水轮发电机组振动故障诊断与识别

水轮发电机组振动故障诊断与识别

赵刚

贵州黔能企业有限责任公司 561200

摘要：影响水轮发电机组正常运行的因素有很多，其中振动故障是最常见最主要的影响因素之一，机组的振动故障问题未及时发现或解决将严重影响到机组的运行寿命，因此，对引起水轮发电机组振动故障的原因进行查找和识别至关重要。本文在对水轮发电机组振动特性进行概述的基础上，研究分析了水轮发电机组振动故障的原因，以为识别与诊断机组振动故障提供一定的参考与指导。

关键词：水轮发电机组；振动故障；诊断；识别

引言

水电是清洁能源，可再生、无污染、运行费用低，同时便于进行电力调峰，有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益。与火电站不同，水电站是用水位差，把水从高水位放入低水位，在水流经过当中安装发电机组，水把发电机组叶轮带动发电机，发出来的电通过升压变压器升至电网相同的电压，然后并网。因此，作为水电站重要的组成部分，水轮发电机组的正常运行对发挥水电站的作用至关重要，随着科学技术的不断发展，水轮机发电机组的运行监测和维护水平不断得以了提高，随着人们日益重视水电站安全运行工作，在对水轮发电机组的管理方面正日趋完善，但考虑到机组运行环境及人为等因素影响，往往无法做到有效监测，一旦发生振动故障，难免影响到水轮发电机组的正常发电运行，进而降低水电站运行的经济效益，因此，进一步研究分析水轮发电机组的故障诊断具有非常重要的现实意义。

1. 水轮发电机组振动特性

水力发电系统结构复杂，其中图1为水电站运行原理图，从图中可以看出，水轮发电机组是水电站重要的核心设备，结构庞大，作为将机械能转换为电能的部件，其运行机理复杂，在运行的过程中伴随着水力作用、机械作用及电磁作用振动影响[1]，这三者也是水轮发电机组产生振动最主要的三种因素。其中，水力作用产生的振动是指流体进入设备做功过程中受水力不平衡作用、卡门涡旋、压力脉动及密封间隙及气蚀作用等因素的影响形成的振动，该类振动具有类转频频率和涡带频率两种频率特性；机械作用产生的振动是指水轮机组受轴线对中不良，旋转部件质量不平衡及轴承缺陷等因素的影响产生的惯性力、摩擦力而形成的振动，该类振动具有转频及其整数倍频两种频率特性；而定子铁心松动将会导致机组内部产生电磁作用振动，其频率特性包括极频及其整数倍频两种。因此，在水轮发电机组内部，受各种振动因素影响，振动故障问题的产生与解决较为复杂，需要对其进行深层次的研究。

图1 水电站运行原理图

2. 水轮发电机组振动故障的识别与诊断

在具体的实际工作中，水电厂都安装有相应的检测装置[2]，以获取机组运行过程中的状态量，图2所示为水轮发电机组的状态监测和诊断系统结构示意图，从图中可以看出，得出的数据和结果最终会传输到分析站进行结果分析。而机组振动故障的识别与诊断可在水轮发电机组的状态监测和诊断系统的辅助下通过振动试验、振动频率及振动部位进一步分析得出。

图2 水轮发电机组的状态监测和诊断系统结构图

2.1由振动试验识别振动原因

利用振动试验可对水轮发电机组振动原因进行诊断与识别，通常采用的振动试验包括：负荷试验、补气试验、励磁试验及转速试验等，具体情况为：

（1）当仅在某一负荷区运行时振动表现强烈，则振动原因与尾水管中产生的偏心涡带相关。

（2）当尾水管补气前后机组振动发生较为明显的变化，则振动原因与尾水管中产生的偏心涡带相关。

（3）当励磁电流增大振幅随之而增大时，则机组振动的原因与多是因不平衡磁拉力引起的。

（4）当机组在0.6-1.0的额定转速范围内运行时，振幅变化受转速的影响较小，而机组的转动频率与振动频率大致相等时，则可认为机组振动的原因与轴线不同轴、轴承间隙调整不合格相关，若振幅随转速的增加而增大，而机组的转动频率与振动频率大致相等时，则可认为机组振动的原因与转动部件的动/静不平衡力有关[3]。

2.2以振动频率分析振动原因

水轮发电机组振动的原因可从振动频率中进行诊断识别，通常采取的仪器为测振仪。通过测量、记录振动频率，并根据频谱来分析振动频率与机组频率、转速频率及发电机频率的关系，对水轮发电机组振动的原因进行有效识别和诊断[4]。一般来说，机组转动部分质量不平衡等因素造成的振动，通常频谱表现为振动频率与机组频率接近；定子铁芯松动导致的振动，通常频谱表现为振动频率等于发电机频率的二倍关系。

2.3由振动部位判别振动原因

在实际的工作生产过程中，人们根据过往经验知悉，机组的振动部位也能够作为判别振动原因的依据。当发电机零部件缺陷或发生故障及机组中心发生偏移、机组轴线不同心时，则水轮发电机组上机架处将出现较为明显的振动[5]；当转轮处产生卡门涡旋时，水轮机蜗壳中将会产生较大的压力脉动，此时压力钢管处将出现较为明显的振动。

3. 结论与展望

水轮发电机组作为水电站的重要生产设备，肩负着发电和电网调峰调频的重要使命，其因此维护水轮机发电机组的安全稳定运行意义重大，研究水轮发电机组振动故障诊断与识别，对实现提高机组振动故障问题诊断识别的准确性，保障水轮机发电机组保持正常的运行状态具有非常重要的作用。在对机组进行振动故障诊断时，提高工作人员的业务水平也至关重要，学习了解先进诊断技术，与此同时要与实际情况相结合，合理选择应用诊断识别方法，以有效解决水轮发电机组的振动故障问题，促进我国水电行业的良性发展。

参考文献

[1]胡雷鸣. 轴流式水轮发电机组振动信号分析与故障诊断[D].华北水利水电大学,2020.

[2]孟繁欣,王振羽,王树新,王长营,韩四保,华应强.水轮发电机组振动故障诊断技术综述[J].科学技术创新,2019(34):191-192.

[3]高国勇. 水轮发电机组无线振动监测与故障诊断系统设计[D].武汉理工大学,2018.

[4]冉恒. 水轮发电机组振动故障诊断关键技术研究与应用[D].重庆大学,2017.

[5]孟繁欣,宋明钰,王树新,寇鸣礼,王振羽,索春英.水轮发电机组智能故障诊断技术综述[J].科学技术创新,2019(31):59-60.