基于大數(shù)據(jù)的水輪發(fā)電機(jī)組振動區(qū)修復(fù)

邱志勤

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川省成都市 610051）

0 引言

在水電站自動發(fā)電控制（AGC）中，振動區(qū)一直是困擾水電機(jī)組調(diào)節(jié)較為突出的問題。從整個水電站來看，振動的原因主要為電站機(jī)組容量較大，系統(tǒng)負(fù)荷變化頻繁，致使機(jī)組水頭波動且變幅較大，水流在轉(zhuǎn)輪葉片頭部產(chǎn)生脫流、空化和不穩(wěn)定的渦流而引發(fā)振動，轉(zhuǎn)輪出口處產(chǎn)生渦帶引起尾水管內(nèi)的水壓脈動[1-2]。水輪發(fā)電機(jī)組偏離設(shè)計工作區(qū)域，進(jìn)入振動區(qū)運行時，不但會使得機(jī)組振動和擺度增大，機(jī)械部件磨損增加，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動部件壽命縮短，甚至?xí)斐蓹C(jī)組機(jī)械部分和廠房的損壞[3]。李家峽水電站曾由于機(jī)組長期運行在強(qiáng)振區(qū)，多次發(fā)生轉(zhuǎn)輪葉片開裂和定子鐵芯脫落事故，嚴(yán)重影響該電站的安全運行[4-5]；俄羅斯薩揚—舒申斯克水電站也曾因一臺發(fā)電機(jī)組在進(jìn)入不推薦運行工作區(qū)域時，機(jī)組劇烈振動導(dǎo)致密封螺栓和密封板撕裂，造成抬機(jī)，導(dǎo)致全站機(jī)組受損[6]。

動態(tài)規(guī)劃法[7]、遺傳算法[8]和基于遙測信息的動態(tài)振動區(qū)建模[9]等方法能有效保證水電站處于穩(wěn)定運行區(qū)中運行，但這些方法均建立在精確的振動區(qū)上。而機(jī)組穩(wěn)定性試驗[10]和負(fù)荷瀑布圖[11]能快速發(fā)現(xiàn)特殊振動區(qū)，但由于試驗數(shù)據(jù)較少，無法避免單一運行時空下的偶然性，很難精確評估機(jī)組振動區(qū)。為了進(jìn)一步評估水輪機(jī)機(jī)組運行振動區(qū)，避免機(jī)組進(jìn)入振動區(qū)運行和確保水輪發(fā)電機(jī)具有較高的運行可靠性，有必要對機(jī)組振動區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 當(dāng)前振動區(qū)設(shè)定

二灘水電站機(jī)組最大水頭為189m，最小水頭為135m，變幅比為1.37，具有典型水頭高、變幅大的特點。為了提高機(jī)組的運行穩(wěn)定性，避免有害振動，根據(jù)二灘水電站在2001～2006年間的穩(wěn)定性試驗，界定了各機(jī)組各水頭下的強(qiáng)、弱渦帶工況區(qū)的分界點，在運轉(zhuǎn)特性曲線圖上先粗畫出運行區(qū)域，再綜合各信號的三維圖及各項標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校正，最后做出了機(jī)組運轉(zhuǎn)特性曲線圖，如圖1所示。圖中顯示了機(jī)組不宜長期運行的低效率工況區(qū)、不宜運行的強(qiáng)渦帶工況區(qū)、不宜長期運行的弱渦帶工況區(qū)、穩(wěn)定運行區(qū)。

圖1 二灘電站1號機(jī)組振動區(qū)測試結(jié)果Figure 1 Vibration zone test results of No.1 hydraulic turbine generator unit of Ertan Hydropower Station

鑒于二灘水電站尾水管渦帶對機(jī)組運行穩(wěn)定性的影響較大，機(jī)組應(yīng)避開強(qiáng)渦帶工況區(qū)運行，綜合各機(jī)組穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)，劃定了統(tǒng)一的AGC中機(jī)組振動區(qū)定值，如表1所示。

表1 AGC機(jī)組振動區(qū)定值Table 1 AGC unit vibration zone setting

1.2 存在的問題

通過長時間運行發(fā)現(xiàn)，在部分水頭下，機(jī)組運行在振動區(qū)邊緣（振動區(qū)上邊緣或下邊緣）時，存在振動幅值有增大的趨勢，部分部位振動增大現(xiàn)象較為明顯，而且機(jī)組在振動區(qū)邊緣運行時間相對較長。經(jīng)統(tǒng)計，2011年10月至2012年9月機(jī)組振動區(qū)邊緣運行時間占機(jī)組并網(wǎng)運行時間的13.05%，各機(jī)組運行在振動區(qū)邊緣的時間如表2所示。

表2 機(jī)組運行在振動區(qū)邊緣時間Table 2 Time of unit operation at the edge of vibration zone

1.3 振動區(qū)邊緣運行原因分析

二灘水電站機(jī)組運行在振動區(qū)邊緣時間較長與其AGC負(fù)荷分配原則有關(guān)。AGC負(fù)荷分配時，負(fù)荷在投入聯(lián)合控制的機(jī)組間進(jìn)行分配，分配原則如下[12]：

（1）機(jī)組不能運行在振動區(qū)。

（2）避免機(jī)組頻繁跨越振動區(qū)。

（3）機(jī)組負(fù)荷不能頻繁移動。

（4）優(yōu)化效率。

從分配原則可知，在全站增負(fù)荷時，AGC優(yōu)先將負(fù)荷分配給運行在振動區(qū)以下的低負(fù)荷機(jī)組，將其負(fù)荷增至振動區(qū)下邊緣；在全站減負(fù)荷時，AGC優(yōu)先減運行在振動區(qū)以上的高負(fù)荷機(jī)組的負(fù)荷，將其負(fù)荷減至振動區(qū)上邊緣。這種AGC負(fù)荷分配邏輯能最大程度保證機(jī)組運行效率和避免機(jī)組頻繁跨越振動區(qū)。

Design and Verification of Path Following Controller for USV …

2 大數(shù)據(jù)分析方法

對于機(jī)組在振動區(qū)邊緣運行時工況較差的問題，其原因可能是機(jī)組振動區(qū)劃存在偏差，機(jī)組進(jìn)入了渦帶區(qū)運行。由于機(jī)組穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)采集量不夠多，從統(tǒng)計學(xué)角度看，對單一個體一次采樣其采樣率太低，且無法避免單一運行時空下的偶然性，以及數(shù)值采集漂移等問題。為使得振動區(qū)劃分更精確，對各機(jī)組、各時間負(fù)段、各水頭、各荷的數(shù)據(jù)大量采集，可以從統(tǒng)計學(xué)上消除因明顯的機(jī)組故障和測量方式方法引起的數(shù)據(jù)偏差導(dǎo)致的對振擺數(shù)據(jù)誤判的影響[13-14]。

2.1 R語言的介紹

二灘水電站機(jī)組振動運行數(shù)據(jù)龐大，且數(shù)據(jù)格式不完全一致，需要按一定的規(guī)律對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選或運算，用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法將非常費時，借助R語言數(shù)據(jù)分析平臺可快速繪制所需的圖形。

R語言是用于統(tǒng)計分析、繪圖的語言和操作環(huán)境，作為統(tǒng)計計算和統(tǒng)計制圖的優(yōu)秀工具，能處理數(shù)據(jù)的收集、運算、探索、建模、可視化方面的工作；以能創(chuàng)建漂亮優(yōu)雅的圖形而聞名，已經(jīng)成了統(tǒng)計、預(yù)測分析和數(shù)據(jù)可視化的全球通用語言，也是現(xiàn)今最受歡迎的數(shù)據(jù)分析和可視化平臺之一[15]，其主要的特性有：

（1）R語言可以輕松地從各種類型的數(shù)據(jù)源導(dǎo)入數(shù)據(jù)，包括文本文件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、統(tǒng)計軟件，乃至專用的數(shù)據(jù)庫，并將這寫數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和批量運算。

（2）R語言是一個全面的統(tǒng)計研究平臺，提供了各式各樣的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，幾乎任何類型的數(shù)據(jù)分析工作皆可在R語言中完成。

（3）R語言擁有頂尖水準(zhǔn)的制圖功能，可以將復(fù)雜數(shù)據(jù)可視化。

2.2 數(shù)據(jù)處理和振動趨勢擬合

提取計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存檔數(shù)據(jù)庫中2015年7月至2017年8月的各機(jī)組運行振動數(shù)據(jù)，共計23.2萬余個CSV的文本格式文件，數(shù)據(jù)容量高達(dá)26 GB，約8160萬個數(shù)據(jù)點。將每臺機(jī)組的水頭、功率、機(jī)組各部位的振擺數(shù)據(jù)、時刻點做成一個R語言可以輸入的文件。將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入R語言平臺，并對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除掉機(jī)組運行明顯異常的數(shù)據(jù)。

二灘水電站實際運行最多水頭區(qū)間為147～186 m，為更詳細(xì)地分析機(jī)組振動區(qū)邊緣運行的情況，將水頭每2m分為一段，共分為15段，分別描繪機(jī)組水導(dǎo)、上導(dǎo)、下導(dǎo)、上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋等部位在各水頭下全負(fù)荷運行振動圖，共990張，每一臺機(jī)組165張。機(jī)組運行振動圖如圖2、圖3所示，其中，X軸代表機(jī)組負(fù)荷，Y軸代表振擺值。

圖2 1號機(jī)組有功功率與水導(dǎo)擺度+X關(guān)系（177m水頭）Figure 2 Relationship between active power of unit 1 and hydraulic guide swing + X （177m head）

圖3 2號機(jī)組有功功率與水導(dǎo)擺度+X關(guān)系（151m水頭）Figure 3 Relationship between the active power of unit 2 and the runout + X （151m head）

3 機(jī)組振動區(qū)修復(fù)

利用R語言平臺，通過分析機(jī)組運行振動圖，發(fā)現(xiàn)機(jī)組運行在振動區(qū)以外的邊緣區(qū)域時，如小負(fù)荷運行區(qū)靠上限區(qū)域、大負(fù)荷運行區(qū)靠下限區(qū)域，的確表現(xiàn)出機(jī)組振動、擺度偏大的情況，且6臺機(jī)組表現(xiàn)出一致的特點，如圖2、圖3所示。機(jī)組長時間運行在振動區(qū)邊緣且振動值較大時，會引起磁拉力不均衡，造成轉(zhuǎn)子磁極匝間短路；引起機(jī)組連接部件松動、脫落，發(fā)生設(shè)備損壞事故；及金屬部件的疲勞，從而出現(xiàn)裂紋，甚至形成裂縫直至斷裂等故障，故有必要對機(jī)組振動區(qū)進(jìn)一步優(yōu)化。

3.1 振動區(qū)修復(fù)依據(jù)

3.1.1 依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)

國家標(biāo)準(zhǔn)《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動測量和評定 第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組》（GB/T 11348.5—2008）中將機(jī)組振擺值分為A、B、C、D 4個區(qū)間，所有振擺值都在A區(qū)范圍內(nèi)的機(jī)組稱為A區(qū)機(jī)組，以此類推。即通過A、B、C、D來評價機(jī)組的振動狀態(tài)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)評價標(biāo)準(zhǔn)將機(jī)組運行狀態(tài)分為4個區(qū)域分別為：

A區(qū)：良好，測量值＜A；機(jī)組運行狀態(tài)很好屬于精品機(jī)組，不需要檢修調(diào)整，可以長期穩(wěn)定運行。B區(qū)：合格，A＜測量值＜B；機(jī)組運行狀態(tài)合格，可以進(jìn)行檢修調(diào)整，機(jī)組可長期運行。C區(qū)：報警，B＜測量值＜C；機(jī)組運行狀態(tài)不好，需要進(jìn)行檢修調(diào)整，在該狀態(tài)下機(jī)組不可以長期運行。D區(qū)：危險，測量值＞C。機(jī)組不可以長期運行，必須停機(jī)進(jìn)行檢修，在該狀態(tài)下運行有很大危險。

圖4給出了在測量平面上機(jī)組振動區(qū)域評價圖，X軸為最大工作轉(zhuǎn)速，r/min；Y軸為轉(zhuǎn)軸相對振動位移峰—峰值Sp-p.um。

二灘水電站安裝有6臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)型號為HLF497-LJ-625.7，發(fā)電機(jī)型號為AT1-W-42P-612000，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為142.9r/min，根據(jù)圖4可知，二灘水電站機(jī)組振擺值在150μm以下為A區(qū)，屬于精品運行區(qū)域。為防止機(jī)組運行進(jìn)入B區(qū)，找出機(jī)組運行在B區(qū)的點，通過對各機(jī)組的振動區(qū)進(jìn)行微調(diào)，使機(jī)組長期運行在A區(qū)范圍內(nèi)，以優(yōu)化機(jī)組運行工況。

圖4 機(jī)組振動區(qū)域評價圖Figure 4 Unit vibration area evaluation diagram

3.1.2 依據(jù)運行振動圖

結(jié)合3.1.1分析和R語言繪制的運行振動圖綜合分析，對二灘水電站機(jī)組在穩(wěn)定運行工況下（開機(jī)后2h，機(jī)組負(fù)荷在500～550MW區(qū)間段）各部振動特征量進(jìn)行分析總結(jié)，歸納出機(jī)組在小負(fù)荷區(qū)、渦帶運行區(qū)、大負(fù)荷區(qū)的上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)軸承，水輪機(jī)頂蓋，發(fā)電機(jī)機(jī)架等部位的振動幅值范圍見表3，作為機(jī)組振動區(qū)修復(fù)依據(jù)。

表3 穩(wěn)態(tài)運行工況下各部振動幅值表Table 3 Table of vibration amplitude of each part under steady-state operating conditions

3.2 機(jī)組新振動區(qū)

結(jié)合表3中機(jī)組各部位渦帶工況區(qū)的振動值和擺度值，對比各水頭運行振動圖，對機(jī)組各部振動和擺度超過標(biāo)準(zhǔn)的情況下對應(yīng)的機(jī)組運行水頭和機(jī)組運行負(fù)荷點定義為機(jī)組振動超標(biāo)點，并對振動超標(biāo)點進(jìn)行過濾（剔除）后得出新的機(jī)組新振動區(qū)，表4為各機(jī)組振動區(qū)修復(fù)表，其他水頭的振動區(qū)定值采用原定值。

表4 機(jī)組振動區(qū)修復(fù)Table 4 Repair of unit vibration area

4 結(jié)束語

運用R語言對機(jī)組運行振動數(shù)據(jù)地分析和挖掘，歸納機(jī)組在各個負(fù)荷區(qū)綜合運行狀態(tài)，總結(jié)出穩(wěn)態(tài)運行工況下各部振動幅值表；以此為依據(jù)，判定機(jī)組在各水頭振動區(qū)邊緣運行工況優(yōu)劣，快速識別機(jī)組振動超標(biāo)點，并對機(jī)組振動區(qū)做了精確修復(fù)，避免了機(jī)組長期處于不穩(wěn)定工況運行，大大提升了機(jī)組運行的可靠性和保證了電網(wǎng)運行的安全性。水輪發(fā)電機(jī)組的振動區(qū)的界定比較復(fù)雜，直觀判斷和簡單的測試手段很難精確劃分機(jī)組振動區(qū)，而運用R語言對機(jī)組運行振動數(shù)據(jù)分析和挖掘，無疑是一個有效探索機(jī)組運行振動區(qū)方法。