水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障診斷關(guān)鍵技術(shù)與維護(hù)

涂洪波

摘要：水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中的振動(dòng)故障比較常見，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理則容易加劇零部件磨損并損壞設(shè)備等。文章對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中常見的振動(dòng)類型及其原因進(jìn)行分析，總結(jié)針對(duì)此類振動(dòng)故障常用的幾種故障診斷技術(shù)方法，提出了預(yù)防和處理此類振動(dòng)問題的有效維護(hù)策略，以供參考。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)組;振動(dòng)故障

1、引言

水輪發(fā)電機(jī)組作為水電站中的關(guān)鍵部分，其運(yùn)行中由于轉(zhuǎn)子處于長時(shí)間的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，容易與其他部件發(fā)生摩擦而產(chǎn)生振動(dòng)問題，如果此振動(dòng)問題比較劇烈，則會(huì)加劇磨損問題，造成零件松動(dòng)以及更為嚴(yán)重的危害。比如可能會(huì)出現(xiàn)裂紋的擴(kuò)大而導(dǎo)致斷裂損壞，或者緊固件松動(dòng)而加劇損壞速度、縮短使用壽命，還坑會(huì)加劇轉(zhuǎn)動(dòng)部件的磨損，甚至?xí)谖菜苤幸l(fā)渦流而產(chǎn)生一定的脈動(dòng)壓力，造成水系統(tǒng)振蕩而造成尾水管壁的裂縫以及損壞尾水設(shè)施等問題。為此，要分析和總結(jié)引發(fā)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的原因，合理應(yīng)用振動(dòng)故障診斷技術(shù)準(zhǔn)確和及時(shí)診斷振動(dòng)故障原因和位置，通過相應(yīng)的處理和維護(hù)措施來排除故障并降低故障發(fā)生概率。

2、水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)的原因

2.1機(jī)械振動(dòng)及其原因

此發(fā)電機(jī)組中的機(jī)械振動(dòng)問題，如果發(fā)生在法蘭位置，主要是由于此位置的大軸存在連接無效或者固件松動(dòng)、大軸穩(wěn)定性不足等原因，這就容易引發(fā)大軸的折斷問題，導(dǎo)致振動(dòng)故障的出現(xiàn)。如果此振動(dòng)問題出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，則通常是由于此位置的部分零件松動(dòng)脫落或者出現(xiàn)質(zhì)量不平衡的問題、彎曲問題等。還坑會(huì)由于發(fā)電機(jī)組中的固件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間出現(xiàn)摩擦問題，以及出現(xiàn)軸承瓦之間的間隙過大、軸承推力頭松動(dòng)、推力軸瓦失去平衡等原因而引發(fā)振動(dòng)。此類振動(dòng)最大的特點(diǎn)就是振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，而且其中的不平衡力則通常為徑向水平方向的不平衡力。

2.2電磁振動(dòng)及其原因

此類振動(dòng)主要有轉(zhuǎn)頻振動(dòng)以及極頻振動(dòng)兩種形式，前者的引發(fā)原因通常為出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞組短路的原因，或者是在定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙不夠均衡，或者是出現(xiàn)了磁極的次序錯(cuò)誤等問題，這就會(huì)導(dǎo)致磁路不夠?qū)ΨQ，并造成磁拉力不夠平衡。后者則主要是出現(xiàn)了鐵芯松動(dòng)的原因，其振動(dòng)頻率通常為100Hz。

2.3水力振動(dòng)及其原因

此類振動(dòng)主要由于水力因素引起的，其特點(diǎn)就是會(huì)隨著水力的增加其擺度也不斷增加，而且隨著振源的改變也會(huì)改變振頻。如果是由于汽蝕愿意你引發(fā)的振動(dòng)，則會(huì)表現(xiàn)出高頻振頻的特點(diǎn)，而水邊的厚度、葉片出水邊的相對(duì)流速等都會(huì)對(duì)卡門旋渦的振頻產(chǎn)生影響。此類振動(dòng)通常會(huì)發(fā)生在卡門渦輪、尾水管、壓力管道、水封間隙等問題，或者是由于導(dǎo)葉、蝸殼以及轉(zhuǎn)輪水流不夠均衡而引發(fā)振動(dòng)問題。

3、水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障診斷關(guān)鍵技術(shù)

3.1模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)

所謂的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是結(jié)合模糊理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而成的方法，通過此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及模糊邏輯理論的應(yīng)用，相互補(bǔ)充和彌補(bǔ)缺陷而形成模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以最大化發(fā)揮二者的優(yōu)勢，在各個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。比如在發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障診斷中的應(yīng)用，主要是通過多種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建，并應(yīng)用相對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)算法開展故障診斷與分析工作。

3.2專家系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

所謂的專家系統(tǒng)就是集合了本行業(yè)中具有較高專業(yè)知識(shí)水平以及豐富經(jīng)驗(yàn)人群的專業(yè)分析，結(jié)合行業(yè)中的優(yōu)秀案例，總結(jié)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中的常見振動(dòng)故障及其相關(guān)知識(shí)而構(gòu)建的智能化計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。通過此系統(tǒng)的應(yīng)用，可以對(duì)比實(shí)際出現(xiàn)的故障現(xiàn)象與專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)資料，并會(huì)出最合理的建議。尤其針對(duì)引發(fā)振動(dòng)原因比較復(fù)雜的振動(dòng)故障，由于其無法應(yīng)用上述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法進(jìn)行模型的構(gòu)建，這就可以通過本領(lǐng)域中專家級(jí)專業(yè)知識(shí)和工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行故障判斷，通過人工智能技術(shù)的應(yīng)用來分析和推力故障現(xiàn)象，判斷故障引發(fā)原因。在上述過程中，是以人的思維方式來智能模擬故障診斷過程，其在發(fā)電機(jī)組故障診斷中的典型應(yīng)用就是在產(chǎn)生式規(guī)則的系統(tǒng)中，通過規(guī)則的方式來體現(xiàn)專家知識(shí)以及診斷經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建包含上述知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的專家數(shù)據(jù)庫。然后通過傳感器等采集振動(dòng)故障表現(xiàn)并檢測收集其運(yùn)行參數(shù)，將這些信息與數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行匹配，快速判斷故障類型并給胡最合理的故障檢修處理策略。

3.3故障樹診斷技術(shù)

此種方法就是依據(jù)故障引發(fā)原因、按照樹枝狀的方式對(duì)原因進(jìn)行細(xì)化。在此故障樹的頂端則是最容易出現(xiàn)的故障狀態(tài)，也是導(dǎo)致頂事件的直接原因，然后通過邏輯符號(hào)來表現(xiàn)事件和原因之間的邏輯關(guān)系，從頂事件開始向下進(jìn)行細(xì)化分解，直到最終無法分解，則形成了故障樹。通過此種診斷方法有助于尋找機(jī)組運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進(jìn)和控制，其在機(jī)組振動(dòng)故障的診斷中應(yīng)用，表現(xiàn)出直觀、形象以及快速的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于此種方法中所應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫也可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，通過選擇規(guī)則的搜尋通道開展診斷推理來提升診斷效率。但是應(yīng)用此種診斷方法無法對(duì)不可預(yù)知的故障進(jìn)行診斷，而且要確保故障樹信息的正確性與完整性。

4、水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的維護(hù)

由于水輪機(jī)在某些負(fù)荷條件下會(huì)在尾水管中產(chǎn)生低頻渦帶現(xiàn)象，也就是在非設(shè)計(jì)工況條件下會(huì)引發(fā)尾水管位置的水壓脈動(dòng)現(xiàn)象，如果此渦帶比較大，還可以在尾水管中按照固定的頻率轉(zhuǎn)動(dòng)，以及在受到低頻壓力時(shí)產(chǎn)生水流脈動(dòng)問題，進(jìn)而會(huì)引發(fā)尾水管壁、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)輪、蝸殼、壓力管道等位置的振動(dòng)。針對(duì)此問題，不僅要優(yōu)化水利設(shè)計(jì)，盡量控制機(jī)組在允許工況范圍內(nèi)運(yùn)行，為了避免出現(xiàn)水流流動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的改變現(xiàn)行，則要加長尾水管的錐段、擴(kuò)大尾水管的錐角、增加阻水柵和隔板、嚴(yán)格控制渦帶偏心距等。此外還可以通過對(duì)渦帶區(qū)補(bǔ)氣的方式來預(yù)防此類振動(dòng)問題。

針對(duì)卡門渦列引發(fā)的振動(dòng)問題，可以通過減小轉(zhuǎn)輪葉片厚度的方式來提升卡門渦列的頻率，避免出現(xiàn)共振問題。并且將支撐設(shè)置在葉片之間來調(diào)整和該表其自振頻率。還可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)測渦列頻率以及導(dǎo)葉的固有頻率，盡量錯(cuò)開二者頻率。

針對(duì)水力因素引發(fā)的振動(dòng)問題，可以在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化水輪發(fā)電機(jī)組的水力，重點(diǎn)做好對(duì)上冠位置線型的設(shè)計(jì)以及葉片頭部葉型的設(shè)計(jì)。還要優(yōu)化水頭設(shè)計(jì)，通過最優(yōu)水頭的應(yīng)用來防止出現(xiàn)高水頭葉道渦的出現(xiàn)，也可以通過在頂蓋表面設(shè)置補(bǔ)氣孔進(jìn)行補(bǔ)氣的方式來消除機(jī)組振動(dòng)，而且在機(jī)組運(yùn)行中盡量避開葉道渦的發(fā)生區(qū)。

針對(duì)水力失衡引發(fā)的振動(dòng)問題，不僅要在加工和安裝階段控制好加工和安裝誤差，盡量控制流道與葉片的形狀和尺寸相似。重點(diǎn)要控制零部件的加工與安全精度，最大化避免軸承的磨損以及轉(zhuǎn)子撓度問題。

5、結(jié)語

水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中，容易由于低頻渦帶、卡門渦列、水力不平衡等因素而引發(fā)機(jī)組振動(dòng)異常的故障，此故障會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)加劇而出現(xiàn)零部件松動(dòng)，以及影響機(jī)組正常運(yùn)行等問題。基于引發(fā)不同類型振動(dòng)故障的相應(yīng)原因，不僅要合理應(yīng)用先進(jìn)診斷技術(shù)開展故障診斷，更重要的是在設(shè)計(jì)以及加工、安裝以及運(yùn)行維護(hù)階段做好維護(hù)工作，預(yù)防振動(dòng)故障的發(fā)生，確保水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。

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