1、1水电站水轮机运行设备状态检修分析摘要：水轮机是水电机组极为关键的设备，其健康状态将会直接影响整个水电机组的运行状态。本文主要分析了水轮机运行设备状态检修的概念、意义、过程、支持系统和发展方向。 关键词：水轮机；状态检修 中图分类号：TK73 文献标识码：A 文章编号： 电力能源已成为当今各国经济发展的最重要的制约因素，提高能源利用效率，保护生态环境，不断开发利用新的能源形式，将成为未来电力工业新的发展方向。 “大力发展水电，优化发展火电，适当发展核电，积极发展新能源”是目前的电力发展政策。水电是公认的最环保、可重复开发利用的绿色环保能源，目前我国电力紧缺的局面必将使得我国水电事业迅速发展。随
2、着水电设备逐步朝着大型化、高水头方向发展，其结构也越来越复杂，自动化控制程度也越来越高，各子系统间的关系也越来越密切，对机组的安全性、可靠性与经济性提出了更高的要求，开展更为先进的、多方位的水轮机的状态检修技术研究已迫在眉睫。 1 水轮机运行设备状态检修概述 水轮机是集水、机、油、电、汽于一体的复杂的庞大的非线性动力系统，是水电机组极为关键的设备，其健康状态将会直接影响整个水电2机组的运行状态，且已经成为一般水电厂大修周期的决定性因素。早期的水轮机检修体制基本上是事后检修方式（Breakdown Maintenance） ，该方式是在水轮机发生故障后再进行拆检或更换零部件，检修成本较大。随着流
3、程化工业的推广，开始逐步推行定期预防检修（Preventive Maintenance） ，该方式以可靠性为中心制定水轮机的检修周期，但该方法无法解决“维修不足”和“维修过剩”二者之间的矛盾。近年来，随着振动与声测试理论和技术、信号分析与处理技术、计算机技术等发展，出现了更为科学的按水轮机运行状态进行检修的方式，即状态检修（ConditionBased Maintenance） ，又称为预知检修（Predictive Maintenance） 。检修的策略是定期地对水轮机状态进行监测，依据监测的结果决定是否对水轮机进行检修。这种检修方式不仅可以发现早期故障，避免恶性事故的发生，还可从根本上解决
4、定期检修中“维修不足”和“维修过剩”的矛盾，但它的前提条件是要对水轮机的运行状态有非常准确的了解。 轮机能量、空化空蚀、振动与稳定性并为水轮机的三大状态监测指标，能量特性关系到对水能的利用程度，空化空蚀关系到机组的效率和使用寿命，而振动与稳定性关系到机组能否安全正常运行。水轮机的大部分关键组件如轮叶、导叶以及转轮体出现的故障现象一般有：叶片松动、裂纹、断裂、空化空蚀以及泥沙磨损等，其中空化空蚀是水轮机运行过程中不可避免的破坏现象，其发生在很大的程度上与水轮机长期偏离其设计工况运行有关。水轮机运行在密闭的蜗壳内，空化空蚀现象不易被直接观察和监测，但其引起的机组振动加强、噪声强度变大、机组3功率波
5、动幅度增强等异常特征现象十分明显，尤为振动和噪声特征最为明显，因此水轮机空化空蚀的测试方法以振动法和噪声法为主。 2 水轮机状态检修过程 水轮机的状态检修与故障诊断技术的实质是了解和掌握水轮机在运行过程中的状态，评价、预测水轮机的可靠性，早期发现故障，并对其故障原因、部位、危险程度等进行识别，预报故障的发展趋势，针对具体情况作出检修决策。因此水轮机状态检修与故障诊断技术实际上包含水轮机状态识别及其发展趋势的预测两个方面的内容，具体过程分为：信号测取、特征提取、状态识别和状态分析，见图 1.1 所示。 图 1.1 水轮机状态监测与故障诊断的过程 特征提取直接关系到故障诊断的确诊率和故障早期预报的
6、可靠性，为保证特征值准确提取，借助于对非平稳、非高斯信号的现代信号处理研究理论，对信号的深度加工中获取更多的特征信息。非平稳信号处理的主要方法是时频分析，包含线性和非线性两种形式，线性时频分析主要包括小波变换、短时 Fourier 变换、Gabor 展开等，是目前机电设备状态检修与故障诊断分析技术的研究热点；而非线性时频分析应用最广泛的是二次双线性时频分布，包括 Cohen 分布、Wigner-Ville 分布、谱图、尺度图等。 3 水轮机状态检修的支持系统 实施水轮机状态检修与故障诊断需要三大支持系统，即设备状态评价和诊断系统、运行检修决策系统和设备综合管理系统。由于监测、诊4断、状态评价技
7、术的不断进步，对于设备状态评价和诊断系统而言，水轮机监测诊断项目可以不断扩大，功能会逐渐增多，实际上是一个“系统群” 。水轮机不同的监测诊断系统是在同一个标准下集成，可以共享资源和数据，因此，该系统是一广义的技术系统。而运行检修决策系统和设备综合管理系统属于基础性的管理系统，必须要与各种不同的诊断技术和系统接口，提供先进的决策模型和管理功能。从投入的观点来看，运行检修决策系统和设备综合管理系统的建立的起点和基础较高，要充分利用目前发电厂已经具备的信息管理资源，使一次性建设投入后，再发生的费用很少，而设备状态评价和诊断系统作为技术层面的支持，而不是一次大投入能全面考虑的，要从最需要的部分开始，逐
8、步投入、逐步补充。所以，水轮机状态检修投入的重点将发生在监测与诊断技术和监测系统部分，但是必须要在有基础管理系统之后，才能发挥应有的作用。 水轮机状态评估和诊断系统 作为水轮机组状态检修的技术支持，状态评价和诊断技术包括在线和离线监测诊断、可靠性分析、寿命与安全评价等，系统则包括大型在线监测诊断系统，其作用是对水轮机设备的运行状态、运行参数进行监测和分析，并得出故障诊断和预测结论。 2）运行维修决策系统 运行维修决策系统帮助管理人员根据诊断结果进行检修时间、方式的选择，对检修费用、效益进行评估，提供检修决策支持，把监测诊断系统和维修管理系统连接起来。由于决策中的许多不确定性因素的影响，5自学习
9、是运行维修决策系统的重要功能。 3）水轮机设备综合管理系统 设备综合管理系统实现对水轮机设备的动、静态管理和检修过程管理，它包括设备数据综合管理、缺陷管理、检修工作立项、人力物力需求管理、检修费用管理、检修进展过程跟踪管理、检修效果评定和工程验收、以及跟踪检修过程中设备状态的变更等。 4 水轮机状态检修的发展方向 水轮机状态检修与故障诊断技术目前已成为一门独立的跨学科的综合信息处理技术，与当代前沿科学的融合是其发展方向，发展趋势是传感器精密化、智能化、多维化，诊断理论和诊断模型的多元化以及诊断技术的智能化，主要表现在以下几个方面： （1）与当代最新传感器技术，尤其是与智能传感器技术的融合：状态
10、检修与诊断技术的发展急需智能传感器和多功能传感器的出现，微电子机械系统（MEMS）技术的发展和实用化使得微型传感器的设计和制造成为可能，如果将来研制出能“走入”水轮机内部来监测零部件运转和损坏情况的微机器人传感器，必将为水轮机状态检修和故障诊断技术带来一场革命。 （2）与最新信号处理理论和方法融合，更为准确提取状态特征值； （3）与非线性方法和原理的融合：水轮机在发生故障时，其动力学行为会表现出更为复杂的非线性，基于非线性行为的故障诊断方法使状态技术与故障诊断技术得以完善。 （4）与多传感器信息技术的融合。多传感器信息融合技术和故障诊6断技术相结合的诊断技术可以消除不同监测与故障诊断方法的矛盾
11、和不协调性，为解决大型水轮机复杂系统的故障诊断问题提供了新的方法和手段。 （5）与智能分析与诊断方法的融合。设备运行状态的智能监测和故障诊断是水轮机状态检修与故障诊断发展的最新目标，水轮机远程分布式智能诊断系统将是发展趋势。 5 结语 水轮发电机组由计划检修向状态检修的转化，是国内外设备检修的发展趋势，是可行和势在必行的。其不但能提高机组的可靠性，而且提高了电网的安全性，克服了定期维修的盲目性，减少检修费用，最大限度地扩展了检修周期，提高了设备的等效可利用率。 参考文献： 1白诚礼，李小弘.程平民.对水电站水轮机调速器的调试与维护研究J.供电局出版社，2010,(06) 2陆平庆.程小川.李小赖.水电站水轮机调速器的日常维护工作J.山东大学出版社，2011,(07) 3李小平，张国龙.王小红.水电站水轮机调速器的调试与维护浅析J.电站信息平台，2011,(01)
