水电机组状态检修的研究（瞿明空,赖旭,盛旺）

时间：2022-02-21 15:15:51 浏览量：次

摘要: 对水电机组现有检修体制的不足进行了剖析，进而对水电机组的状态检修所涉及的主要问题进行了讨论，重点研究和分析了水电机组的状态监测和故障诊断，并结合实际情况，提出了实际实施过程中应注意的问题及相应对策。阐明作为水电机组检修的发展方向，实施状态检修势在必行。随着我国水力资源的逐步开发，大中型水电机组不断投产，使得大中型水电机组在整个电网中的比重越来越大，单机容量增加，年平均发电时间延长，检修时间缩短，一旦机组事故停机，造成的社会和经济损失极为严重。因此，水电机组的可用度和安全对电力系统稳定可靠运行和国民经济健康持续发展的作用和影响日渐突出，预防和消除故障，保证水电机组安全稳定运行具有十分重要的意义。

关键词: 检修体制;水电机组;状态检修;状态监测;故障诊断

中图分类号: T 文献标识码: A

在发电机组中，火电机组单机容量大，转速高，转子柔性较大，易产生失稳甚至灾难性事故，加之故障诊断特征较明显，故以状态监测和故障诊断为基础的状态检修发展较快。相比之下，以前，水电建设相对薄弱，水电机组多为小容量，转速较低，轴系刚度大，结构相对简单，而故障诊断又错综复杂，其状态检修发展相对滞后。但近10a来，随着我国水力资源的逐步开发，大中型水电机组不断投产，使得大中型水电机组在整个电网中的比重越来越大，单机容量增加，年平均发电时间延长，检修时间缩短，一旦机组事故停机，造成的社会和经济损失极为严重。因此，水电机组的可用度和安全对电力系统稳定可靠运行和国民经济健康持续发展的作用和影响日渐突出，预防和消除故障，保证水电机组安全稳定运行具有十分重要的意义。

1 目前水电机组的主要检修体制

建国以来，水电机组检修体制主要采用的是事故检修或计划检修。事故检修又称事后检修，是最早的检修体制，就是事先无检修计划，机组发生事故后才进行检修，此时事故已经发生，损失已造成。通常这种检修体制只适用于造价较低，事故停机带来的直接或间接损失不大的机组。

计划检修是按规定的检修周期进行检修。检修项目和检修周期是经过专家的分析和总结，并根据运行机组发生故障的时间间隔来制定，具有一定的科学依据。一般情况，大修间隔3～5a，小修间隔4～8个月，尽量安排在枯水季节，而在丰水季节多发电。计划检修主要是防止机组工况进一步恶化，不管机组运行好坏，到期必修，所以又称之为预防性检修［1］。当前我国水电机组主要采用这种检修体制。但是计划检修也存在许多弊端，主要表现在两个方面:①维修不足。机组由于各种原因在检修期未到时发生故障，但受到检修计划制约而得不到及时检修，带病运行，降低了机组运行的安全可靠性，有时故障的继续恶化造成维修代价和维修费用增大以及不必要的事故损失，甚至到发生严重事故后才抢修，扩大了经济损失。②维修过剩。对于运行状况较好的机组，实施了不必要的维修，带来不必要的大拆大装，它不仅减少了机组有效的发电时间，还造成了大量的人力、物力的浪费。而且伴随着机组的停役，机组的操作和运行方式变更频繁，发生误操作的概率增加，反而会给安全生产带来不利因素。随着电力市场的发展，实施厂网分开，竞价上网，为了提高水电行业的经济效益和市场竞争力，就应在保证机组安全运行的前提下，最大限度地延长检修周期，降低检修运行成本［2］。因此，计划检修方式已经不能满足现代化维修、运行、管理的要求，改变检修方式和检修理念，变计划检修为状态检修，是水电机组检修的必然发展趋势。

2 状态检修

水电机组的状态检修是以可靠准确的机组运行状态信号的监测、分析和诊断为基础，了解和把握机组运行的状态，其状态可能是正常状态，也可能是不正常状态，还包括各种故障状态，并以此为依据制定检修计划，科学合理地确定维修内容和过程，从而有针对性事先预知的维修［3］。状态检修可以根据机组的运行状况及运行要求，提前或推迟检修，增加或删减检修项目和内容，能在事故萌芽状态消除隐患，真正实现检修的目的并有巨大的经济效益。它不仅可以早期发现故障，避免事故的发生，还可以解决机组计划检修中检修不足和检修过度的问题，对提高水电机组安全可靠性和经济性具有重大意义。

水电机组状态检修是一种现代化的检修管理手段，根据水电机组运行状况，对比参照标准，来确定水电机组检修的时间、规模和方式等。实施水电机组的状态检修必须具备两个条件:①要获得水电机组运行状态的有关参数［4］（如主轴的摆度、轴承和机架的振动、轴承温度、蜗壳和尾水管的压力、发电机功率、接力器行程、发电机绝缘状况、气隙的动态变化、水轮机流量以及空化噪声和超声波等参数），故首先应做好水电机组的状态监测是状态检修的基础;②参照标准，判断水电机组是否需检修。即先对机组运行状态进行实时监测，然后对机组进行故障诊断和综合状态评估，从而决策机组是否需维修、何时维修、维修部件和部位，给水电机组检修提出建议。水电机组状态检修一般包括状态监测、分析诊断、预测判断、决策处理4个方面。水电机组状态检修一般有两种实施模式:①以工程技术人员为主的人工检修模式，它是基于水电机组状态监测和信号分析的检修模式，主要依靠工程技术人员来分析诊断和决策机组检修的项目、间隔、工期和工艺;②以智能系统为主的自动检修模式，它是基于水电机组状态检测和故障诊断的智能分析诊断和决策的检修模式，该模式以系统智能化为主，工程技术人员分析诊断和决策为辅。具体实施时，应根据水电站的实际情况，来选择技术路线，确定实施模式。

3 状态监测

由于水电机组的状态检修是通过掌握机组健康状况来确定检修的时机和项目，所以开展状态检修，应先做好状态监测工作。

3.1 监测点的选择与布置

水电机组监测点的选择与布置的合理性和准确性直接影响到采集的信息是否能真实反映机组的情况。监测点太多，不仅使状态监测复杂化，而且成本高;监测点太少则不能反映机组运行状态的真实情况，故监测点需合理选择与布置［5］。应在充分研究水电机组的各种可能故障模式的基础上，综合考虑诊断参量的特征提取和推理方便等因素，通过经济评估，找出最有代表性、最能准确捕捉运行机组状态的监测点和参量，以优化水电机组状态监测。

在监测点的选择和布置上要符合水电机组运行的4个特征，即水力特性、机械特性、设备结构特点和电气特性。应根据机组的水力特性，选择水轮机及其过流部件的最大压力及压力脉动处作为监测点;应根据机组的机械特性，同时考虑机组的水力和电气特性，合理准确地选择机组振动、摆度和间隙的测点位置;应根据设备结构特点、故障征兆和机组运行性能等，以及机组趋势和寿命，选择和布置测点;应根据机组的电气特性，合理准确地选择发电机相间故障、匝间故障、接地故障、气隙、绝缘和温度的监测点［6］。

值得注意的是，因为水电机组型号、水头、工况、转速和结构不同，监测点的选择和布置是有差异的，信号的采集频率也不相同。在机组监测点和布置上，应根据机组的具体情况，按照状态检修的要求，准确选择监测参数，合理布置测点，不应照搬其他机组的方案。

3.2 信号分析处理

通过监测水电机组运行设备在各种运行方式下的信号和状态参数的分析研究，来识别机组运行状态，获取和分析机组运行的特征信号，提取征兆，以便对机组运行设备和性能进行诊断、维护和管理。

水电机组的状态信号一般由周期信号、非周期信号和随机信号组成，其中低频信号是水电机组运行固有的特点。由于水电机组属于旋转机械，又有自己固有的特点。因此，进行信号分析时，既要考虑通用设备信号分析功能，也要考虑其独特的信号分析功能。例如可根据需要在常规的时域、幅值域、频域等信号分析功能上，增加机组轴系系统、过渡过程、发电机气隙、油膜厚度、温度趋势、线棒绝缘和润滑油质等信号分析功能。水电机组运行状态特征信号通常有振动、摆度、压力、温度、位移、电压和电流等能量形式，也有裂纹、烟雾和油质等物态形式。对于能量形式的特征信号，可以在时域中提取征兆，也可以在频域、幅值域或相位域中提取征兆。而对于物态形式的特征信号则可以通过物理或化学方法（如探伤分析和超谱分析等）提取征兆。征兆提取的方法有很多，常见的有主元征兆提取法、神经网络提取法、模糊优化处理提取法、小波分析提取法、最小误判概率提取法、离散K-L变换提取法等［7］。

值得注意的是，目前水电站配备的状态监测系统，有的是从石化、汽轮发电机组等高速旋转机械的检测设备演变而来或直接运用到水电机组，对低转速机组的低频信号处理和分析能力不足;有的监测往往集中在机组的振动、摆度，不能将影响机组运行稳定性的其他因素和空蚀等其他状态量集中在一个系统进行监测;有的在功能上仅限于参数通道名称，工况状态监测数值显示，报警等，缺乏特征信号的提取和辨识等功能，未反映运行机组设备的内在状态。

4 故障诊断

故障诊断是状态检修中最关键的环节，它是以机组的状态监测为基础，根据监测数据，提取反映机组运行状态的特征值，分析、判断机组是否存在故障，确定故障的原因、位置及性质，得出分析结论，指导维修。常见的故障诊断方法有故障树分析法、模糊理论、小波分析、专家系统、人工神经网络和混合智能诊断方法等［8］。从20世纪70年代初至今，故障诊断的研究从早期的偏重故障机理与诊断方法的研究发展到今天的故障诊断专家系统。故障诊断专家系统包括数据库、知识库和推理机等部分，它以数据库中的各类数据（如机组状态监测时、域频域数据、状态参数、设备安装、检修、运行、试验数据等）为故障诊断的主要依据，运用知识库中存储的大量知识和经验（如机组设备的标准、规程、导则和有关机组设备性能指标的规定，以及收集的国内外诸多专家分析判断机组设备故障的权威经验等），通过模拟人类专家的思维决策过程对信息进行推理和判断，给出相当于专家水平的结论。完备的数据库和灵活的数据库管理是进行有效诊断的前提，知识库和推理机构成了故障诊断专家系统的“智能单元”，知识库的知识水平决定了故障诊断专家系统的性能水平，而推理机则决定了诊断推理的效率及知识处理水平的高低。此外，建立故障诊断专家系统应遵循领域内广泛合作、诊断与推理分离、知识库可再开发、充分考虑个别工况及环境参量等影响因素的基本原则［9］。

值得注意的是，水电机组状态监测和故障诊断是水电机组状态检修的关键，也是实施状态检修的技术基础。而目前有的水电站投入运行的系统故障诊断和预测功能不强，诊断结果比较模糊，往往不能达到真正故障诊断的目的，在技术和功能上达不到状态检修的要求。在自动诊断状态检修模式中，也只是停留在咨询诊断阶段，真正准确、可靠的故障诊断专家系统还有待深入研究。

5 开展状态检修工作的建议

根据目前状态检修发展水平，对水电机组开展状态检修提出几点建议:

（1）实施水电机组的状态检修，是对现行维修管理体制的改革，需长期坚持，不断总结和完善。因此既要有长远规划目标，又要扎实稳妥地分段实施。应在充分总结机组运行和管理经验的基础上，统筹规划，分步实施。

（2）由于水电站的运行条件、机组类型以及在系统中作用的不同，在开展状态检修工作中，要结合实际情况，从实际出发考虑问题。

（3）做好水电机组技术资料管理工作，收集整理机组运行和检修试验的历史数据。充分利用各种水电机组大量的历史资料，不断分析总结，整理成状态检修所必需的参照标准，不失时机地开展状态检修工作。

（4）本着“可靠、实用、经济”的原则，合理配置状态监测和故障诊断设备。目前大多数水电站都安装了比较完善的计算机监控系统，应充分共享系统资源，利用系统所采集的数据，为状态监测和故障诊断提供所需的信息，减少状态监测系统的各种数据采集和处理元件的重复设置，降低造价，减少维护工作量。

6 结语

水电机组状态检修不仅是一个多技术学科的交叉运用，还涉及到一系列管理学科的问题。目前我国水电机组还没实现完全意义上的状态检修，处于起步阶段。因此，对状态检修的研究具有十分重大的现实意义。可以预见，水电机组状态检修这种现代化的检修体制必将在我国得到推广和应用，取得巨大的经济和社会效益。

参考文献:

［1］王忠强，孔德铭.水电厂优化检修与状态监测技术的探讨.水电能源科学，2006，24（2）.

［2］陈喜阳，张克危.水电机组状态检修决策系统.大电机技术，2004，（5）.

［3］陈喜阳，张克危，彭玉成.水电机组状态检修实现策略与框架设计.水电自动化与大坝监测，2004，28（2）.

［4］陈喜阳，张克危，彭玉成.水电机组在线监测系统实时数据智能存储策略.电力系统自动化，2004，28（7）.

［5］吴玉林，穆忠波，丁宁.水电机组状态监测与故障诊断系统.农村电气化，2004，（8）.

［6］瞿，赖旭，朱建林.网络化水电机组在线状态监测与故障诊断系统.仪器仪表学报，2006，27（1）.

［7］梁武科，张彦宁，罗兴.水电机组故障诊断系统信号特征的提取.大电机技术，2003，（4）.

［8］梁武科，赵道利.水电机组监测与诊断技术的现状及发展.水利水电技术，2003，34（4）.

［9］陈天宇.发电厂设备状态检修管理的探讨.水电能源科学，2006，24（3）.

作者简介: 瞿明空，男，长沙大学电子与通信工程系，教授。

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