振擺分頻狀態評價在新干電站的應用

熊東亮，謝梅蘭

（1.江西省信江船閘通航中心，江西 鷹潭 335000；2.江西省港航管理局界牌航電樞紐管理處，江西 鷹潭 335000）

1 概述

水電機組是水電站實現水電能源轉換的核心設備，目前水電行業對水電機組的檢修一直沿用以點檢定修為主的計劃檢修制度，根據規章制度確定檢修時間與檢修項目，導致檢修較少考慮設備實際運行情況，具有一定盲目性。水電機組狀態檢修概念起源于二十世紀九十年代初，旨在根據設備實際運行狀態與劣化程度對設備進行檢修，但經過近20年的發展，一直沒有獲得有效推廣，主要原因是缺乏可量化的能直接定位缺陷的狀態評價辦法[1]。近年來，隨著我國機組不斷向大型化、復雜化發展，電站自動化水平不斷提高，越來越多的電站開始推行“無人值守”制度，計劃檢修的高成本等弊端日益凸顯，狀態檢修成為實現機組健康管理的必然趨勢。因此，如何深入挖掘狀態監測系統數據，對機組實時運行狀態進行科學有效的評估和故障定位，是水電行業需要迫切解決的問題。

在狀態監測中，振擺信號作為反映水電機組運行狀態的重要指標，得到了行業內學者的廣泛關注[2，3]，通過提取振擺信號幅值與頻率成分，可有效判斷機組所處運行狀態。目前行業規程針對振擺信號特征值的評價多局限于信號通頻值[4，5]，對信號其他頻率成分閾值未有明確規定，導致單純依靠現有規程對水電機組進行監測評價，經常出現誤報和漏報，且無法準確判知機組狀態與故障定位。為解決這一問題，在該標準基礎之上，引入機組振動的低頻、轉頻、高頻3個分量，并制訂相應的評價閾值，用于新干電站機組的狀態評價

江西省新干航電樞紐工程壩址位于贛江中游新干縣三湖鎮上游約1.5 km處，是一座以航運為主，兼顧發電等綜合效益的樞紐工程，正常蓄水位32.50 m，總庫容約5.0×108 m3，為日調節水庫。電站裝有7臺單機容量16 MW、轉輪直徑7.10 m的大型燈泡貫流式機組，年均發電量5.34億kW·h，主機由東方電機有限公司生產，電站首臺機組已于2018年9月12日并網發電，2019年6月30日最后一臺機組并網發電。項目建成后將大大改善贛江通航條件，進一步發揮贛江水運優勢，構建沿江地區對外物資交流的快速水上通道。同時，又為江西增加了寶貴的水電清潔能源和調峰容量，對江西水火電容量失衡的狀況有所緩解。

新干電站由于機組尺寸大，機組安裝檢修起吊、翻身難度很大，應盡可能有針對性的進行檢修，可減少機組不必要的損傷，減輕維護人員的勞動強度。新干電站機組目前安裝了北京奧技異公司的狀態監測系統，但并未形成一套合適的評價體系和方法用于指導機組狀態檢修。因此，針對新干電站開發研究一套實用性強的機組狀態評價體系是當前需要解決的問題。

根據新干電站的機組特點提出了一套狀態評價實施辦法，利用現有機組在線監測系統采集機組振擺數據，對原有的振擺評價標準進行改進，提取機組振擺信號低頻、轉頻、高頻3個分量，通過振擺分頻直接推斷機組運行狀態，確定機組是否需要檢修，以及檢修的具體項目，實現機組精細化檢修。

2 分量評價方案的提出

國標“GB/T 11348.5-2002旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定第5部分水力發電廠和泵站機組”中給出了水電機組振擺評價方法，主要內容如下：

（1）將機組振擺值分為A，B，C，D 4個區間，所有振擺值都在A區范圍內的機組稱為A區機組，以此類推。即通過A，B，C，D區來評價機組的振動狀態。

根據國標評價標準將機組運行狀態分為4個區域，分別為：

A區：良好：測量值＜A；機組運行狀態很好屬于精品機組，不需要檢修調整，可以長期穩定運行。

B區：合格：A＜測量值＜B；機組運行狀態合格，可以進行檢修調整，機組可長期運行。

C區：報警：B＜測量值＜C；機組運行狀態不好，需要進行檢修調整，在該狀態下機組不可以長期運行。

D區：危險：測量值＞C；機組不可以長期運行，必須停機進行檢修，在該狀態下運行有很大危險。

（2）給出了A，B，C，D的邊界曲線，見圖1、圖2。

圖1 水力機組轉軸相對振動位移峰峰值推薦評價區域

圖2 水力機組轉軸相對振動位移最大值推薦評價區域

根據以上運行評價標準，將其依據轉速區分量化評價各區域限定值，燈泡貫流式水輪發電機組簡化運行評價見表1、表2。

表1 燈泡貫流式機組擺度通頻評價

表2 燈泡貫流式機組振動通頻評價

受水力因素影響，水電機組振擺值變化范圍較大，利用上述標準進行監測評價，經常存在誤報和漏報，且在出現問題的情況下無法精準定位故障點，不能準確判知機組狀態，故該標準并未在行業中大范圍推廣使用。

為解決這一問題，在該標準基礎之上，引入振擺信號的低頻、轉頻、高頻3個分量，并制訂相應的評價閾值，完善了標準，增強了實用性。

3 燈泡貫流式機組振擺分量評價方案

水力發電機組運行振擺值（峰峰值）由多種復雜頻率成分量組成，單純根據振擺峰峰值無法對機組振擺問題進行準確判斷，新干電站安裝的PSTA2100水電機組狀態監測系統對振擺量進行分頻量化，將影響振擺頻率劃分為低頻分量、轉頻分量、高頻分量。各頻段監測量的影響因素如下：

低頻分量：尾水管渦帶；

轉頻分量：質量不平衡、磁拉力不平衡、主軸彎曲、主軸與鏡板不垂直、軸瓦間隙過大等；

高頻分量：導葉開口不均、葉道渦、轉子不圓、鏡板波浪度、協聯關系不當等；

各頻率成分均可反映一類振動影響因素，針對不同頻率成分進行機組狀態評價可極大縮小問題范圍，有利于準確找出問題根源。

在此基礎上，將分頻成分增補進評價內容，形成更為細化的評價方案，最終的燈泡貫流式機組轉頻、高頻成分的評價區間見表3、表4，低頻成分的評價區間與通頻一致。

表3 貫流式機組擺度分頻評價

表4 貫流式機組振動分頻評價

4 新干6號機組振擺評價分析

新干6號機組的振擺通頻值和分頻值監測記錄見表5和表6，并根據監測記錄作出了評價分析。

表5 振擺通頻值

表6 振擺分頻值

4.1 振擺通頻評價

評價分析：振擺通頻評價主要用于機組振擺超標檢查，通過上表可以看到機組轉輪室X、Y向振動處于B區。

4.2 振擺分頻評價

評價分析：通過振擺分頻評價可以找到出現問題的類型，機組轉輪室X,Y振動高頻分量均處于C區，高頻分量對機組損傷較大，且轉輪室振動高頻分量都是由于轉輪特性不穩定引起[6]，可對機組轉輪特性進行調整，使機組轉輪室振動降低至A區。

4.3 利用頻譜分析工具定位故障原因

新干電站6號機組于2019年6月29日開始72 h試運行，表7為7月3日6號機組10:00～22:00運行記錄，從表中可以看到，下午4時電站毛水頭5.33 m，凈水頭在額定水頭4.9 m，機組出力11.1 MW，導葉開度82.5%，槳葉開度（角度）56.0%（均以接力器行程百分比表示），機組各部位溫度正常。依據7月3日15:56：29現場錄制的6號機組頻譜圖進一步分析證明，轉輪室X，Y振動主要頻率為槳葉頻率4×（4倍頻），該現象多由轉輪協聯優化不良引起。

5 對評價分析判斷的進一步確認

燈泡貫流式機組的協聯關系直接影響到水輪機運行的效率和穩定性，由于生產制造、安裝等原因，往往造成機組協聯關系并非最優，帶來機組效率降低甚至導致機組穩定性變差[7]，解決該問題的唯一途徑是通過現場試驗重新調整機組協聯關系，找到機組最優運行的協聯曲線。為了找到轉輪室振動高頻分量處于C區的原因，根據廠家提供的水輪機協聯關系數據和曲線（見圖3和圖4），當機組在4.9m水頭下運行，出力在11.1MW時，導葉開度80.5%，槳葉開度50.0%，機組運行處于最優的協聯狀態，這與表7中實際反映的導葉開度82.5%和槳葉開度56.0%存在一定偏差，槳葉開度與最優協聯時相差較大，從而造成機組轉輪室振動處于不合格的C區。

圖3 6號機組協聯關系數據

圖4 6號機組協聯關系曲線

表7 6號水輪發電機組運行表

通過對該機組槳葉開度-轉輪室振動X關系表（見表8）的檢查，發現該運行工況與其它工況差別明顯，說明該工況下實際協聯關系不當，建議對6號機組協聯關系進行檢查，在各特征水頭段進行試驗，依據機組現狀重新優化協聯關系曲線，在保障機組效率的情況下，提高機組的穩定性。

表8 槳葉開度-轉輪室振動X關系表

6 結論

依據振擺通頻評價標準，通過引入振擺頻率分量，提出了一種基于振擺分頻的機組狀態評價方法，并用于新干電站機組的狀態評價，發現了新干6號機組狀態缺陷，得出協聯關系不良，需要重新調整的結論。該方法降低了振動分析的難度，易于現場人員掌握，可快速定位缺陷原因，為機組按狀態檢修提供量化依據，具有很強的實用性，可在狀態監測行業推廣和應用。