振动诊断在水轮机故障诊断与失效分析中的应用

何理瑞

(浙江水利水电学院 工程实验实训中心，浙江 杭州 310018)

水轮机是水电站运行的核心设备，其工作状态是否稳定对整个电站发电系统的安全运行保障具有很大的影响，若设备出现重大安全事故往往会造成巨大的经济损失.有资料表明，水电机组所发生的70%～80%的故障都能通过水电机组的振动反映出来.振动故障预测和诊断是保障水轮机安全运行的有效技术手段之一.对水轮机振动故障诊断技术及失效分析的研究，具有很大的实际意义，有利于推动设备维护和状态检修工作的正常开展.水轮机振动故障诊断与失效分析研究，及时、正确地对水轮机各种异常状态或故障状态作出诊断，预防或消除故障，提高机械运行的可靠性、安全性和有效性，将水轮机故障的损失降低到最低水平.保证水轮机发挥最大的工作能力，制定合理的检修制度，延长水轮机服役期限和使用寿命，降低其全寿命周期费用.

1 振动诊断的应用优势

利用振动信息进行故障诊断，一般是出于以下考虑：

(1)振动是机械运行过程中出现的必然现象，只要机械设备开动就有振动信号产生，而故障信息包含于振动信号之中；

(2)易于实现在线诊断和监控；

(3)大部分机械内部异常时，会导致振动量的增加以及振动频率成分或振动形态的改变；

(4)不同的故障是由于机械故障所施加的激励不同而引起的.因而产生的振动会具有各自的特点；

(5)测试手段、方法、理论相对比较成熟.

2 水轮机常见振动故障特点

水轮机振动与其他机器设备一样，在运转中的振动是普遍存在的、不可能安全避免和消除的现象.根据引起振动的诱发原因，水轮机振动故障特点主要表现为：

(1)水轮机振动故障的渐变性.水轮机转速与其他旋转机械的转速相比明显较低，水轮机振动故障的发展一般属于渐变性、耗损性故障.同时也为故障诊断和趋势分析，捕捉事故征兆，早期预警带来便捷.

(2)水轮机振动故障的复杂多样性.水轮机是一个涉及机械和水力的复杂系统.在运行过程中除了机械因素外还有水力因素的影响，可能是某一个因素引起的单一振动，也可能是几种因素共同作用的耦合振动，振动机理相对复杂.

(3)水轮机振动故障的特殊性.整个水电站的设计、施工受地理位置、地质状况和经济技术等多方面的影响.导致了不同于一般振动故障的特性.

3 水轮机振动故障诊断

3.1 建立故障诊断专家系统

振动故障诊断的“专家系统”是指在计算机控制的振动在线监测、特征分析和振动专家经验的基础上，应用人工智能方法实现振动故障的一种自动诊断系统.它通常是水轮机振动在线监测和故障诊断系统的一个组成部分(见图1).

图1 专家系统的构成

3.2 振动故障的识别

通常当水轮机运行状态出现异常时，必然会反映到振动水平的改变或异常，特别是在振动频率上表现得最为明显.为了掌握故障征兆参数与故障原因之间的对应关系，建立故障样本数据库.对异常振动原因进行分析和推断.运用频谱分析方法，国内外有关专家对遇到的大量实际故障进行分类统计，按照征兆对应的故障发生频率建立了用于故障诊断的征兆频率表(见表1).

3.3 故障的振动部位判别

振动幅值的大小是反映故障发生严重程度的一种度量.大量的工程实践表明，当发生振动故障时，总会在水轮机的某个部位检测到超过允许值的振动.

(1)若在水导轴承处的振动比其他部位更明显时，可能是蜗壳、导叶及转轮中的水力不平衡所引起的振动.

(2)若因转轮叶片出水连线型差异、叶片尾部形成卡门涡列、尾水管中产生偏心涡带等引起的振动，则在压力钢管、尾水管顶板均可测得明显振动，蜗壳中会出现较大水压波动.

因此，根据振动部位的不同，也可在一定程度上判断振动故障原因.当水轮机发生振动故障时，总会在某个(或某些)部位产生较大的振动，即振动部位反映与振动故障有着一定的对应关系(见表2).

表1 水轮机振动故障频谱特征表

注：表中f0为转子工作频率.

表2 水轮机振动故障幅值特征表

4 建立水轮机状态监测检修系统

对于水轮机来说振动引起的各种故障或事故成为其检修的主要原因.状态监测是对水轮机运行状况和现存性能指标以及安全程度，失效分析的综合描述.它是对水轮机整体或主要部件的各种性能指标定量或定性的反映，通过先进的监测分析工具和方法，对水轮机的运行状况进行监测、记录与分析，采用在线或离线故障诊断系统，对机组现存状态作出科学评估、趋势预测和失效分析.

水轮机状态监测检修工作主要由五个环节组成：水轮机→状态监测→诊断分析并判断决策→检修管理→检修评估，并形成有机的闭环系统(见图2).对水轮机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，从而判定是否需要维修、何时维修、维修部件和部位，并给出状态检修建议，为检修计划、失效与否提供依据.

图2 水轮机状态检修系统结构

5 结 语

随着信息技术和数学方法的发展，尤其是智能化专家系统、模糊理论、灰色理论、遗传理论和神经网络技术等新兴方法的建立与逐步成熟，计算机技术的有力支持，振动诊断在水轮机故障诊断与失效分析中的应用越来广泛，应用振动故障诊断与处理技术，已成功地解决了水轮机运行中的大许多振动问题，在保证设备、企业安全运行方面发挥了重要作用.深入进行振动故障诊断与失效分析的研究和探讨，努力将新技术转化为物化系统并应用于生活实际，具有重要理论研究意义和实际工程价值.

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