基于故障原因分析的水泵水輪機狀態評估

常玉紅 郝國文 劉夫果 趙江 李長勇

摘? 要：抽水蓄能機組具有轉速高、容量大以及工況轉換頻繁的特點，在電網中通常承擔調峰、調頻、調相和事故備用的任務，其狀態直接關系到電網的安全、可靠、穩定運行。隨著機組服役年限的不斷增加，水泵水輪機部件可能會產生必要的空蝕、磨蝕、磨損或疲勞，造成機組性能下降，嚴重時甚至導致故障，對機組的安全穩定可靠運行帶來較大的隱患。現有的規范或者標準并非針對水泵水輪機狀態評價而制定的，其存在著狀態評價指標體系不夠系統化、評價指標及其權重不合理等問題。該文通過對抽水蓄能電站運行10年以上、單機容量150MW以上的水泵水輪機主要部件已發生故障進行分析、歸納和總結，建立基于故障原因的主要部件狀態評價指標體系，并根據專家經驗法及主要部件相關故障的發生頻率統計結果進行權重分析，然后結合機組在線監測參數構建基于“故障原因—主要部件狀態評價指標體系—在線監測參數”相結合的主要部件安全評估模型。

關鍵詞：抽水蓄能電站? 水泵水輪機? 狀態評價體系? 評估模型

中圖分類號：TK734 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）09（a）-0070-05

Abstract： Special features of the power units are obvious as high speed， large capacity and fast transition for load transfer. The units are usually playing more important roles in the grid as peak load adjustment， frequently operating in partial load， condense operations and standby. Operational safety， reliability and stability have become more important and critical. Along with gradual increase in service life， the cavitation， corrosion， wear and fatigue may occur in the reversible pump turbine. Moreover， performance degradation even failure may be realized， it would have a significant impact on the operational safety， reliability and stability. The available international and domestic standards or codes are not made especially for condition assessment of reversible pump turbine， in which the assess criteria and their weight factors are not reasonable for applicable. This paper established a integrated model combined the assess criteria and their weighted factors as well as the on-line monitoring parameters for condition assessment of the reversible pump turbine based on the root cause analysis through the operational pumped storage power plant with capacity over 150MW and service life exceed 10 years.

Key Words： Pumped storage power plant; Water pump turbine; Status evaluation system; Evaluation model

抽水蓄能機組具有轉速高、容量大以及工況轉換頻繁的特點，在電網中通常承擔調峰、調頻、調相和事故備用的任務，其狀態直接關系到電網的安全、可靠、穩定運行。從20世紀90年代中期開始，廣州、十三陵、天荒坪、泰安等一批高轉速大容量抽水蓄能機組陸續建成并投入生產，隨著機組服役年限的不斷增加，水泵水輪機部件可能會產生必要的空蝕、磨蝕、磨損或疲勞，導致機組性能下降，嚴重時可導致機組故障，對機組的安全穩定可靠運行帶來較大的隱患。因此，有必要對水泵水輪機的主要部件開展狀態評價研究，以便識別、分析和評估潛在的安全風險，并提出相應的應對措施，為水泵水輪機的檢修維護提供科學的數據依據，保障抽水蓄能機組的可靠安全穩定運行。但目前國際國內尚未針對水泵水輪機狀態評價制定專門的規范或標準，現有的參考規范或者標準存在著狀態評價指標體系不夠系統化、評價指標不合理、評價指標權重不合理等諸多問題，導致了在實際的工程應用中缺乏可操作性和可靠性，也就無法為電站的檢修維護工作提供參考依據。該文通過對抽水蓄能電站運行10年以上、單機容量150MW以上的水泵水輪機主要部件已發生故障進行分析、歸納和總結，建立基于故障原因的主要部件狀態評價指標體系，并根據相關標準要求、專家經驗及已統計的主要部件相關故障的發生頻率進行權重分析，然后結合機組在線監測參數構建基于“故障原因—主要部件狀態評價指標體系—在線監測參數”相結合的主要部件安全評估模型。該評估模型將水泵水輪機作為一個系統，水泵水輪機主要部件作為構成系統的部件，首先從機械狀態和運行狀態兩個維度來定義表征水泵水輪機主要部件狀態評價指標，進而從安全性（風險）、可靠性和性能3個維度來分析主要部件對系統的影響，實現水泵水輪機系統量化評估，為電站的檢修維護提供參考。

1? 水泵水輪機評價指標體系

1.1 水泵水輪機系統

水泵水輪機作為一個系統，其主要部件包括蝸殼座環、導水機構（包括頂蓋、底環、導葉、導葉套筒、拐臂及連桿、控制環、導葉接力器）轉輪、水導軸承、主軸及主軸密封。

1.2 水泵水輪機系統評價指標

水泵水輪機系統狀態評估應從安全性（風險）、可靠性和性能3個維度來分析主要部件對系統的影響。其中，安全性指標是指水泵水輪機主要部件發生故障的后果和發生故障的概率對水泵水輪機系統的影響;可靠性指標是指可用率、無故障連續運行時間、大修間隔時間和使用期限（壽命）。水泵水輪機的性能指標包括功率、效率、流量、飛逸轉速、空蝕、磨蝕、振動、噪音、壓力脈動、軸向水推力以及軸承溫度。

1.3 水泵水輪機系統評價指標體系構建

水泵水輪機系統評價指標體系主要包括目標層、準則層、指標層和方案層，其中目標層是我們研究需要達到的目的即水泵水輪機系統的狀態評估。準則層為實現目標層所定義的準則，即評估水泵水輪機系統的3個維度包括安全性、可靠性和性能。指標層則為安全性、可靠性和性能的具體體現指標。方案層則為構成水泵水輪機系統的各主要部件包括蝸殼座環、導水機構（包括頂蓋、底環、導葉、導葉套筒、拐臂及連桿、控制環、導葉接力器）轉輪、水導軸承、主軸及主軸密封。為了評估各主要部件對水泵水輪機系統的權重影響，采用專家經驗法確定權重分配，進而結合各主要部件的狀態評估結果實現水泵水輪機系統的狀態評估。

2? 水泵水輪機主要部件狀態評價指標

由于水泵水輪機主要部件均為機械部件，其狀態評價指標首先從機械狀態和部件運行狀態兩個維度來進行評估。部件機械狀態主要包括結構完整性、功能性以及性能，其中結構完整性是指該部件在其設計服役壽命內能否承受工作荷載而不失效的能力，包括應力、變形以及疲勞壽命;功能性是指部件能否實現系統為其預定的目的和用途;性能是指部件實現其預定目的和用途的能力。部件運行狀態的評估是指通過在線監測參數的評估來反映部件的工作狀態。其次，通過對運行10年以上、單機容量150MW以上的水泵水輪機主要部件典型故障案例進行分析、歸納和總結，進而提煉出能夠反映主要部件故障原因的狀態量。因此，主要部件狀態評價指標應在具備可執行性和可操作性的基礎上，結合機械狀態指標、運行狀態指標和典型故障案例分析的成果綜合確定。

2.1 典型故障案例統計分析

通過對典型設備故障案例的統計分析，其中水泵水輪機系統（不包括調速器和球閥）共計65項。其按系統設備分導水機構30項（包括頂蓋6項，底環1項，導葉3項，導葉套筒、拐臂及連桿20項），轉輪6項，水導軸承7項，主軸密封8項，其他（主要是控制閥、電動閥等）14項。具體結果詳見表1。

2.2 水泵水輪機主要部件評價指標分析

根據主要部件狀態評價指標選取原則，該文選取轉輪作為示例，對其故障原因及可能造成的后果進行了分析，具體詳見表2蝸殼評價指標分析。

2.3 水泵水輪機主要部件狀態評價指標權重確定

《IEC62256-2017水輪機、蓄能泵和水泵水輪機復原與性能改進》[1]對水泵水輪機單個部件的權重明確為設備的物理狀態權重為47%，運行年限權重為20%，修復檢修成本權重為33%。根據水泵水輪機主要部件狀態評價指標對水泵水輪機（部件）安全可靠運行和性能的重要程度，從輕到重分為1級、2級、3級、4級、5級、6級、7級、8級、9級、10級，其權重分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，具體見表3。

為了實現對水泵水輪機系統及其部件狀態的量化評價，根據水泵水輪機主要部件評價指標的劣化程度，從輕到重分為10級。分別為1級、2級、3級、4級、5級、6級、7級、8級、9級、10級，對應的扣分值為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，具體見表4。劣化最嚴重，超過相關規程規范限定的正常運行范圍邊界的為7～10分;中度劣化，處于相關規程規范限定的正常運行范圍邊界的為4～6分;輕度劣化，具有相關規程規范限定的正常運行范圍邊界的趨勢，但未超過該限值的為1～3分。

水輪機水輪機主要部件評價指標的扣分值由評價指標權重、基本扣分值共同決定，即評價指標的扣分值等于該評價指標的基本扣分值乘以該評價指標權重。

3? 水泵水輪機狀態評價標準

3.1 主要部件的狀態評價指標的判斷依據

目前國際國內參考標準或規范均部分或者涉及了對設備狀態評價指標的評價標準，但仍然存在諸如評價指標評價判斷依據不合理，缺乏工程實踐的可操作性及指導性，從而導致無法為設備的狀態檢修提供理論依據。該文以蝸殼的部分評價指標為例，對其判斷依據進行了細化，具體見表5。

3.2 主要部件的狀態評價方法

《IEC62256-2017 水輪機、蓄能泵和水泵水輪機復原與性能改進》規定了水輪機物理狀態的檢查結果的評分要求見表6。

而國內類似輸變電設備狀態評價標準如國家電網公司《主要輸變電設備狀態評價導則》[2]、南方電網公司《設備狀態評價與風險評估導則》[3]等將設備的狀態劃分為正常狀態、注意狀態、異常狀態和嚴重狀態。考慮國際國內在評分上沒有本質的區別，該文亦將水泵水輪機的狀態評價劃分為正常狀態、注意狀態、異常狀態和嚴重狀態。其中正常狀態是指按照相關標準和規范，經評定設備的狀態在規定的正常運行范圍內水泵水輪機可以長期穩定運行的狀態。注意狀態是指設備的評價指標（單項或多項）具有接近規定的正常運行范圍邊界的趨勢，但未超過該限值，設備在實時監控的條件下具備長時間運行能力的狀態。異常狀態是指設備的評價指標（單項或多項）處于或略超過規定的正常運行范圍邊界，設備在實時監控的條件下具備短時運行能力的狀態。嚴重狀態是指設備的評價指標（單項或多項）超過規定的正常運行范圍邊界，設備不能夠滿足運行能力的狀態。

水泵水輪機的部件狀態評價僅考慮評價指標單項的扣分情況，部件狀態評價標準見表7。當任一評價指標單項扣分達到表6規定[1，40）區間時，視為正常狀態;當任一評價指標單項扣分達到表7規定[40， 60）區間時，視為注意狀態;當任一評價指標單項扣分達到表7規定[60，80）區間時，視為異常狀態;當任一評價指標單項扣分達到表7規定[80，100]區間時，視為嚴重狀態;當該部件所有評價指標評價為“正常狀態”時，該部件評價為“正常狀態”;當任一評價指標為“注意狀態”“異常狀態”“嚴重狀態”時，整體評價為其中最嚴重的狀態。

3.3 水泵水輪機系統狀態評價方法

在IEC62256-2017中未對各主要部件對水泵水輪機系統的影響進行明確，當然也沒有提出相應地權重。而類似國內標準考慮到工程實踐中的可靠性問題，采用的類似木桶效應的概念，也就是系統的狀態取決于主要部件中最差的狀態，因此該文亦采用此方法。當主要部件評價為“正常狀態”時，設備整體評價為“正常狀態”;當任一主要部件為“注意狀態”“異常狀態”“嚴重狀態”時，整體評價為其中最嚴重的狀態。

4? 結語

水泵水輪機的狀態評價是一個復雜的系統工程，該文基于“故障原因—主要部件狀態評價指標體系—在線監測參數”相結合的主要部件安全評估模型構建了水泵水輪機部件及系統評價體系，同時運用專家分析法來確定相應地評價指標權重和扣分值，實現了水泵水輪機系統及主要部件的狀態的量化評價，為機組的檢修維護工作提供決策依據。同時，該模型也存在一些不足，比如權重指標和扣分值的確定基本上依賴于專家經驗，未來水泵水輪機狀態評價系統將采用更好的分析方法比如層次分析法來確定指標權重，實現評估模型對專家經驗的過于依賴，提供模型的可靠性和精確度。

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