機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在故障分析中的應(yīng)用

劉香建 楊秀峰

（天生橋水力發(fā)電總廠，貴州 興義562400）

0 引言

狀態(tài)檢修是未來檢修方式，為了實(shí)現(xiàn)這種檢修方式，就需要對(duì)機(jī)組的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行分析，了解機(jī)組各個(gè)部位的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)制定維護(hù)和檢修計(jì)劃。而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的難點(diǎn)在于故障診斷這一環(huán)節(jié)，本文通過機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在#1機(jī)組轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)松動(dòng)事件中應(yīng)用的實(shí)例，來論述機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在機(jī)組故障診斷中的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修積累經(jīng)驗(yàn)，也有利于電廠節(jié)省檢修成本，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性，從而為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。

1 故障情況

某電廠機(jī)組的額定功率為220.5 MW，組機(jī)結(jié)構(gòu)為立式半傘形結(jié)構(gòu)，有上、下導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承。在日常巡視中聽到#1機(jī)組水車室機(jī)組運(yùn)行頂蓋內(nèi)部聲音有點(diǎn)異常，特別是觸碰控制環(huán)時(shí)能感覺到明顯的高頻振動(dòng)。但由于水車室各種頻譜的聲音混雜，雖經(jīng)過多次觀察，依舊無法判斷是什么原因引起的。

2 在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了查清楚原因，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為輔助手段去進(jìn)行排查。

首先，查看機(jī)組各部分的振動(dòng)和擺度以及壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中下機(jī)架振動(dòng)為0.025mm 左右，頂蓋垂直振動(dòng)則為0.03mm 左右，而現(xiàn)在的下機(jī)架振動(dòng)值為0.037mm，頂蓋垂直振動(dòng)值為0.04mm，其數(shù)值與歷史數(shù)據(jù)相比較有增大的趨勢(shì)，增大的數(shù)值并不大，且振動(dòng)數(shù)值在允許值范圍內(nèi)；其余的監(jiān)測(cè)量數(shù)值趨勢(shì)則相對(duì)平穩(wěn)，且在允許范圍內(nèi)。

其次，進(jìn)一步分析機(jī)組在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，以便更好地確定故障原因。挑選水導(dǎo)軸承擺度、頂蓋水平和垂直振動(dòng)、下機(jī)架垂直振動(dòng)這幾個(gè)靠近異響部位的監(jiān)測(cè)量進(jìn)行頻譜分析（圖1），水導(dǎo)擺度和頂蓋水平振動(dòng)的波形和數(shù)值均正常，階次圖上的頻率也無異常，但下機(jī)架和頂蓋的垂直數(shù)值比機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)值偏大，而且查看其階次圖的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)二者均存在14倍頻的振動(dòng)，并且這個(gè)振動(dòng)頻率不是固定的，而是在14倍頻左右變化。因?yàn)檫@個(gè)振動(dòng)頻率和機(jī)組已知的各個(gè)部件的頻率都不相符，這又給故障的診斷帶來了新的難題。

3 故障分析排查

由于水輪機(jī)內(nèi)的水流比較復(fù)雜，我們需要采用在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場(chǎng)觀察相結(jié)合的辦法，對(duì)有可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行假設(shè)分析。

圖1 所選監(jiān)測(cè)量的階次圖

第一步，確定在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和傳感器是否存在故障。對(duì)頂蓋和下機(jī)架這兩個(gè)部位的振動(dòng)傳感器進(jìn)行更換，換上經(jīng)檢測(cè)其性能是好的傳感器；并在頂蓋部位臨時(shí)焊接固定支架來架設(shè)百分表進(jìn)行觀測(cè)。更換后這兩個(gè)部位的傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)并未發(fā)生改變，而且在頂蓋架設(shè)的測(cè)點(diǎn)也驗(yàn)證了傳感器的測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確性，所以排除了系統(tǒng)故障和傳感器故障，確定是機(jī)組確實(shí)存在下機(jī)架和頂蓋垂直振動(dòng)的異常。

第二步，在排除在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障后，進(jìn)行故障的假設(shè)。首先假設(shè)故障為導(dǎo)葉或轉(zhuǎn)輪有異物堵塞。在這種情況下，由于進(jìn)入導(dǎo)葉或轉(zhuǎn)輪的水流的不均勻?qū)ΨQ，則水平方向的振動(dòng)和機(jī)組的擺度也會(huì)相應(yīng)增大，而查看在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，水平振動(dòng)和機(jī)組的擺度并無增大的情況，所以這個(gè)原因排除。其次假設(shè)故障是由于是蝸殼渦帶振動(dòng)引起的，其振動(dòng)的頻率應(yīng)為2.5 倍頻，但通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得到的頻率是14倍頻，且在在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上觀察機(jī)組蝸殼的壓力脈動(dòng)，其數(shù)值無異常，所以也排除這個(gè)原因。再次，假設(shè)故障原因是轉(zhuǎn)輪泄水錐掉落，從振動(dòng)部位和數(shù)值的表現(xiàn)看這是有可能的，因?yàn)樾顾F掉落，則會(huì)引起機(jī)組的垂直振動(dòng)值變大，但如果是這個(gè)原因，則尾水管內(nèi)的壓力脈動(dòng)也會(huì)隨之變大，尾水管在機(jī)組運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)出異響，但是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的尾水管的壓力脈動(dòng)壓力測(cè)量值并未發(fā)現(xiàn)異常，且尾水管運(yùn)行的聲響并未有異常，所以這個(gè)原因也排除。

第三步，進(jìn)行機(jī)組負(fù)荷的調(diào)整，負(fù)荷經(jīng)過調(diào)整從220 MW下降至200 MW 時(shí)，異響聲消失，查看在線監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)均在正常運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)值，再查看下機(jī)架和頂蓋垂直振動(dòng)，14倍頻的振動(dòng)基本消失，機(jī)組各部位數(shù)據(jù)均恢復(fù)正常。這步也間接排除了在線監(jiān)測(cè)傳感器干擾和機(jī)組動(dòng)不平衡的問題；且從現(xiàn)場(chǎng)異常聲響的位置來看，確定位置在水輪機(jī)處，其原因可能為水力因素。

但是機(jī)組的額定出力為220 MW，且與其結(jié)構(gòu)一致的其他機(jī)組均能在220 MW 穩(wěn)定運(yùn)行，不可能是由于工作水頭和尾水位的影響；且在滿負(fù)荷時(shí)所出現(xiàn)的14倍頻的振動(dòng)已經(jīng)證實(shí)是真實(shí)存在的，說明機(jī)組在帶滿負(fù)荷的時(shí)候是存在故障的；再者機(jī)組帶不滿負(fù)荷，對(duì)電廠來說也是一種容量的浪費(fèi)，會(huì)降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 故障的確定

根據(jù)以上對(duì)故障原因的分析和排除，結(jié)合在線監(jiān)測(cè)的測(cè)量數(shù)據(jù)，由于故障是14倍頻的振動(dòng)引起，而且這個(gè)振動(dòng)的頻率是變化的，我們對(duì)這個(gè)變化的14倍頻的故障頻率進(jìn)行重點(diǎn)分析。結(jié)合在機(jī)械故障診斷中振動(dòng)相位改變的原因可能是轉(zhuǎn)動(dòng)部分出現(xiàn)裂紋或松動(dòng)；再根據(jù)對(duì)這個(gè)振動(dòng)頻率和機(jī)組結(jié)構(gòu)的分析，這個(gè)故障頻率最接近轉(zhuǎn)輪和固定導(dǎo)葉的振動(dòng)頻率，所以初步診斷故障原因可能為固定導(dǎo)葉故障、轉(zhuǎn)輪故障或其附近的部件松動(dòng)或產(chǎn)生裂紋，并且這個(gè)故障要達(dá)到220 MW 時(shí)的水力狀況才會(huì)產(chǎn)生。為了徹底排除故障，保證機(jī)組在汛期能帶滿負(fù)荷安全穩(wěn)定運(yùn)行，增加電廠的經(jīng)濟(jì)效益，需要進(jìn)入水輪機(jī)內(nèi)檢查固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪及其附近部件的狀況。為此，按照診斷出來的原因，制定處理方案，開啟蝸殼門和尾水管進(jìn)人門，對(duì)水輪機(jī)和尾水管進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)故障的原因?yàn)樗啓C(jī)上止漏環(huán)的1/3的部分向上竄動(dòng)，其中最大竄動(dòng)量為6mm（圖2）。

圖2 止漏環(huán)上竄量測(cè)量

面對(duì)這一故障，經(jīng)過向廠家詢問和電廠內(nèi)部相關(guān)部門開會(huì)研論，決定對(duì)上竄部位采取補(bǔ)焊固定的臨時(shí)處理措施，并對(duì)其余未竄動(dòng)部位進(jìn)行補(bǔ)焊加固。補(bǔ)焊后機(jī)組運(yùn)行無異響，查看在線監(jiān)測(cè)，14倍頻基本消失，頂蓋垂直振動(dòng)和下機(jī)架垂直振動(dòng)隨之變小，其值為：下機(jī)架振動(dòng)0.026 mm，頂蓋垂直振動(dòng)0.034mm，和歷史值相似，機(jī)組各部位振動(dòng)恢復(fù)正常（圖3）。在水車室進(jìn)行觀察，異響也隨之消失，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，這些數(shù)據(jù)和機(jī)組狀態(tài)說明機(jī)組的故障已消除。

5 結(jié)語

這次故障的診斷，是充分利用了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為輔助手段來實(shí)現(xiàn)的，快速而準(zhǔn)確地確定了故障位置，為快速排除機(jī)組故障創(chuàng)造了條件。這次成功的故障診斷，為以后機(jī)組出現(xiàn)類似故障時(shí)進(jìn)行處理提供了經(jīng)驗(yàn)。未來隨著在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)步和傳感器的可靠性、精確性的進(jìn)一步提高，機(jī)組各部位的運(yùn)行狀態(tài)將被更精確地顯示出來，從而為故障診斷提供更精準(zhǔn)和可靠的數(shù)據(jù)，進(jìn)而降低故障診斷難度；同時(shí)也可為更好地制定故障消除工作和機(jī)組年度檢修工作計(jì)劃提供可靠的參考，有利于節(jié)省機(jī)組維護(hù)和檢修費(fèi)用，提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性和安全性，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 補(bǔ)焊止漏環(huán)后的階次圖

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