振擺分頻狀態(tài)評價在新干電站的應用

熊東亮，謝梅蘭

（1.江西省信江船閘通航中心，江西 鷹潭 335000；2.江西省港航管理局界牌航電樞紐管理處，江西 鷹潭 335000）

1 概述

水電機組是水電站實現(xiàn)水電能源轉換的核心設備，目前水電行業(yè)對水電機組的檢修一直沿用以點檢定修為主的計劃檢修制度，根據(jù)規(guī)章制度確定檢修時間與檢修項目，導致檢修較少考慮設備實際運行情況，具有一定盲目性。水電機組狀態(tài)檢修概念起源于二十世紀九十年代初，旨在根據(jù)設備實際運行狀態(tài)與劣化程度對設備進行檢修，但經過近20年的發(fā)展，一直沒有獲得有效推廣，主要原因是缺乏可量化的能直接定位缺陷的狀態(tài)評價辦法[1]。近年來，隨著我國機組不斷向大型化、復雜化發(fā)展，電站自動化水平不斷提高，越來越多的電站開始推行“無人值守”制度，計劃檢修的高成本等弊端日益凸顯，狀態(tài)檢修成為實現(xiàn)機組健康管理的必然趨勢。因此，如何深入挖掘狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對機組實時運行狀態(tài)進行科學有效的評估和故障定位，是水電行業(yè)需要迫切解決的問題。

在狀態(tài)監(jiān)測中，振擺信號作為反映水電機組運行狀態(tài)的重要指標，得到了行業(yè)內學者的廣泛關注[2，3]，通過提取振擺信號幅值與頻率成分，可有效判斷機組所處運行狀態(tài)。目前行業(yè)規(guī)程針對振擺信號特征值的評價多局限于信號通頻值[4，5]，對信號其他頻率成分閾值未有明確規(guī)定，導致單純依靠現(xiàn)有規(guī)程對水電機組進行監(jiān)測評價，經常出現(xiàn)誤報和漏報，且無法準確判知機組狀態(tài)與故障定位。為解決這一問題，在該標準基礎之上，引入機組振動的低頻、轉頻、高頻3個分量，并制訂相應的評價閾值，用于新干電站機組的狀態(tài)評價

江西省新干航電樞紐工程壩址位于贛江中游新干縣三湖鎮(zhèn)上游約1.5 km處，是一座以航運為主，兼顧發(fā)電等綜合效益的樞紐工程，正常蓄水位32.50 m，總庫容約5.0×108 m3，為日調節(jié)水庫。電站裝有7臺單機容量16 MW、轉輪直徑7.10 m的大型燈泡貫流式機組，年均發(fā)電量5.34億kW·h，主機由東方電機有限公司生產，電站首臺機組已于2018年9月12日并網(wǎng)發(fā)電，2019年6月30日最后一臺機組并網(wǎng)發(fā)電。項目建成后將大大改善贛江通航條件，進一步發(fā)揮贛江水運優(yōu)勢，構建沿江地區(qū)對外物資交流的快速水上通道。同時，又為江西增加了寶貴的水電清潔能源和調峰容量，對江西水火電容量失衡的狀況有所緩解。

新干電站由于機組尺寸大，機組安裝檢修起吊、翻身難度很大，應盡可能有針對性的進行檢修，可減少機組不必要的損傷，減輕維護人員的勞動強度。新干電站機組目前安裝了北京奧技異公司的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，但并未形成一套合適的評價體系和方法用于指導機組狀態(tài)檢修。因此，針對新干電站開發(fā)研究一套實用性強的機組狀態(tài)評價體系是當前需要解決的問題。

根據(jù)新干電站的機組特點提出了一套狀態(tài)評價實施辦法，利用現(xiàn)有機組在線監(jiān)測系統(tǒng)采集機組振擺數(shù)據(jù)，對原有的振擺評價標準進行改進，提取機組振擺信號低頻、轉頻、高頻3個分量，通過振擺分頻直接推斷機組運行狀態(tài)，確定機組是否需要檢修，以及檢修的具體項目，實現(xiàn)機組精細化檢修。

2 分量評價方案的提出

國標“GB/T 11348.5-2002旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定第5部分水力發(fā)電廠和泵站機組”中給出了水電機組振擺評價方法，主要內容如下：

（1）將機組振擺值分為A，B，C，D 4個區(qū)間，所有振擺值都在A區(qū)范圍內的機組稱為A區(qū)機組，以此類推。即通過A，B，C，D區(qū)來評價機組的振動狀態(tài)。

根據(jù)國標評價標準將機組運行狀態(tài)分為4個區(qū)域，分別為：

A區(qū)：良好：測量值＜A；機組運行狀態(tài)很好屬于精品機組，不需要檢修調整，可以長期穩(wěn)定運行。

B區(qū)：合格：A＜測量值＜B；機組運行狀態(tài)合格，可以進行檢修調整，機組可長期運行。

C區(qū)：報警：B＜測量值＜C；機組運行狀態(tài)不好，需要進行檢修調整，在該狀態(tài)下機組不可以長期運行。

D區(qū)：危險：測量值＞C；機組不可以長期運行，必須停機進行檢修，在該狀態(tài)下運行有很大危險。

（2）給出了A，B，C，D的邊界曲線，見圖1、圖2。

圖1 水力機組轉軸相對振動位移峰峰值推薦評價區(qū)域

圖2 水力機組轉軸相對振動位移最大值推薦評價區(qū)域

根據(jù)以上運行評價標準，將其依據(jù)轉速區(qū)分量化評價各區(qū)域限定值，燈泡貫流式水輪發(fā)電機組簡化運行評價見表1、表2。

表1 燈泡貫流式機組擺度通頻評價

表2 燈泡貫流式機組振動通頻評價

受水力因素影響，水電機組振擺值變化范圍較大，利用上述標準進行監(jiān)測評價，經常存在誤報和漏報，且在出現(xiàn)問題的情況下無法精準定位故障點，不能準確判知機組狀態(tài)，故該標準并未在行業(yè)中大范圍推廣使用。

為解決這一問題，在該標準基礎之上，引入振擺信號的低頻、轉頻、高頻3個分量，并制訂相應的評價閾值，完善了標準，增強了實用性。

3 燈泡貫流式機組振擺分量評價方案

水力發(fā)電機組運行振擺值（峰峰值）由多種復雜頻率成分量組成，單純根據(jù)振擺峰峰值無法對機組振擺問題進行準確判斷，新干電站安裝的PSTA2100水電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對振擺量進行分頻量化，將影響振擺頻率劃分為低頻分量、轉頻分量、高頻分量。各頻段監(jiān)測量的影響因素如下：

低頻分量：尾水管渦帶；

轉頻分量：質量不平衡、磁拉力不平衡、主軸彎曲、主軸與鏡板不垂直、軸瓦間隙過大等；

高頻分量：導葉開口不均、葉道渦、轉子不圓、鏡板波浪度、協(xié)聯(lián)關系不當?shù)龋?/p>

各頻率成分均可反映一類振動影響因素，針對不同頻率成分進行機組狀態(tài)評價可極大縮小問題范圍，有利于準確找出問題根源。

在此基礎上，將分頻成分增補進評價內容，形成更為細化的評價方案，最終的燈泡貫流式機組轉頻、高頻成分的評價區(qū)間見表3、表4，低頻成分的評價區(qū)間與通頻一致。

表3 貫流式機組擺度分頻評價

表4 貫流式機組振動分頻評價

4 新干6號機組振擺評價分析

新干6號機組的振擺通頻值和分頻值監(jiān)測記錄見表5和表6，并根據(jù)監(jiān)測記錄作出了評價分析。

表5 振擺通頻值

表6 振擺分頻值

4.1 振擺通頻評價

評價分析：振擺通頻評價主要用于機組振擺超標檢查，通過上表可以看到機組轉輪室X、Y向振動處于B區(qū)。

4.2 振擺分頻評價

評價分析：通過振擺分頻評價可以找到出現(xiàn)問題的類型，機組轉輪室X,Y振動高頻分量均處于C區(qū)，高頻分量對機組損傷較大，且轉輪室振動高頻分量都是由于轉輪特性不穩(wěn)定引起[6]，可對機組轉輪特性進行調整，使機組轉輪室振動降低至A區(qū)。

4.3 利用頻譜分析工具定位故障原因

新干電站6號機組于2019年6月29日開始72 h試運行，表7為7月3日6號機組10:00～22:00運行記錄，從表中可以看到，下午4時電站毛水頭5.33 m，凈水頭在額定水頭4.9 m，機組出力11.1 MW，導葉開度82.5%，槳葉開度（角度）56.0%（均以接力器行程百分比表示），機組各部位溫度正常。依據(jù)7月3日15:56：29現(xiàn)場錄制的6號機組頻譜圖進一步分析證明，轉輪室X，Y振動主要頻率為槳葉頻率4×（4倍頻），該現(xiàn)象多由轉輪協(xié)聯(lián)優(yōu)化不良引起。

5 對評價分析判斷的進一步確認

燈泡貫流式機組的協(xié)聯(lián)關系直接影響到水輪機運行的效率和穩(wěn)定性，由于生產制造、安裝等原因，往往造成機組協(xié)聯(lián)關系并非最優(yōu)，帶來機組效率降低甚至導致機組穩(wěn)定性變差[7]，解決該問題的唯一途徑是通過現(xiàn)場試驗重新調整機組協(xié)聯(lián)關系，找到機組最優(yōu)運行的協(xié)聯(lián)曲線。為了找到轉輪室振動高頻分量處于C區(qū)的原因，根據(jù)廠家提供的水輪機協(xié)聯(lián)關系數(shù)據(jù)和曲線（見圖3和圖4），當機組在4.9m水頭下運行，出力在11.1MW時，導葉開度80.5%，槳葉開度50.0%，機組運行處于最優(yōu)的協(xié)聯(lián)狀態(tài)，這與表7中實際反映的導葉開度82.5%和槳葉開度56.0%存在一定偏差，槳葉開度與最優(yōu)協(xié)聯(lián)時相差較大，從而造成機組轉輪室振動處于不合格的C區(qū)。

圖3 6號機組協(xié)聯(lián)關系數(shù)據(jù)

圖4 6號機組協(xié)聯(lián)關系曲線

表7 6號水輪發(fā)電機組運行表

通過對該機組槳葉開度-轉輪室振動X關系表（見表8）的檢查，發(fā)現(xiàn)該運行工況與其它工況差別明顯，說明該工況下實際協(xié)聯(lián)關系不當，建議對6號機組協(xié)聯(lián)關系進行檢查，在各特征水頭段進行試驗，依據(jù)機組現(xiàn)狀重新優(yōu)化協(xié)聯(lián)關系曲線，在保障機組效率的情況下，提高機組的穩(wěn)定性。

表8 槳葉開度-轉輪室振動X關系表

6 結論

依據(jù)振擺通頻評價標準，通過引入振擺頻率分量，提出了一種基于振擺分頻的機組狀態(tài)評價方法，并用于新干電站機組的狀態(tài)評價，發(fā)現(xiàn)了新干6號機組狀態(tài)缺陷，得出協(xié)聯(lián)關系不良，需要重新調整的結論。該方法降低了振動分析的難度，易于現(xiàn)場人員掌握，可快速定位缺陷原因，為機組按狀態(tài)檢修提供量化依據(jù)，具有很強的實用性，可在狀態(tài)監(jiān)測行業(yè)推廣和應用。