水輪發(fā)電機(jī)組智能化振動(dòng)保護(hù)策略研究

欒春林，喬 木，周芟杉

（國網(wǎng)新源白山發(fā)電廠，吉林 樺甸 130021）

0 前言

隨著我國大型水輪發(fā)電機(jī)組的不斷增多，機(jī)組振動(dòng)問題日益突出，嚴(yán)重影響了水電機(jī)組的安全運(yùn)行及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前，水輪發(fā)電機(jī)組在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用，并且取得了很大的成功，但在實(shí)現(xiàn)“智能化振動(dòng)保護(hù)”的領(lǐng)域還留有空白。隨著對機(jī)組振動(dòng)機(jī)理和振動(dòng)問題認(rèn)識(shí)的不斷深入，實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組“智能化振動(dòng)保護(hù)”功能成為可能，本文介紹我們在這一領(lǐng)域取得的初步成果。

1 水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)

1.1 水輪機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)

水輪機(jī)是一種將水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的葉片式水力機(jī)械，工作介質(zhì)是水，在轉(zhuǎn)輪葉片上作用著很大的流體動(dòng)力載荷，葉片根部承受著很大的彎曲應(yīng)力。由于水比氣體的密度大很多且壓縮性很小，所以當(dāng)水輪機(jī)處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，工作介質(zhì)流動(dòng)速度的改變能引起很大的壓力變化，形成強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)，運(yùn)行中還會(huì)伴隨著高速水流所形成的特有的氣蝕破壞、泥沙磨損等，對水輪機(jī)通流部件構(gòu)成嚴(yán)重威脅。此外，水輪機(jī)在不同出力、不同水頭時(shí)具備不同的效率特性和穩(wěn)定性；當(dāng)負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，要求在很短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確、安全地改變水輪機(jī)的運(yùn)行工況等。

水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)由工作介質(zhì)特性引起的特殊運(yùn)行問題包括：水輪機(jī)的汽蝕、水輪機(jī)泥沙磨損、水輪機(jī)過渡過程、水輪機(jī)帶負(fù)荷（考慮不同出力、不同水頭時(shí)機(jī)組的運(yùn)行情況）運(yùn)行等，由于以上原因，水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)機(jī)理復(fù)雜，設(shè)置振動(dòng)保護(hù)時(shí)面臨許多困難。

1.2 發(fā)電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)

在電力系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)中最貴重的電氣設(shè)備，需要長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，既要承受機(jī)身的振動(dòng)，又要承受電流、電壓的沖擊。運(yùn)行中發(fā)電機(jī)定子繞組和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路都有可能產(chǎn)生各種故障，一般來說可能產(chǎn)生的故障有以下幾種：（1）定子繞組：相間短路，匝間短路，單相接地；（2）轉(zhuǎn)子繞組：一點(diǎn)或兩點(diǎn)接地；（3）轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流消失；（4）由于突然甩負(fù)荷而引起的過電壓；（5）過負(fù)荷；（6）定子過電流。

針對上述故障，發(fā)電機(jī)通常會(huì)設(shè)置以下繼電保護(hù)裝置：（1）過電流保護(hù)，用以防御外部短路所引起的過電流，并作為內(nèi)部故障的后備保護(hù)；（2）過負(fù)荷保護(hù)，用以防御過負(fù)荷引起的過電流；（3）縱差動(dòng)保護(hù)，用以防御定子繞組相間短路；（4）橫差動(dòng)保護(hù)，用以防御定子繞組的一相匝間短路；（5）單相接地保護(hù)，用以防御定子繞組單相接地；（6）勵(lì)磁回路接地保護(hù)，用以防御轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障；（7）過電壓保護(hù)，用以防御突然甩負(fù)荷引起的定子繞組過電壓。但繼電保護(hù)系統(tǒng)的主要作用是通過將故障元件從電力系統(tǒng)中切除來提高運(yùn)行的可靠性。

2 水輪發(fā)電機(jī)組智能化振動(dòng)保護(hù)策略研究

從水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)可以看到，機(jī)組振動(dòng)機(jī)理非常復(fù)雜，繼電保護(hù)手段難以解決機(jī)組振動(dòng)故障問題。水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)問題與一般動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)不同，流體-機(jī)械-電磁三者組成一個(gè)耦合的整體，振動(dòng)體的一部分或全部位于流體中，在振動(dòng)過程中，流體與振動(dòng)體以及電磁場相互作用，振動(dòng)具有復(fù)雜性、不規(guī)則性和漸變性。所謂智能化振動(dòng)保護(hù)策略，主要強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)，一是及時(shí)保護(hù)，二是準(zhǔn)確診斷；要實(shí)現(xiàn)這兩大功能，主要從以下三個(gè)方面開展研究。

2.1 定值保護(hù)策略

2.1.1 振動(dòng)限值的討論

旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)是同等轉(zhuǎn)化的，目前旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)有兩大系列標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 11348.1～6(ISO7919)系列標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)備轉(zhuǎn)軸作相對振動(dòng)測量和評價(jià)；GB/T6075.1～6(ISO10816)系列標(biāo)準(zhǔn)，對軸承座作絕對振動(dòng)測量和評價(jià)。規(guī)定了振動(dòng)測點(diǎn)和測量方向，建立了以三個(gè)邊界值為框架的四級振動(dòng)量級評價(jià)體系，如圖1所示。

圖1 振動(dòng)量級評價(jià)體系

區(qū)域A：機(jī)器狀態(tài)優(yōu)，新交付機(jī)器的振動(dòng)值落在該區(qū)域；

區(qū)域B：機(jī)器狀態(tài)良，振動(dòng)值在該區(qū)域的機(jī)器可以長期運(yùn)行；

區(qū)域C：機(jī)器狀態(tài)差，機(jī)器不宜作連續(xù)運(yùn)行，應(yīng)采取措施修理；

區(qū)域D：機(jī)器狀態(tài)劣，該區(qū)域的振動(dòng)，足以導(dǎo)致機(jī)器損壞。設(shè)置了兩級限值評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級報(bào)警限值，振動(dòng)值≥B/C區(qū)邊界值25%，Ⅱ級停機(jī)限值，振動(dòng)值≥C/D區(qū)邊界值25%，如圖2所示。

圖2 兩級限值評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

每一臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，從設(shè)計(jì)、新機(jī)安裝、運(yùn)行、維護(hù)檢修等多個(gè)環(huán)節(jié)中，都可能產(chǎn)生導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)狀況發(fā)生變化的因素。因此，要制定統(tǒng)一的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)是很困難的，也是不現(xiàn)實(shí)的，因此要求我們從實(shí)際出發(fā)，制定符合每臺(tái)機(jī)組振動(dòng)狀況的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，這要從兩個(gè)方面入手，一是對機(jī)組的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性、安裝情況、檢修情況、故障記錄等有較詳細(xì)的了解；二是在工作中不斷積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

基于歷史積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在制定某臺(tái)機(jī)組的振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可與已有的經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)是從大量的實(shí)踐案例中提煉出來的，有較高的可信性，具有一定的參考價(jià)值。當(dāng)然，在使用中不能生搬硬套，要在應(yīng)用中比較，在比較中理解，在理解中升華，因此熟讀、比較各種相關(guān)的經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的工作。其次，是與同類型、同容量的水輪發(fā)電機(jī)組做橫向比較，從中獲取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為科學(xué)合理的制定振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。三是與機(jī)組過去的歷史數(shù)據(jù)作縱向比較，了解機(jī)組自身的振動(dòng)幅值變化情況，評估設(shè)置振動(dòng)限值的技術(shù)方案。

2.1.2 保護(hù)策略的討論

選擇哪些測點(diǎn)、選擇什么樣的振動(dòng)值、如何選擇振動(dòng)頻率、選擇哪些工況，這是振動(dòng)保護(hù)要解決的首要問題。

（1）測點(diǎn)選擇

水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)有很多，選擇哪些監(jiān)測點(diǎn)參與振動(dòng)保護(hù)？應(yīng)按照最重要，最靈敏，最薄弱的原則選定。通常，推力軸承所在部位的承重機(jī)架，承受整個(gè)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量，它的振動(dòng)舉足輕重，因此要選擇承重機(jī)架軸向振動(dòng)測點(diǎn)作為振動(dòng)保護(hù)測點(diǎn)之一。大軸擺度對作用在大軸上的綜合作用力比較敏感，一旦綜合作用力發(fā)生變化，其擺度值就會(huì)發(fā)生改變，沒有時(shí)間滯后性；頂蓋是水輪機(jī)的過流部件之一，頂蓋振動(dòng)對流體壓力波動(dòng)能夠敏感而實(shí)時(shí)地做出反應(yīng)，頂蓋垂直振動(dòng)和水平振動(dòng)的變化最能反映出水輪機(jī)水力參數(shù)變化造成的影響，是穩(wěn)態(tài)工況和過渡工況振動(dòng)監(jiān)測不可或缺的重要測點(diǎn)。發(fā)電機(jī)定子鐵心是發(fā)電機(jī)比較薄弱的地方，需要重點(diǎn)監(jiān)測。

表1 振動(dòng)保護(hù)監(jiān)測點(diǎn)

（2）振動(dòng)值選擇[1]

表示振動(dòng)的值有三個(gè)：振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度。對水輪發(fā)電機(jī)組只能選擇振動(dòng)位移作參數(shù)，這是因?yàn)椋谝唬駝?dòng)位移為水電行業(yè)的人們所熟悉；第二，振動(dòng)位移和轉(zhuǎn)子軸線的靜位移、轉(zhuǎn)子軸線的線性偏差（不直、不垂直、不同心等）具有相同的單位，便于統(tǒng)一考慮，而且動(dòng)態(tài)測量時(shí)機(jī)組振動(dòng)的允許值一般也不取決于振動(dòng)能量，而是受制于允許的位移；第三，水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)頻率較低，測量值用位移來表征比較方便。

（3）振動(dòng)頻率選擇

水輪發(fā)電機(jī)組是流體-機(jī)械-電磁相互耦合的彈性體，轉(zhuǎn)速頻率的振動(dòng)不總是最重要的，在選擇振動(dòng)保護(hù)頻率時(shí)，要根據(jù)機(jī)組的實(shí)際振動(dòng)情況來定。水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)頻率非常豐富，圍繞水力方面、電氣方面和機(jī)械方面的原因所引起的振動(dòng)頻率各不相同，弄清機(jī)組的主要振因，才能科學(xué)地選擇振動(dòng)頻率。水輪發(fā)電機(jī)組常見的振動(dòng)頻率見表2。在選擇振動(dòng)頻率之前，應(yīng)分析各個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)的振動(dòng)頻率，確定引起振動(dòng)的主要原因，選擇主要振因作為保護(hù)對象。同一臺(tái)機(jī)組，不同測點(diǎn)的振因可能不同、相同測點(diǎn)不同工況時(shí)的振因也可能不同；大修之后，機(jī)組的振因也可能發(fā)生變化；因此，在選擇振動(dòng)頻率時(shí)，要分別對待。選擇振動(dòng)頻率可能的幾種方案，見表3。

表2 水輪發(fā)電機(jī)組常見振動(dòng)頻率

（4）工況選擇

水輪機(jī)運(yùn)行工況很多，運(yùn)行工況的特點(diǎn)是“大波動(dòng)+小波動(dòng)+穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況”，在不同的運(yùn)行工況，機(jī)組的振動(dòng)狀態(tài)差別非常大。由于水流慣性和流動(dòng)性的影響，機(jī)組處于大波動(dòng)和小波動(dòng)過渡過程時(shí)，振動(dòng)機(jī)理非常復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)振動(dòng)保護(hù)在理論上和實(shí)踐中都還缺乏切實(shí)可行的途徑。1972年美國的路德（F.O.Ruud）提出了一個(gè)用于評價(jià)過渡過程的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，提出了“暴露率”的概念，其定義為：機(jī)組每年在過渡過程下運(yùn)行時(shí)間之和與總時(shí)間之比。[2]但是“暴露率”只能定性地評估過渡過程，很難從“定量”的視角參與到振動(dòng)保護(hù)的實(shí)際應(yīng)用之中。所以，目前在工程實(shí)踐中，暫時(shí)不考慮選擇過渡過程進(jìn)行振動(dòng)保護(hù)，僅選擇穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況。

2.2 趨勢報(bào)警方法

水力發(fā)電行業(yè)內(nèi)早就提出了劃分水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域的要求，但是水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域劃分的理論和工程應(yīng)用研究還比較少。[3]水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域劃分事關(guān)水電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，也是機(jī)組設(shè)置振動(dòng)保護(hù)的基礎(chǔ)條件。以混流式水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域劃分圖為例，如圖3所示，水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域分為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，過渡運(yùn)行區(qū)和禁止運(yùn)行區(qū)。在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，機(jī)組運(yùn)行效率高，振動(dòng)小，安全穩(wěn)定；在過渡運(yùn)行區(qū)，水力脈動(dòng)大，機(jī)組有較強(qiáng)的振動(dòng)，不適宜長期運(yùn)行；禁止運(yùn)行區(qū)，水力脈動(dòng)很大，機(jī)組振動(dòng)很大，不適宜運(yùn)行。

表3 選擇振動(dòng)頻率的可能方案

圖3 混流式水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域劃分圖

趨勢報(bào)警選定的工況是穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，是以機(jī)組出力、水頭為邊界條件進(jìn)行網(wǎng)格化，在同一網(wǎng)格內(nèi)進(jìn)行振動(dòng)趨勢辨識(shí)和報(bào)警，不屬于同一網(wǎng)格的振動(dòng)值不進(jìn)行比較。從水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)可以看到，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況非常復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)外部因素的改變對機(jī)組振動(dòng)影響非常大，尤其是水力參數(shù)的影響。同一網(wǎng)格中的振動(dòng)值，具有相同的外部因素（即相同的運(yùn)行工況），因此如果振動(dòng)值（幅值或頻率）發(fā)生變化，則必然是機(jī)組內(nèi)部情況發(fā)生了變化。趨勢報(bào)警的時(shí)間可以根據(jù)機(jī)組的實(shí)際需要確定，可以選擇日趨勢報(bào)警、周趨勢報(bào)警或月趨勢報(bào)警，也可以選擇特定的時(shí)間。

2.3 故障報(bào)警

動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中，通常所說的故障報(bào)警是指振動(dòng)幅值超過了振動(dòng)限值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號。這種振動(dòng)保護(hù)策略，在許多大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的應(yīng)用中獲得了良好的效果，得到了廣大用戶的認(rèn)可。水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)保護(hù)，特點(diǎn)不同，完全依賴振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)（一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)的關(guān)聯(lián)組合）的振動(dòng)值超出振動(dòng)限值而發(fā)出故障報(bào)警，在實(shí)踐中存在許多不足，在故障報(bào)警的設(shè)計(jì)中需要調(diào)整思路和策略。

水輪發(fā)電機(jī)組是流體-機(jī)械-電磁三部分構(gòu)成的彈性體，流體和電磁對機(jī)組的作用在機(jī)組投運(yùn)后，其規(guī)律通常是不會(huì)改變的，只有當(dāng)機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生某種變化時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致流體和電磁對機(jī)組的作用發(fā)生變化，進(jìn)而又對機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生進(jìn)一步的影響。所以，水輪發(fā)電機(jī)組的故障保護(hù)，不僅僅是振動(dòng)超標(biāo)故障保護(hù)，還應(yīng)該把關(guān)注點(diǎn)放到機(jī)械結(jié)構(gòu)的變化上。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生變化產(chǎn)生的常見故障，見表4。

表4 結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的常見故障

綜上所述，故障報(bào)警實(shí)施路徑有兩個(gè)，一個(gè)是振動(dòng)、擺度值超標(biāo)報(bào)警，另一個(gè)是機(jī)械結(jié)構(gòu)變化報(bào)警。機(jī)械結(jié)構(gòu)變化報(bào)警，其本質(zhì)是故障診斷，需要有專門的量化計(jì)算和狀態(tài)分析手段，通過計(jì)算振動(dòng)、擺度值，判別機(jī)械結(jié)構(gòu)的變化情況。機(jī)組故障報(bào)警策略，見表5。

表5 故障報(bào)警策略

3 結(jié)語

本文對水輪發(fā)電機(jī)組智能化振動(dòng)保護(hù)策略進(jìn)行了初步討論，總結(jié)如下：

（1）確定振動(dòng)限值時(shí)，要以已有的國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，結(jié)合機(jī)組歷史的振動(dòng)數(shù)據(jù)做縱向比較，與同類型機(jī)組作橫向比較，綜合考慮確定。

（2）測點(diǎn)選擇盡可能少，采取“最重要，最薄弱，最靈敏”的原則確定測點(diǎn)，不同機(jī)組，測點(diǎn)數(shù)及測點(diǎn)位置可能不同。

（3）振動(dòng)值選擇位移值較合理，符合機(jī)組振動(dòng)特性。

（4）在選擇振動(dòng)頻率時(shí)，要選擇主要的、關(guān)鍵性的振動(dòng)頻率。

（5）機(jī)組運(yùn)行工況很多，由工況不同而導(dǎo)致的振動(dòng)情況復(fù)雜，在選擇振動(dòng)保護(hù)運(yùn)行工況時(shí)，應(yīng)不考慮過渡過程工況，只考慮穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，這樣既可以消除不確定因素的影響，又不妨礙掌握機(jī)組的穩(wěn)定性，并能采取積極的振動(dòng)保護(hù)措施。

（6）采取多維邊界的網(wǎng)格化條件，可以過濾掉不同的激振因素，保留下來相同的激振因素，實(shí)施科學(xué)合理的趨勢報(bào)警。

（7）故障報(bào)警同時(shí)采用兩個(gè)途徑，一個(gè)是振動(dòng)、擺度值超標(biāo)報(bào)警，另一個(gè)是機(jī)械結(jié)構(gòu)變化報(bào)警。

（8）“智能化振動(dòng)保護(hù)”是在掌握振動(dòng)機(jī)理的前提下，實(shí)現(xiàn)“及時(shí)保護(hù)和故障診斷”的工程化保護(hù)策略，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1]李啟章.關(guān)于水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的探討[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),1993,(1):90.

[2]Ruud,F.O.,Proc.Intcrn.JSME Symp.Fluid MachineryandFluids,2nd[C].Tokyo,1972.

[3]王正偉,秦亮,等.水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)劃分研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2009(4):144.