機組振動故障診斷技術綜述[J]. 科學技術創新， 2019， 000（034）：P.191-192.

[2] 范曉明. 水電站水輪發電機組的常見故障與維護[J]. 工程技術研究， 2018， 26（10）：201-202.

[3] 李雄兵. 水輪發電機組的故障與維修關鍵點探究[J]. 企業科技與發展， 2019， 000（012）：114-115.

[4] 李多龍. 水輪發電機組運行穩定性檢測與故障探究[J]. 中國設備工程， 2019， No.431（19）：122-123.

（烏江水電開發有限責任公司構皮灘發電廠，貴州 遵義 564400）