大渡河流域水电机组故障诊断与检修策略研究

王恩重，冯治国

(国电大渡河流域水电开发有限公司检修安装分公司，四川乐山614900)

1 概述

水力发电机组状态监测与故障诊断研究的主要内容就是完善流域各电站机组现有的在线状态监测系统，增加气隙、局放、空化空蚀以及一次设备的状态监测，利用计算机技术对来自多个传感器的信息按一定的准则加以自动分析并进行综合的数据处理。通过故障诊断专家系统，以及一系列的推理，快速的找到最终故障源或最有可能的故障，根据状态检修信息数据库，对设备是否需要进行维修，什么时候进行维修，维修哪些项目等做出决策，提出维修报告，提交给电站技术管理人员。

2 大渡河流域各电站现状

2.1 大渡河流域各电站机组状态监测系统建设情况

大渡河流域已投产的瀑布沟水电站、龚嘴水电站下厂、铜街子水电站均采用奥技异公司生产的PSTA2003状态监测系统，深溪沟电站采用的是华科同安生产的TN8000状态监测系统，已投运设备均布置了目前行业领域较为成熟的相关技术，同时对一些还不太成熟的监测技术进行了一定的探索。

目前大渡河流域各电站安装的状态监测系统均可以实现以下功能:实时监测功能、报警预警功能、现地手工试验功能及虚拟试验功能、现地数据分析功能、系统维护及数据管理功能、数据通讯和系统集成功能、事故追忆功能、事件日志、数据输出功能;集控中心运行调度人员可以通过安装在现场的系统与现地的监控系统进行通信，并利用现有的监控通道传送到流域公司集控中心的网络链路，获取相关信息，实现以下功能:查看振动值、摆度值、压力脉动值等，以及远程报警、预警功能;机组在运行中出现振动、摆度、压力脉动等监测量超标或其他故障时，系统能发出报警及停机信号，对机组实施保护停机。

2.2 大渡河流域各电站状态监测系统存在的主要问题

虽然状态监测系统的投入运行在机组的稳定性监测方面起到了一定的作用，但在故障诊断方面基本上处于初级阶段。总体而言，大渡河流域水电机组状态监测与故障诊断技术的研究及应用状况还存在以下几个问题:

(1)虽然监测系统的监测范围取得了一定的扩展，从过去单一的振动、摆度监测发展到现在的包括振动、摆度、压力、温度、噪声等多项目的监测，但在气隙与磁场强度、局放、油气在线监测方面还没有完全设置到位。

(2)虽然水轮发电机组稳定性监测基本成熟，且目前所使用的传感器大部分为进口，但设备精度和稳定性仍不高。

(3)状态监测系统目前还仅仅具有在线的状态监测和分析功能，尚不具备较好的故障诊断能力。在状态监测的行业中，专家系统技术和神经网络技术仍是水轮发电机组故障诊断技术研究的热点，但多年还停留在方法的汇合、算法的改进上，始终未能成功地生产出具有工程性的使用产品。

(4)目前大渡河流域还未能形成一个区域性多机组的监测、诊断、管理、维修一体化的网络系统。现有水电机组监测系统的分析功能还不够强大;虽然个别电站采用专家系统技术提供了初级故障诊断功能，但缺乏来自故障机理的、深层次的理论和技术支持，且缺少大量宝贵的现场实际诊断经验，与工程实际应用存在较大差距，状态检修功能基本空白。

2.3 造成以上问题的主要原因

(1)水轮机系统的状态监测。

低频振动监测技术存在较大困难。由于传统惯性式低频振动传感器输出信号信噪比低的固有缺陷，使得低频振动测量在负荷变化时还存在测量不准确的问题;测量压力脉动通常采用压力传感器，所选用的压力传感器需要具有良好的动态特性，但目前使用的压力传感器的安装存在较大的问题，需经过很长的取压管路后安装，导致压力脉动有所衰减或管路共振，给测量带来较大的误差，动态特性也很难满足要求。

在状态监测方面，目前使用的水轮机空化、泥沙磨损、水轮机主要部件的应力与裂纹监测技术尚属空白，大渡河流域各电站机组均未安装相关监测仪器。空化空蚀振动属高频振动，振动源不好判断，位置不好确定，同时没有特别明显的频段能够确定是否存在空化及其严重程度;由于水轮机结构的问题，空化监测设备的安装固定也非常困难。目前国内对空化监测的研究很少，没有比较成熟的产品可以直接应用。近年来，也有个别电站利用超声波和加速度传感器对空化监测进行了试探性的研究，但技术还不成熟，监测数据误差大，参考价值不大。

(2)发电机系统的状态监测。

目前，国内外发电机空气气隙与磁场强度、绝缘与局部放电参数的监测仅有相关的研究，国内也仅有局部电站应用，但该监测技术及应用还相对落后。目前，深溪沟电站所采用的华科同安TN8000状态监测系统也引入了气隙监测，但监测结果与实际手动通过塞尺测量的结果误差较大，测量结果的实际应用意义不大。如何根据气隙监测数据进行气隙偏心诊断，判定问题磁极位置，发现发电机潜在故障还无法实现，仍需要更深层次地进行研究。

目前发电机局部放电技术的测量因受到外部电磁干扰的影响而不能取得很好的效果，只能作为在其检修工作的参考，包括三峡电站使用的国外的监测技术，在其应用过程中发现该系统对泄露电流的监测必须通过经验丰富的专业技术人员对采集的波形型态进行分析后才能确定设备局放的状态，系统分析功能较弱，对分析人员的经验要求非常高。国内相关行业领域对大型发电机转子温度的直接测试手段尚在研究中，目前还没有成功应用的先例。

(3)轴承系统及辅助系统状态监测。

轴承监测系统中的重点和难点是推力轴承监测。目前，在大渡河流域已投产的两厂四站均未能实现对推力轴承的状态监测。根据推力轴承的运行特性及故障特征，通常测量的参数为:推力轴承润滑参数，即轴瓦的油膜厚度、油膜压力、油膜温度、瓦体温度及轴瓦的摩擦系数等。如此多的监测参数，测点数量相当多，测点布置繁杂，而且测量精度不高，仅凭经验选择埋设位置误差较大，因此其具体应用尚需做进一步的研究，无成熟的经验可供借鉴。

目前，主变最关键的监测系统是油色谱在线监测系统。该系统的核心是气相色谱仪，其可以监测多种可燃气体和油温、水分等。目前，除龚嘴电站外，其余电站均安装了该系统，但在实际应用过程中发现，在线监测量与离线监测量比较，两者存在较大的偏差，测量数据直接应用于实际的意义不大，只能作为一种参考数据。

2.4 水电机组故障诊断技术现状

国内在水电机组故障诊断技术方面的研究起步较晚，20世纪70年代才开始研究测试诊断技术，20世纪90年代才开始进行智能化故障诊断的研究工作，研究方法集中在模糊逻辑法、故障树分析法、专家系统技术、人工神经网络技术等，许多监测诊断技术也开始投入使用，但大都集中在汽轮机以及其他旋转机械设备的监测与故障诊断，而针对水电机组的应用却很少。

目前，不管是在大渡河流域的两厂四站，还是在国内的其他电站，状态监测系统仅具有可靠的数据存储管理和分析功能，没有达到在线自动诊断的功能目标，不能向运行人员和生产管理人员提供有效的诊断结果，远远不能满足水电站状态检修的实际需要，主要原因如下:

(1)缺乏来自故障机理深层次的理论和技术支持。如水力机械的振动故障复杂，除了考虑机械方面的原因外，尚需考虑流体、动压力及发电机电磁力的影响，且某些故障机理及特征表现形式还没有很好的被研究透彻，如泥沙磨损与空化等，进而增加了故障诊断的难度。

(2)缺乏将大量宝贵的现场实际诊断经验有效地融入诊断的推理系统。由于故障诊断是一项实践性极强的技术，研究人员必须与从事现场实际诊断的工程技术人员相结合并与具有丰富知识的专家一起建立尽可能接近实际的规则，并将推理机制与实际诊断的思维方法、诊断信息相结合，才能建立接近人工诊断的推理系统机制。但多数研究人员缺乏对现场实际诊断过程和特点的了解。

(3)数据分析中，不管是时域分析还是频域分析，以及时频域分析对机组在升降速过程中的振动信号分析均是离散分析，不能实现较好的连续性，所有的分析值均为相对值，分析结果的精度较差。

(4)故障诊断中最常用的为专家系统及神经网络识别系统。而专家系统知识获取困难，大部分专家系统知识需要人工移植且处理复杂问题时间长、容错能力差;神经网络也仅适合一些规模较小的问题，系统性能受训练样本的限制且无法向用户提出必要的询问、提供解释和指导。神经网络与专家系统在工程应用方面还未达到人们期望的水平。

3 关键问题

3.1 故障行为征兆的自动获取困难

故障行为征兆的自动获取是所有智能化诊断系统所必须解决的首要问题。目前，对于故障征兆中的数值型征兆可以直接通过传感器的信息自动获取，但存在传感器精度不高，某些数据获取困难甚至某些数据目前尚无法通过传感器获得的问题。对于语义型和图形征兆，自动获取的难度相当大，大部分目前还不能自动获取，必须依靠人工来完成。

3.2 故障自动诊断策略的制定困难

故障诊断系统除了能判别已有故障外，还必须能够自动识别和分类新出现的故障，并根据该故障所表现出的征兆自动产生一个新的诊断模块用于以后诊断该类故障。但目前还无法识别并分类新出现的故障，尤其是同时新出现多个故障时如何分类是其最大的困难。

3.3 诊断系统自学习的实现困难

机械故障本质上是动态的，即随着机组运行时间的加长，故障严重程度发生改变，或者机组大修前后安装条件的不同，都会导致同样的故障所表现出的征兆存在差异，因此，诊断系统必须具备自学习功能才能适应机组不断的状态变化。目前大渡河流域各电站，包括国内外行业领域均不能实现。

3.4 行为预测困难

机组运行是一个动态的非线性过程。对于这样一个过程，建立一个模型进行分析、诊断，必须能反应动态行为特征。目前所采用的预测均为非线性的或是离散的分析，最新提出的动态神经网络以及基于DNN的建模和预报方法都还仅仅是一种理念，没有很好的应用理论和工程应用作支撑。

4 检修策略

目前我国水电厂的维修制度是在引用原苏联水电厂维修制度的基础上建立并形成的、具有中国特点的定期保养和修理制度，并在不断修改补充，2002年形成的《发电厂检修规程》SD230－87仍是我国各水电厂设备维修的基本法规。该规程主要是以“预防为主、计划检修”和“到期必修、修必修好”为主要方针。大渡河流域的龚、铜两站机组检修和改造工作也基本上按照该项规程和主要方针进行机组的年度检修工作。

2010年，大渡河公司提出了“精益运维、精益检修”的理念。“精益运维”和“精益检修”就是利用先进的管理手段或方法，建立可靠的设备管理、技术管理系统，通过相应的定性、定量管理，对设备维护、检修生产等进行事前的预控，从而提高设备健康水平，提升安全管理水平，保证职工安全和设备健康。“精益检修”的目的是从事中、事后控制延伸到事前。在实际的操作层面，围绕“安全管理、技术管理、设备管理、运维管理”4个方面，立足“预防、预控”和“可控、在控”两预两控，深化“闭环管理、对标管理、风险管理、经营管理”4个管理，把握“抓住重点、解决难点、控制风险点、掌控关键点”4个要点，着力抓好“机制建设、制度建设、体系建设、标准建设”4个建设，开展“定时、定人、定量、定性”四定分析，最终实现“作业零违章、设备零缺陷、人身零伤亡、安全零事故”四零目标。

5 结语

水电设备的状态检修是运用综合性的技术手段对水电机组进行监测和诊断，是一种新兴技术和一个多学科交叉的系统工程。由于受传感器技术、监测仪器等诸多技术发展的限制，一些诸如低频振动、空化空蚀和转子温度的在线监测等技术还未实现，由于缺乏一套行之有效的故障推理机理和故障案例库，致使机组故障诊断基本上还停留在人工诊断阶段，对状态检修的研究还处于起步阶段。

目前，现有的技术手段还不足以应付发电机组所有设备的状态监测要求，也不适合推广应用于大渡河流域各电站机组的检修中。从国外实施状态检修的经验看，国外电厂参与状态检修的设备主要还是一些辅助设备。对于机组大修的间隔仍取决于主要检修项目的要求和检修技术水平。经过研究和实践，目前电力行业普遍认可的发电设备检修应是一种综合或复合的检修方式，这和大渡河公司提出的“精益检修”是统一的。