抽水蓄能電廠發電機設備可靠性優化研究

倪海梅 吳 浩

（江蘇國信溧陽抽水蓄能發電有限公司）

0 引言

抽水蓄能作為一種重要的可再生能源發電方式，具有調峰、儲能和能量平衡等優勢，在電力系統中發揮著重要的作用。然而，由于抽水蓄能電廠的發電機設備長期工作在復雜的環境條件下，面臨著各種故障和損壞的風險，其可靠性和穩定性問題亟待解決。

本文旨在研究抽水蓄能電廠發電機設備的可靠性優化，以提高其可靠性、延長使用壽命，并最終提高電廠的經濟性。通過分析抽水蓄能電廠發電機設備的工作原理和存在的問題，本文提出了一系列可靠性優化策略，包括可靠性評估、監測與診斷、維護計劃和保養策略以及運行參數優化。

1 研究背景與意圖

1.1 研究背景和意義

隨著全球對可再生能源的需求不斷增長，抽水蓄能作為一種重要的可再生能源發電方式備受關注。抽水蓄能電廠通過利用電網低負荷時將多余電力用于抽水，然后在電網需求高峰時釋放水能發電，實現能量調峰和儲能功能［1］。然而，抽水蓄能電廠發電機設備的可靠性和穩定性問題對其長期可持續運行產生了挑戰。

優化抽水蓄能電廠發電機設備的可靠性還具有重要的實際意義，可以提高電網穩定性，抽水蓄能電廠作為調峰和儲能裝置，其可靠性直接關系到電網的穩定性和可靠性。通過優化發電機設備的可靠性，可以減少故障和停機時間，提高電網的穩定性和供電質量。在延長設備壽命方面也有著巨大意義，抽水蓄能電廠的發電機設備投資巨大，其使用壽命直接影響投資回報。通過可靠性優化研究，可以延長發電機設備的壽命，減少更換和維修成本，提高經濟效益。

優化發電機設備的可靠性，可以降低故障率和能源損耗，提高能源利用效率，減少對傳統能源的依賴，推動可持續能源的發展。除節約資源能源外，還可以保護環境，抽水蓄能作為一種清潔能源發電方式，其可靠性優化有助于減少環境污染和碳排放，降低對環境的負面影響，促進可持續發展。

1.2 目標和意圖

研究發電機設備的可靠性特征，包括故障頻率、故障模式、維修時間等。通過對歷史數據和運行記錄的分析，可以了解設備的可靠性狀況。還可以對故障進行預測和診斷，開展研究以預測和診斷發電機設備的故障。通過監測和分析設備的運行參數和傳感器數據，開發故障預測模型和診斷算法，能夠提前發現潛在的故障，并采取相應措施進行維修和修復。

通過優化發電機設備的運行參數和維護策略，可提高其可靠性和可用性。通過研究不同的運行參數設置、維護策略和保養計劃，找到最佳的組合，從而減少故障率、延長設備壽命，提高抽水蓄能電廠的可靠性［2］。還可以進行風險評估，識別可能對發電機設備可靠性產生影響的因素，如自然災害、設備老化等。開展研究以制定風險管理策略，采取措施降低風險，提高抽水蓄能電廠的整體可靠性。

在考慮可靠性優化的同時，還需綜合考慮經濟性因素。通過權衡成本和效益，找到最佳的可靠性改進方案，使其在經濟上可行且具有實際應用價值。

2 抽水蓄能電廠發電機設備可靠性評估

2.1 發電機設備故障模式分析

抽水蓄能電廠發電機設備可能會面臨多種故障模式，以下是一些常見的故障模式：

（1）絕緣擊穿故障，由于電機絕緣老化、污穢、機械振動等原因，絕緣可能會發生擊穿，導致電機無法正常工作。這種故障模式可能會導致設備停機和電氣火災風險。（2）軸承故障，發電機設備中的軸承承受著高速旋轉和重載，容易發生磨損和故障。軸承故障會導致設備振動加劇、噪音異常和軸向偏移，進而影響設備性能和壽命。 （3）繞組故障，發電機繞組是關鍵的電氣部件，常常受到溫度、濕度和電壓等因素的影響。繞組可能會發生短路、開路或絕緣損壞等故障，導致設備運行異常或完全失效。 （4）傳動系統故障，抽水蓄能電廠發電機設備通常采用傳動系統將水輪機的旋轉轉矩傳遞給發電機。傳動系統中的齒輪、聯軸器等部件可能會出現磨損、斷裂或錯位等問題，導致發電機設備無法正常運轉［3］。 （5）冷卻系統故障，發電機設備需要有效的冷卻系統來控制溫度和保持設備正常運行。冷卻系統中的冷卻水泵、散熱器等部件可能會發生故障，導致設備過熱、損壞或停機。（6）控制系統故障，抽水蓄能電廠發電機設備的控制系統對設備的運行和保護至關重要。控制系統故障可能導致設備無法啟動、停機失控或無法響應外部指令。

2.2 關鍵故障指標確定

確定關鍵故障指標是評估和監測抽水蓄能電廠發電機設備可靠性的重要步驟。首先，需要對不同故障模式的影響進行分析。了解每種故障模式可能對設備性能、安全性和可靠性產生的影響，以及這些影響對電廠運行的重要性。然后，收集與發電機設備相關的數據，例如運行時間、故障記錄、維護日志和監測數據。最后，使用這些數據進行故障分析和趨勢分析，識別出頻繁發生的故障類型和關鍵的故障指標。在收集數據后，基于數據分析和專業知識，選擇一些關鍵的故障指標來評估設備的可靠性。這些指標可以包括故障率、平均修復時間、平均無故障時間、設備可用率等。之后對確定的關鍵故障指標進行重要性評估。根據電廠運行的要求和優先級，確定哪些故障指標對設備可靠性和電廠運行的影響最為關鍵。

為每個關鍵故障指標設定適當的閾值。閾值應該能夠警示故障的潛在發生或性能下降，從而觸發維護和修復措施［4］。建立監測和報警系統，以實時監測關鍵故障指標，并在超過設定的閾值時觸發警報。這樣可以及時采取措施，預防故障的發生或進行及時的維修。定期評估和審查關鍵故障指標，并進行持續改進。根據實際運行情況和數據分析結果，調整和更新關鍵故障指標，以更好地反映設備的可靠性和性能。

3 抽水蓄能電廠發電機設備監測與診斷方法

抽水蓄能電廠發電機設備的監測與診斷方法多種多樣，可以通過安裝振動傳感器來監測發電機設備的振動情況。振動信號可以用于檢測軸承故障、不平衡、機械松動等問題。振動監測可以實時監測設備的振動特性，并通過分析振動信號來判斷設備的健康狀況。還可以利用溫度傳感器監測發電機設備各部件的溫度變化。溫度異常可以指示設備存在絕緣問題、潤滑不良或冷卻系統故障等。通過實時監測溫度，可以及時發現設備的熱點和異常情況。

而通過定期采集和分析發電機設備的油樣，可以檢測到油中的金屬顆粒、水分、酸值等異常情況。油分析可以提供關于設備磨損、絕緣老化和冷卻系統問題的線索。使用絕緣測試儀器對發電機設備的絕緣狀況進行定期測試可以檢測絕緣電阻、介質損耗因數等參數，判斷絕緣是否存在問題。通過采集發電機設備的電流和電壓信號，并進行頻譜分析，可以檢測到設備的諧波、噪聲和其他異常信號。頻譜分析可以幫助診斷電氣故障和設備的運行狀況。

利用先進的故障診斷系統，結合各種傳感器和監測數據，可進行設備運行狀態的實時監測和診斷。這些系統可以使用機器學習和人工智能技術，對設備的健康狀況進行預測和故障診斷。定期進行設備的視覺檢查，包括外觀檢查、松動和損壞部件的檢查等。視覺檢查可以用于發現明顯的故障跡象和異常情況。

4 抽水蓄能電廠發電機設備維護計劃和保養策略

抽水蓄能電廠發電機設備的維護計劃和保養策略是確保設備正常運行和延長設備壽命的重要措施。應制定定期巡檢計劃，對發電機設備進行外觀檢查，包括檢查外殼、冷卻系統、電纜連接等。巡檢可以及時發現明顯的損壞、松動或其他異常情況。要保持設備整潔，定期清除積塵、污垢和雜物。特別是對于散熱器、風扇和進氣口等部件，保持通暢和整潔可以提高冷卻效果和散熱性能。根據設備的潤滑需求，定期檢查和更換潤滑油。潤滑系統的正常運行對于減少摩擦和磨損非常重要，同時也要確保潤滑油的質量和合適的油位。定期檢查和測試絕緣系統，包括絕緣材料、絕緣電阻和介質損耗因數［5］。如果發現絕緣老化或損壞，應及時采取絕緣修復或更換措施。定期檢查軸承的潤滑狀況和振動情況，確保軸承正常運行。定期更換潤滑脂，避免軸承過熱和磨損。

還需保持冷卻系統的正常運行，包括定期清洗冷卻器、檢查冷卻水泵的工作狀態和水質，確保冷卻系統的穩定和高效運行。除此之外，需采用預防性維護策略，根據設備的運行時間和使用情況，制定定期維護計劃。這包括設定故障指標的閾值，定期進行設備檢修和更換關鍵部件。定期進行設備的測試和檢測非常重要，包括振動測試、溫度測試、絕緣測試等。這些測試可以幫助檢測潛在的故障和問題，以便及時采取修復措施。日常要確保維護人員接受必要的培訓和資質認證，了解設備的操作和維護要求。定期組織培訓和知識分享，以提高維護人員的技能水平和專業知識。

5 抽水蓄能電廠發電機設備運行參數優化

一個月的發電機功率和轉速數據見下表。

表 發電機功率和轉速數據

首先對數據進行清洗和預處理，確保數據的質量和平滑性后，計算每小時的平均功率和平均轉速作為特征。

然后分析功率和轉速之間的相關性。計算得到功率和轉速之間的相關系數為0.8，表明功率和轉速存在一定的正相關關系。

最后，在進行數據分析和處理后，可以根據分析結果提出相應的運行參數優化方案，在高功率需求下適當提高轉速，可以提高發電機的輸出效率。

6 結束語

本文通過對抽水蓄能電廠發電機設備的可靠性優化研究，提出了一系列有效的策略。可靠性評估、監測與診斷、維護計劃和保養策略以及運行參數優化等策略的應用，可以顯著提高抽水蓄能電廠發電機設備的可靠性和經濟性。這些策略的綜合應用將有助于提高抽水蓄能電廠的運行效率和可持續發展能力。未來的研究可以進一步探索新的監測和診斷技術，以及優化算法，以進一步提高抽水蓄能電廠發電機設備的可靠性和性能。