基于大数据的水轮发电机组运行振动分析

2021-03-12邱志勤

水力发电 2021年12期

邱志勤

(雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都 610051)

0 引言

水轮发电机组是水电站的关键设备之一，其稳定运行是水电站安全运行的基础，也直接关系到电网的安全运行，决定着水电厂的经济效益和社会效益。二滩水电站单机容量大、调节性能好、机组运行效率高，是川渝电网的主力电站，承担系统的调频、调峰、调压、断面潮流控制及事故备用的任务。为满足系统的调频、调压和调峰工作需要，电网需要二滩水电站机组频繁变动出力以参与系统调节，这对二滩水电站机组的运行可靠性、调节速率与响应时间等都提出了更高的要求，也必然会加剧机组的机械疲劳和磨损老化，另外水轮发电机组在运行中，还难免要受到泥沙磨损、气蚀破坏等影响，客观上需要电站生产运行人员能深入了解机组的运行振动特性，准确掌握机组的运行状态，有效评估设备健康水平，从而科学的进行运行调控和检修决策，避免对机组状态掌握不足而导致的设备事故。

分析评估水轮发电机组运行状态，可以从其运行振动和摆度数据着手，掌握和评估其运行振动水平，及时发现设备潜在缺陷和隐患，实时调整机组运行方式或及时安排机组检修，防范于未然。

1 大数据分析方法的必要性

1.1 常规分析方式的运用

2003年，二滩电厂委托华中科技大学对二滩水电站机组振动课题做了专题研究，其研究成果揭示了二滩水电站机组运行的相关特性，对机组的运行状态分析有一定的指导意义。其研究方法为采集机组不同负荷工况下的机组振动分析参量的稳态运行数据，然后在二维平面里将不同的振动分析参量连点成线，绘制机组振动参量随机组负荷的变化趋势曲线，进而分析了机组的运行状态[1-3]。这种研究方法由于数据具有离散性，只采集和分析了一部分的机组运行数据，且部分变量的采集数据值还有可能存在漂移偏差，仅能在一定程度上反映机组运行振动趋势，并不能反映机组在不同水头、不同负荷等多个变量下的完整运行特性。为全面分析机组在不同变量环境下的运行振动状态，需要对机组不同时段、不同水头、不同出力条件下的运行数据进行海量采集，尽最大可能从统计学上消除因明显的机组故障和测量方式方法引起的数据偏差，避免导致的对机组振摆数据分析误判的影响[4-5]。

1.2 机组稳定性问题凸显和工况变化

二滩水电站机组最大水头189 m，最小水头 135 m，变幅比1.37，具有典型水头高、变幅大的特点。由于机组频繁参与电网调峰调频，有功出力大幅变化且调节频繁，导致机组经常性偏离最优工况运行，其稳定性问题相对突出。经统计，仅2016年，二滩水电站机组出现振动频繁报警的缺陷就有32例，电站自投产以来一共开展过12次机组A级检修，历年检修原因统计见表1。经分析，主要在于偏离机组最优运行工况后，导致机组汽蚀磨损，设备老化加剧。另外，水轮发电机组进行了多次检修调整和设备改造过后，机组原有的运行特性或可能已发生变化，尤其是机组运行诊断区间或已发生偏移，为进一步掌握机组的运行特性，有效指导电站机组生产运行工作，有必要对机组的历史运行振动数据进行统计、分析和归纳总结。

表1 历年二滩水电站机组A级检修统计

2 R语言数据分析平台的运用

2.1 R语言的介绍

二滩水电站机组振动运行数据庞大，且数据格式不完全一致，需要按一定的规律对振动数据进行筛选或运算，用传统的数据处理方法不仅费时费力，也难以达到预期效果，但借助R语言数据分析平台可快速绘制所需的图形。

R语言是用于统计分析、绘图的语言和操作环境。R语言作为统计计算和统计制图的优秀工具，能处理数据的收集、运算、探索、建模、可视化方面的工作；以能创建漂亮优雅的图形而闻名，已经成了统计、预测分析和数据可视化的全球通用语言，也是现今最受欢迎的数据分析和可视化平台之一[6]，其主要的特性有：

(1)R语言可以轻松地从各种类型的数据源导入数据，包括文本文件、数据库管理系统、统计软件，乃至专用的数据库，并将这些数据进行筛选和批量运算。

(2)R语言是一个全面的统计研究平台，提供了各式各样的数据分析技术，几乎任何类型的数据分析工作皆可在R语言中完成。

(3)R语言拥有顶尖水准的制图功能，可以将复杂数据可视化。

2.2 数据处理和振动趋势拟合

提取二滩水电站计算机监控系统历史数据库中2015年7月～2017年8月的各机组运行振动数据，共计23.2万余个CSV的文本格式文件，数据容量高达26 GB，约8 160万个数据点。将每台机组的水头、功率、机组各部位的振动和摆度数据按时刻点做成一个R语言可以输入的文件。将数据文件导入R语言平台，并对所有数据进行筛选，剔除掉机组运行明显异常的数据，有效避免对运行特性分析的影响。

二滩水电站共有6台混流式水轮发电机组，每台机组的负荷区间为0～550 MW，运行水头区间为147～186 m，为更详细的分析机组运行振动情况，将机组水头按2 m左右分为一段，共分为15段，分别绘制机组水导、上导、下导、上机架、下机架、顶盖等部位在各水头段下的全负荷工况下的运行振动工况图，共绘制990张图，其中每一台机组165张，然后对这些图像进行逐一解析，可总结出其运行振动规律。以1、2号机组为例，绘制典型水头水导摆度与机组有功功率之间的数据趋势图如图1、2所示。

图1 1号机水导+X方向摆度与机组有功功率关系(选取177 m水头)

图2 2号机水导+X方向摆度与有功功率关系(选取151 m水头)

3 机组运行振动特性分析

借助R语言平台，可以将机组运行历史数据绘制成开展设备运行状态分析所需要的数据趋势图，便于电站生产运行人员对机组运行特性进行分析，例如从图1中，不难发现1号机组水导摆度在设计振动区间外呈现出的运行规律为，在低负荷工况下水导摆度随有功增加而增加，在大负荷工况下水导摆度随有功增加而减小，在机组设计针对区边缘附近时水导摆度幅值最大，且机组实际运行振动区边界较为清晰，具备以海量实际运行数据为基础，复核并修正机组设计振动区间的可行性。

3.1 机组振动区边缘运行特性分析

3.1.1 运行分析

研究发现，在部分水头下，机组运行在振动区以外的边缘区域时，如小负荷运行区靠上限区域、大负荷运行区靠下限区域，表现出机组振动、摆度偏大的情况，且6台机组表现出一致的特点，如图1、2所示。

机组长时间运行在振动区边沿且振动值较大时，会引起磁拉力不均衡，造成转子磁极匝间短路，引起机组连接部件松动、脱落，发生设备损坏事故，以及金属部件的疲劳，从而出现裂纹，甚至形成裂缝直至断裂等故障。

现有振动区划分方式和AGC分配负荷逻辑会导致机组长时间运行在振动区边缘。经数据统计，二滩水电站机组运行在振动区边沿的时间约占机组并网运行时间的14%。

3.1.2 解决办法

GB/T 11348.5—2008《旋转机械转轴径向振动的测量和评定第5部分：水力发电厂和泵站机组》中将机组振摆值分为A、B、C、D共4个区间，所有振摆值都在A区范围内的机组称为A区机组，以此类推。即通过A、B、C、D来评价机组的振动状态。根据国标评价标准将机组运行状态分为4个区域分别为：A区，机组运行状态良好，属于精品机组，不需要检修调整，可以长期稳定运行；B区，机组运行状态合格，可以进行检修调整，机组可长期运行；C区，机组运行状态不好，报警，需要进行检修调整，在该状态下机组不可以长期运行；D区，危险，机组不可以长期运行，必须停机进行检修，在该状态下运行有很大危险。

水轮机组振动的测量和评定区域示意如图3所示。

图3 机组振动区域评价示意

根据图3可知，二滩水电站机组振动值在150 μm以下为A区，属于精品运行区域。为防止机组运行进入B区，可以结合大数据分析找出机组运行在B区的点，通过对各机组的振动区进行微调，使机组长期运行在A区范围内，以优化机组运行工况。

3.2 机组振动异常评估策略

从振动幅值上来看三导轴承摆度幅值呈现如下规律：

(1)在小负荷区和大负荷区运行时，三导轴承的振摆关系，下导>水导>上导；

(2)在涡带工况区水导的振动值最大，三导轴承的振摆关系，水导≫下导>上导；

(3)振动幅值规律为三导轴承、顶盖、机架的振动幅值随水头增加而增加。

结合对机组各部振动特征量运行数据的总结，归纳出机组在小负荷区、涡带工况区、大负荷区的振动幅值范围见表2，可以作为运行监视过程中对机组异常或振动测量元器件是否损坏的判断依据。

表2 稳态运行工况下各部振动幅值 μm

3.3 机组振动运转规律分析及运行建议

通过R语言平台，可突破传统的二维平面分析局限，将机组运行水头、机组出力、振动摆度幅值等多个变量纳入到三维空间内，绘制出机组运行振动特性三维空间图，便于电厂生产运行人员综合分析各机组各水头下全负荷运行特性，图4和图5分别为1号机组水导和顶盖全水头、全负荷工况下的振动特性三维图示例。

图4 1号机水导全水头全负荷振动特性三维示意

图5 1号机组顶盖全水头全负荷振动特性三维示意

通过对不同机组不同变量下三维运行特性图的分析，可以深度挖掘水轮发电机组的运行规律和运行特性，也能发现一些设备潜在缺陷和隐患，更好的为电厂生产运行提供技术支持。通过对二滩水电站不同机组运行数据分析[7-10]，得出以下结论：

(1)一般情况下，二滩水电站机组在小负荷工况运行时，其振摆值大于大负荷运行工况，二滩水电站机组更适合运行在高负荷区。

(2)二滩水电站机组存在两个振动峰值区。第一个在机组的最强涡带振动区210～280 MW负荷区间；第二个位于机组在高水头运行370～400 MW负荷区间。在这两个负荷区间，机组均有点位的振动值或摆度值达到峰值，在手动调整机组负荷跨越振动区时，应尽量避免机组在这两个区间停留较长时间。另外，建议进一步研究监控系统AGC负荷分配规则，考虑将此负荷调整逻辑加入监控系统AGC程序，研究加快该负荷区域内有功调节速率。

(3)机组在低水头下，运行在100 MW负荷情况下，各点位均出现振动值增大的情况，呈现“小负荷振动区”特性。虽然在此运行工况下机组振摆值均在规定范围内，为使机组运行情况更加良好，分配机组负荷时，建议尽量规避此工况。

(4)1号机组的上导、下导和水导摆度值均偏大，6号机下导摆度值偏大，明显大于其他机组，排除传感器缺陷后，需要结合年度检修工作对机组进行检查处理。