振动诊断在水轮发电机组故障诊断与失效分析中的应用研究

[摘 要]振动故障诊断与失效分析在保障水轮发电机组正常安全运行的过程中发挥着至关重要的作用。本文将从水轮发电机组振动故障的主要特点出发，加快构建故障诊断专家系统，并对振动故障进行识别，判断出具体的故障部位，并建立水轮发电机组状态监测检修系统，及时掌握水轮发电机组状态信息，在故障诊断和状态评估的基础上，做出是否需要维修的判定，从而及时采取有效措施，保障水轮发电机组运行正常，确保水电站供应区内工业与居民用电。

[关键词]振动诊断；水轮发电机组故障；失效分析

中图分类号：TV734.1；TV738 文献耸堵耄A 文章编号：1009-914X（2017）09-0339-02

作为水电站运行设备的核心，水轮发电机组工作运行状态是否正常稳定直接关系到整个水电站发电系统的运行安全能否得到有效保障。一旦水轮发电机组重要设备运行过程中出现重大安全事故时，不仅会导致供电区域断电，同时也会造成巨大的经济损失。据有关资料显示，70%-80%的水电机组故障和问题都能够从水电机组振动中得以反映。当前，振动故障预测与诊断已经成为保证水轮发电机组运行安全的重要手段之一，因此，研究水轮发电机组故障诊断与失效分析，具有重要意义，能够有效提高水电设备维护与状态检修水平。通过水轮发电机组振动故障诊断与失效分析研究，能够更加准确地诊断出水轮发电机组的异常状态或故障问题，及时预防与排除故障，保证机械运行安全可靠，从而尽可能地降低因水轮发电机组发生故障而导致的损失，确保水轮发电机组设备的工作能力得到充分发挥，通过合理制定检修制度，能够使水轮发电机组服役期限得到有效延长，并有效降低全寿命周期维护保养费用。

1 振动诊断的优越性分析

通过水轮发电机组发出的振动信息进行故障诊断，主要是基于以下几点考虑：第一，在机械运行的过程中，不可避免地就会出现振动，换言之，只需要启动机械设备，让其处于运行状态，就会产生振动信号，而振动信号往往就蕴含着故障信息。第二，振动信息能够进行在线诊断与监控。第三，绝大多数的机械设备内部出现异常，会明显增加振动量，同时还导致振动形态和振动频率发生一定变化。第四，机械设备所产生的不同故障往往是因为机械故障对机械设备所施加的激励存在一定差异，正因为如此，导致存在不同故障设备的振动存在各自的特点，为检修人员判别创造条件。第五，利用振动信息诊断机械设备这种做法无论是在理论、测试手段，还是在方法上都已经比较成熟，应用上存在较强的可行性。

2 水轮发电机组振动故障诊断

2.1 构建完善的故障诊断专家系统

这里所提到的水轮发电机组故障诊断专家系统指的是通过计算机控制技术对水轮发电机组振动进行在线监测，根据振动所表现出的特征进行分析，结合振动专家多年诊断经验，并借助于人工智能方法对水轮发电机组振动故障进行自动智能化诊断的一种诊断系统。这个系统是水轮发电机组振动在线监测与诊断的重要组成部分，具体见图1。

2.2 水轮发电机组振动故障特点

水轮发电机组故障具有复杂多样性的特点，对于水轮发电机组而言，它是同时涉及电磁力、水力和机械的庞杂系统体系，在正常运行过程中，不仅仅要考虑水力因素的影响，还要兼顾电磁力、机械因素等对振动的影响，既有可能是某单个因素所导致的振动，也有可能是多个因素共同作用的结果，可以说振动机理存在较大的复杂性，增加故障诊断的难度。

2.3 振动故障的识别

一旦水轮发电机组运行状态产生异常，往往就会导致振动水平发生改变和异常，主要表现在振动频率。为了寻求故障原因与故障征兆参数之间的内在关联，需要针对故障样本建立一个数据库，分析和推断水轮发电机组出现异常振动的原因，并通过运用频谱分析方法进行分析。目前，为了方便诊断故障，相关专业和学者通过对各种现实振动故障进行分类统计，并结合征兆对应的故障发生频率状况建立了比较完善的特征频率表。

2.4 故障的振动部位判别

为了对故障发生的严重程度进行量化，一般采用振动幅值的大小来度量。大量实践已经表明，当水轮发电机组振动出现故障时，在水轮发电机组某个部位所检测得到的振动值，往往会远远超出允许值。基于该理论，如果水轮发电机组水导轴承出振动幅度比其他部位振动更剧烈，则可能是因为转轮、导叶或者蜗壳处所受水力不平衡，导致产生振动，同时会出现相应的特征频率、频谱。如果水轮发电机组压力钢管或者尾水管顶板处振动异常，蜗壳中水压波动剧烈，则说明转轮叶片出水连线型可能出现异常，尾水管出现偏心涡带。因此，在实际工程中，可以根据振动部位的不同判断出出现振动故障的原因，一旦水轮发电机组出现振动故障，就会在其某个或多个部位出现振动异常，并且这种振动故障与振动部位往往存在一定关联。

3 水轮发电机组振动故障诊断应用案例分析

导致水轮发电机组振动的原因有多种且比较复杂，在实际诊断过程中，并非只有单一的振动故障，更多地是多个故障相互交织在一起，并且各种故障现象又存在交叉现场，大大增加了现场诊断工作的难度。要想及时排除机组振动，首先要依靠故障监测诊断系统对水轮发电机组振动有一个比较准确的判断，但是要想准确抓住振动故障的内在原因，不仅依靠扎实的振动故障诊断原因的理论分析，还应对机组特性做到了然于胸。下面就两个笔者实践工作中所遇到的故障诊断案例进行分析：

3.1 转子质量不平衡

某电厂1号机组额定容量50MW，额定水头256m，额定转速500r/min，机组结构为半伞-混流式。（图2，图3，表1）

分析结论：质量不平衡对机组上机架水平振动的影响约为70μm，对机组下机架水平振动的影响约为130μm，说明机组存在较大的质量不平衡，有必要对机组进行配重；配重位置转子中心体下端面，配重方位（失重角）为由键相块位置逆时针转动267°。

3.2 磁拉力不水平衡

某电厂3号机组额定容量240MW，额定水头60m，额定转速68.2r/min，机组结构为半伞-混流式。（图4，表2）

分析结论：对定子机架振动影响最大的是2X、3X、4X，主要是由转子不圆造成的，建议对转子不圆度进行调整。

3.3 水力不水平衡

某电厂额定容量25MW，额定转速68.2r/min，额定水头6.8米，机组结构为贯流式。（图5）

分析评价：转轮室振动处于危险级别，从瀑布图可以看出，主要存在4X的叶片频率，并且随着负荷的增大而增大，表明机组协联关系不好。

4 结束语

综上所述，近年来信息技术获得了快速发展，各种新兴的方法，如灰色理论、智能化专家系统、神经网络技术等也日渐成熟，对于振动诊断而言，在获得计算机技术的支持后，在水轮发电机组故障诊断和失效分析中得到了更加广泛的应用，并且有效解决了多起水轮发电机组振动问题，使水轮发电机组设备运行更加安全可靠，有效避免了经济损失。因此，我们有必要对振动故障诊断和失效分析进行深入分析和研究，并努力将新技术运用到实践之中，这不仅具有重要的理论研究价值，在实际工程领域具有重要意义。

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