基于大数据的水轮发电机组振动区修复

邱志勤

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川省成都市 610051）

0 引言

在水电站自动发电控制（AGC）中，振动区一直是困扰水电机组调节较为突出的问题。从整个水电站来看，振动的原因主要为电站机组容量较大，系统负荷变化频繁，致使机组水头波动且变幅较大，水流在转轮叶片头部产生脱流、空化和不稳定的涡流而引发振动，转轮出口处产生涡带引起尾水管内的水压脉动[1-2]。水轮发电机组偏离设计工作区域，进入振动区运行时，不但会使得机组振动和摆度增大，机械部件磨损增加，导水机构和转动部件寿命缩短，甚至会造成机组机械部分和厂房的损坏[3]。李家峡水电站曾由于机组长期运行在强振区，多次发生转轮叶片开裂和定子铁芯脱落事故，严重影响该电站的安全运行[4-5]；俄罗斯萨扬—舒申斯克水电站也曾因一台发电机组在进入不推荐运行工作区域时，机组剧烈振动导致密封螺栓和密封板撕裂，造成抬机，导致全站机组受损[6]。

动态规划法[7]、遗传算法[8]和基于遥测信息的动态振动区建模[9]等方法能有效保证水电站处于稳定运行区中运行，但这些方法均建立在精确的振动区上。而机组稳定性试验[10]和负荷瀑布图[11]能快速发现特殊振动区，但由于试验数据较少，无法避免单一运行时空下的偶然性，很难精确评估机组振动区。为了进一步评估水轮机机组运行振动区，避免机组进入振动区运行和确保水轮发电机具有较高的运行可靠性，有必要对机组振动区进行进一步研究。

1 现状分析

1.1 当前振动区设定

二滩水电站机组最大水头为189m，最小水头为135m，变幅比为1.37，具有典型水头高、变幅大的特点。为了提高机组的运行稳定性，避免有害振动，根据二滩水电站在2001～2006年间的稳定性试验，界定了各机组各水头下的强、弱涡带工况区的分界点，在运转特性曲线图上先粗画出运行区域，再综合各信号的三维图及各项标准进行校正，最后做出了机组运转特性曲线图，如图1所示。图中显示了机组不宜长期运行的低效率工况区、不宜运行的强涡带工况区、不宜长期运行的弱涡带工况区、稳定运行区。

图1 二滩电站1号机组振动区测试结果Figure 1 Vibration zone test results of No.1 hydraulic turbine generator unit of Ertan Hydropower Station

鉴于二滩水电站尾水管涡带对机组运行稳定性的影响较大，机组应避开强涡带工况区运行，综合各机组稳定性试验数据，划定了统一的AGC中机组振动区定值，如表1所示。

表1 AGC机组振动区定值Table 1 AGC unit vibration zone setting

1.2 存在的问题

通过长时间运行发现，在部分水头下，机组运行在振动区边缘（振动区上边缘或下边缘）时，存在振动幅值有增大的趋势，部分部位振动增大现象较为明显，而且机组在振动区边缘运行时间相对较长。经统计，2011年10月至2012年9月机组振动区边缘运行时间占机组并网运行时间的13.05%，各机组运行在振动区边缘的时间如表2所示。

表2 机组运行在振动区边缘时间Table 2 Time of unit operation at the edge of vibration zone

1.3 振动区边缘运行原因分析

二滩水电站机组运行在振动区边缘时间较长与其AGC负荷分配原则有关。AGC负荷分配时，负荷在投入联合控制的机组间进行分配，分配原则如下[12]：

（1）机组不能运行在振动区。

（2）避免机组频繁跨越振动区。

（3）机组负荷不能频繁移动。

（4）优化效率。

从分配原则可知，在全站增负荷时，AGC优先将负荷分配给运行在振动区以下的低负荷机组，将其负荷增至振动区下边缘；在全站减负荷时，AGC优先减运行在振动区以上的高负荷机组的负荷，将其负荷减至振动区上边缘。这种AGC负荷分配逻辑能最大程度保证机组运行效率和避免机组频繁跨越振动区。

Design and Verification of Path Following Controller for USV …

2 大数据分析方法

对于机组在振动区边缘运行时工况较差的问题，其原因可能是机组振动区划存在偏差，机组进入了涡带区运行。由于机组稳定性试验数据采集量不够多，从统计学角度看，对单一个体一次采样其采样率太低，且无法避免单一运行时空下的偶然性，以及数值采集漂移等问题。为使得振动区划分更精确，对各机组、各时间负段、各水头、各荷的数据大量采集，可以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导致的对振摆数据误判的影响[13-14]。

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将非常费时，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，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[15]，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，并将这写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

提取计算机监控系统存档数据库中2015年7月至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8160万个数据点。将每台机组的水头、功率、机组各部位的振摆数据、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。

二滩水电站实际运行最多水头区间为147～186 m，为更详细地分析机组振动区边缘运行的情况，将水头每2m分为一段，共分为15段，分别描绘机组水导、上导、下导、上机架、下机架、顶盖等部位在各水头下全负荷运行振动图，共990张，每一台机组165张。机组运行振动图如图2、图3所示，其中，X轴代表机组负荷，Y轴代表振摆值。

图2 1号机组有功功率与水导摆度+X关系（177m水头）Figure 2 Relationship between active power of unit 1 and hydraulic guide swing + X （177m head）

图3 2号机组有功功率与水导摆度+X关系（151m水头）Figure 3 Relationship between the active power of unit 2 and the runout + X （151m head）

3 机组振动区修复

利用R语言平台，通过分析机组运行振动图，发现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，的确表现出机组振动、摆度偏大的情况，且6台机组表现出一致的特点，如图2、图3所示。机组长时间运行在振动区边缘且振动值较大时，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；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，故有必要对机组振动区进一步优化。

3.1 振动区修复依据

3.1.1 依据国家标准

国家标准《旋转机械转轴径向振动测量和评定 第5部分：水力发电厂和泵站机组》（GB/T 11348.5—2008）中将机组振摆值分为A、B、C、D 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。根据国家标准评价标准将机组运行状态分为4个区域分别为：

A区：良好，测量值＜A；机组运行状态很好属于精品机组，不需要检修调整，可以长期稳定运行。B区：合格，A＜测量值＜B；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：报警，B＜测量值＜C；机组运行状态不好，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，测量值＞C。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。

图4给出了在测量平面上机组振动区域评价图，X轴为最大工作转速，r/min；Y轴为转轴相对振动位移峰—峰值Sp-p.um。

二滩水电站安装有6台混流式水轮发电机组，水轮机型号为HLF497-LJ-625.7，发电机型号为AT1-W-42P-612000，机组额定转速为142.9r/min，根据图4可知，二滩水电站机组振摆值在150μm以下为A区，属于精品运行区域。为防止机组运行进入B区，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。

图4 机组振动区域评价图Figure 4 Unit vibration area evaluation diagram

3.1.2 依据运行振动图

结合3.1.1分析和R语言绘制的运行振动图综合分析，对二滩水电站机组在稳定运行工况下（开机后2h，机组负荷在500～550MW区间段）各部振动特征量进行分析总结，归纳出机组在小负荷区、涡带运行区、大负荷区的上导、下导、水导轴承，水轮机顶盖，发电机机架等部位的振动幅值范围见表3，作为机组振动区修复依据。

表3 稳态运行工况下各部振动幅值表Table 3 Table of vibration amplitude of each part under steady-state operating conditions

3.2 机组新振动区

结合表3中机组各部位涡带工况区的振动值和摆度值，对比各水头运行振动图，对机组各部振动和摆度超过标准的情况下对应的机组运行水头和机组运行负荷点定义为机组振动超标点，并对振动超标点进行过滤（剔除）后得出新的机组新振动区，表4为各机组振动区修复表，其他水头的振动区定值采用原定值。

表4 机组振动区修复Table 4 Repair of unit vibration area

4 结束语

运用R语言对机组运行振动数据地分析和挖掘，归纳机组在各个负荷区综合运行状态，总结出稳态运行工况下各部振动幅值表；以此为依据，判定机组在各水头振动区边缘运行工况优劣，快速识别机组振动超标点，并对机组振动区做了精确修复，避免了机组长期处于不稳定工况运行，大大提升了机组运行的可靠性和保证了电网运行的安全性。水轮发电机组的振动区的界定比较复杂，直观判断和简单的测试手段很难精确划分机组振动区，而运用R语言对机组运行振动数据分析和挖掘，无疑是一个有效探索机组运行振动区方法。