水輪發電機組盤車數據處理及軟件開發

謝建國，方仲超，程遠楚，王豪，鄭小賀

（1.寶珠寺水力發電廠，四川廣元628032；2.武漢大學，湖北武漢430072）

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水輪發電機組盤車數據處理及軟件開發

謝建國1，方仲超1，程遠楚2，王豪2，鄭小賀2

（1.寶珠寺水力發電廠，四川廣元628032；2.武漢大學，湖北武漢430072）

盤車是立式水輪發電機組安裝檢修過程中一項十分重要的工作，良好的盤車質量是機組健康運行的重要保證。傳統的人工等角測量方法，勞動強度大，工作效率低下，而自動盤車方法不能從根本上提高盤車速度及工藝。本文采用非線性函數擬合方法進行盤車數據處理，提出了一種綜合考慮法蘭處擺度和水導處擺度的刮墊厚度和最大擺度方位計算方法，并開發了相應的盤車數據處理工具軟件。實際應用表明，該方法應用方便，加快了盤車速度，提高了盤車質量。

盤車；數據擬合；軟件開發

0　引言

對于立式水輪發電機組，如果鏡板摩擦面與機組軸線絕對垂直，且組成軸線的各部件又沒有曲折和偏心，那么當機組回轉時，機組的軸線將和理論回轉中心相重合。但是，由于制造與安裝形成的誤差，實際的鏡板摩擦面與機組軸線不會絕對垂直，軸線本身也不會是一條理想的直線，因而在機組回轉時，機組中心線就要偏離理論中心線。那么不可避免地會使各部件產生偏擺，這樣由導瓦確定的其理論運行空間變小，在運轉過程中軸系會產生徑向平移，導致導軸承負荷的加大（除正常水推力和不均衡磁拉力外的力），當這種情況達到一定程度時，導瓦的損傷就不可避免。因此，機組軸線的測量、分析和調整是機組檢修中最為關鍵的工序之一。盤車時間的長短將直接關系到整個安裝檢修的直線工期控制，盤車質量的好壞對機組的運行狀況也有著重要的影響[1]。

機組軸線調整通常采用傳統盤車人工等角測量[2]。傳統的等角盤車人工讀數方法存在不可克服的失真弊病，如：測數不準，無法一步調整到位，造成反復、無效勞動多；勞動強度大，工作效率低。近年來，自動化盤車系統［3-5］大量應用于機組檢修。但這些盤車系統僅解決了自動轉動問題，并不能提高盤車的速度與工藝，且已有自動化盤車系統造價高、維護復雜，無法得到很好應用的例子［6-7］。

無論是人工等角測量方法，還是自動盤車方法，軸線測量數據的分析與處理是其中重要的一環。為了提高盤車的準確與適用性，文獻[8]提出了一種基于改進遺傳算法提取正弦信號參數的求解，文獻[9]建立了任意角盤車擺度公式。本文擬基于測量的相關數據，結合非線性函數擬合、最小二乘算法，并采用高斯—牛頓法進行求解，求取各測量點的擺度向量，并開發相應軟件，自動計算機組軸線調整參數，給出合理的調整方案，加快機組軸線調整進程，提高盤車質量。

1　盤車數據處理

采用等角8點法，通過盤車已得到推力軸承處導軸承的擺度值、發電機主軸連接法蘭處的擺度值，以及水輪機導軸承處的擺度值（如表1）。對于連續盤車方式，可以通過相位換算得出如表1所示的等效的等角8點的數據。

表1　發電機盤車記錄單位：0.01mm

上導處的全擺度計算如下：

由上述計算值可知：法蘭處的最大傾斜在測點號“6”處（方位角為225°），其值為：

水導處的最大傾斜同樣在測點號“6”處（方位角為225°），其值為：

2　盤車數據擬合

理論上講，盤車時在法蘭處和水導處所測得的凈擺度值應符合正弦變化規律，并可在正弦曲線中找到最大擺度值及其對應的方位。但是，由于加工誤差、測量誤差及在盤車的受力不均勻等諸多因素的影響，使得測量到的數據不完全滿足正弦曲線規律。因此，需提取測量數據中的有效成分，文獻[8]采用遺傳算法實現了連續采樣數據的正弦擬合，突破了傳統等角8點盤車的局限。本文結合等角8點盤車和連續盤車法，利用非線性函數擬合和最小二乘算法，給出一種盤車數據的擬合方法。

對于表1所述的數據，可以計算出法蘭處和水導處的凈擺度值如表2。

表2　凈擺度計算數據單位：0.01mm

以法蘭處為例，假定測量的凈擺度值符合正弦變化規律，則有

式（6）為一非線性方程，可按最小二乘意義對一般的非線性函數進行曲線擬合。對于給定的n對數據點（xi，yi）,i=1,2,…n,要求確定函數y=f（x，B）中的非線性參數B，使得式（7）為最小。

對于這種多參數的非線性問題，這里采用高斯—牛頓法，通過逐次“線性化”的間接方法處理。其求解方法如下：

先給bi一個近似初值，記為,并記初值與真值之差為△i，有：

這樣，確定bi的問題轉化為確定修正值△i的問題。為確定bi在bi（0）附近對f作泰勒級數展開，并略去△i的高階項得：

當bi（0）給定時，其值為直接算出。根據最小二乘法原理，由式（9）可推出：

由表2的數據，由上述方法可得：

最大擺度方位角分別為232.95和240.59。擺度值和最大擺度方位角的計算相比式（4）和式（5）更為精準。

計算出擺度曲線和測點值如圖1。由圖1可以判斷測點數據是否符合正弦規律。若測點數據嚴重偏離正弦規律，說明盤車數據不能真實反映軸線狀態，需重新進行盤車。

圖1　擺度曲線與測點關系

3　機組軸線調整

當機組擺度過大時，可通過刮削推力頭底面或絕緣墊或法蘭面的方法進行調整。當機組軸線是一條直線時，可按法蘭處的凈擺度和水導處的凈擺度計算刮削推力頭底面或絕緣墊的最大厚度。

按法蘭處的凈擺度計算有：

式中：L1為推力頭底面至法蘭擺度測量處的距離，D為推力頭或絕緣墊外徑。

按水導處的凈擺度計算有：

式中：L1為法蘭擺度測量處至水導擺度測量處的距離。

但軸線往往不是一條直線，按式（16）和式（17）計算出的結果是不一樣的。根據軸線曲線程度的不同，單獨按式（16）或式（17）進行計算，有時得不到好的效果。

當軸線如圖2實線所示時，若以法蘭處的擺度值進行處理，水導處的擺度會加大（圖2中虛線）；若以水導處的擺度值進行處理，則法蘭處的擺度沒有明顯改善（圖2中點線）。

圖2　軸線內折

圖3　軸線外折

當軸線如圖3實線所示時，若以法蘭處的擺度值進行處理，水導處的擺度會改善，但仍然較大（圖3中虛線）；若以水導處的擺度值進行處理，則法蘭處的擺度同樣改善不明顯（圖3中的點線）。

顯然，應綜合考慮水導處的擺度與法蘭處的擺度進行處理。為此，本文提出如下算法：

已知法蘭處擺度值換算到水導處的向量為：

水導處的擺度向量為：

設綜合擺度向量為：

則有：

刮墊最大厚度的計算公式改為：

4　盤車處理軟件開發與應用

根據以上思路與方法，采用C語言開發了盤車助手軟件，選擇相應的機組形式，進入相應的操作界面。懸式機組的操作界面如圖4所示。只需輸入相應的擺度測量值，以及相關的幾何尺寸，點擊計算便可給出：凈擺度計算結果，擺度曲線與測點示意；刮墊計算結果及軸線狀態示意。為方便使用，分別給出了法蘭、水導與綜合計算結果。傘式機組盤車處理界面如圖5，與懸式機組相比，只是多了一組入集電環可上傳的輸入數據。

圖4　懸式機組盤車處理

圖5　傘式機組盤車處理

5　結論

本文采用非線性函數擬合方法進行盤車數據處理，并提出了一種綜合考慮法蘭處擺度和水導處擺度的刮墊厚度和最大擺度方位計算方法。根據所提出方法，開發了相應的盤車數據處理工具軟件，并在水電機組的安裝與檢修中得到具體應用，提高了軸線處理的精準性，加快了盤車時度，取得了良好的效果。

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TM312

A

1672-5387（2016）02-0004-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.002

2015-07-13

謝建國（1974-），男，動力工程師，從事水電站生產技術管理工作。