CN113217257B - 一种检测水轮机水力不平衡故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种检测水轮机水力不平衡故障的方法，包括：1）通过计算机监控系统及机组在线监测系统，实时获取水导轴承n块轴瓦温度、水导轴承X、Y向摆度峰峰值，发电机运行设定值；2）计算温度最大值与设定值变化量ΔT；3）计算温度数据极差值Δt；4）温度数据离散度值V_s；5）计算X、Y向摆度峰峰值之差ΔS_峰‑峰；6）温度数据离散度变化系数K_v、水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰‑峰的变化系数K_s；7）故障判断；8）制定检查消缺计划、消除故障，保证水轮发电机组稳定、可靠运行，提升水轮发电机组的可利用小时数。

Description

一种检测水轮机水力不平衡故障的方法

技术领域

本发明涉及一种检测水轮机水力不平衡故障的方法，属于水轮发电机故障检测技术领域。

背景技术

水轮发电机组是以重力水流作为动力源带动水轮机转动，进而驱动发电机转动而向外输送电能的发电设备。水流作用于水轮机上时，将水能转换成机械能，通过水轮机的转轴带动发电机转子转动后，在发电机转子与定子之间产生旋转磁场后，通过磁场感应产生电流向外输送，从而将机械能转换成电能输出。由于水轮机为机械动力设备，其工作是否稳定直接影响整个水轮发电机组的正常运行，一旦出现工作不稳定，将直接造成水轮发电机组停运，甚至发生更严重的事故。影响水轮发电机组稳定运行，主要有以下三个方面：一是机轮机的水力不平衡；二是发电机的电磁力不平衡；三是机械不平衡。水轮机运行时的水力环境较为复杂，需要随时调整水轮机出力、保证发电机组的负荷正常。在水轮机出力调节过程中，如果调节设备异常或水轮机运行在不稳定工况下，会造成水轮机水利不平衡，发电机组振动摆度增大，造成水轮发电机组不稳定运行。当水轮机发生水力不平衡时会产生很大的能量，可由最近的水导轴承吸收这部分能量，这样就会引起水导轴承的轴瓦温度发生变化，同时水导轴承摆度也发生变化。当水导轴承的轴瓦温度和水导轴承摆度超过设定的安全限值时，发电机组将会非计划停运，造成电量损失，更严重的则会造成灾难性事故。也就是说保证水轮机的稳定运行非常重要，通过尽早的发现水轮机水力不平衡情况，及时调整水轮机出力，改变运行工况，就能保证水轮发电机组的安全稳定运行。因此，对水轮机水力不平衡故障进行检测显得尤为重要。现阶段，监视水轮机运行情况的方式主要有：1)值班人员通过水轮发电机组的计算机监控系统，查看是否有水导轴承相关的报警信息；2)在发电机组振动摆度在线监测系统中，查看各个导轴承摆度及顶盖振动等相关数据是否接近或达到报警值；3)值班人员定期到水轮机室现场检查运行是否有噪音、调节机构动作是否有异常情况等；4)发电机组检修过程中，检查水导轴承的轴瓦磨损情况。这些方式都不能提前获取，不能及时有效的发现水力不平衡情况，并做出干预措施，而只能事后被动地查出，从而制约着水轮发电机的正常行动。因此，有必要对现有监视监测技术加以改进。

发明内容

为能实时在线监视水力不平衡情况是否发生，避免水轮发电机组因水力不平衡引起机组非计划停运，本发明提供一种检测水轮机水力不平衡故障的方法。

本发明通过水导轴承轴瓦最大温度变化量和选取的其他几个指标的变化系数，来实时检测水轮机水力不平衡故障，以便及时提醒运行维护人员消除故障，避免故障扩大，保证水轮发电机组的运行可靠性、稳定性；对故障严重的，及时申请检修处理，缩短检修工期，保证发电机组检修质量，提高发电机组可利用小时数。

本发明通过下列技术方案实现：一种检测水轮机水力不平衡故障的方法，其特征在于包括下列步骤：

1)通过现有水轮发电机组计算机监控系统及在线监测系统，实时获取水导轴承n块轴瓦的温度数据及水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值；设定水轮发电机组正常运行情况下的：轴瓦温度最大值T₀、轴瓦温度最大值变化量ΔT、轴瓦温度极差值Δt、轴瓦温度离散度值V、轴瓦温度数据离散度变化系数K_v、水导轴承摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰、水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰的变化系数K_s；

2)计算步骤1)的温度数据中的最大温度值T_i与设定温度值T₀的变化量ΔT_i：ΔT_i＝T_i-T₀；

3)实时计算步骤1)的温度数据极差值Δt：

Δt＝Max(t₁,t₂,...,t_n)-Min(t₁,t₂,...,t_n)

式中，

t_n表示第n块轴瓦的温度；

Max(t₁,t₂,...,t_n)为取n块轴瓦温度的最大值；

Min(t₁,t₂,...,t_n)为取n块轴瓦温度的最小值；

4)计算步骤1)的温度数据离散度值V_s：V_si＝s，

其中：S为n块轴瓦温度标准差值：

为n块轴瓦温度平均值：

5)计算步骤1)的水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰：

ΔS_i＝|S_Xi-S_Yi|；

6)计算温度数据离散度变化系数K_v、水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰的变化系数K_s：

式中：V为设定的温度数据离散度值，V_si为步骤4)计算的离散度值；

式中：S为设定的水导轴承摆度峰峰值之差参考值，ΔS_i为步骤5)计算的摆度峰峰值之差；

7)根据步骤2)—步骤6)的计算结果，进行下列比对及故障判断：

当水导轴承轴瓦温度最大值变化量ΔT、水导轴承轴瓦温度极差值Δt、温度数据离散度的变化系数K_v、水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰的变化系数K_s均超过设定值，则检测出水轮机存在水力不平衡故障；

8)根据步骤7)的检测结果，制定检查或检修计划及处理措施，以消除水轮机水力不平衡故障，保障发电机组可靠稳定运行。

本发明的原理：当水轮发电机组运行过程中发生水力不平衡故障时，水轮机轴会发生偏移，致使水导轴承一侧的摩擦增大，导致水导轴承轴瓦的温度上升，另一侧水导轴承的轴瓦温度增幅较小甚至下降，即水导轴承轴瓦的温度极差增大，整个水导轴承轴瓦温度数据分布改变、离散度增大；同时水导轴承摆度会下降，其中X向和Y向两个方向的摆度峰峰值下降存在差异。综合上述情况基本可得出是水轮机水力不平衡故障。

本发明具有下列优点和效果：采用上述方案，不仅可实时检测水轮机水力不平衡故障，还能在水导轴承轴瓦温度和水导轴承摆度峰峰值上升到设定的安全停机值前，发现水力不平衡问题，及时采取对水轮机出力进行调整或者申请停机等措施，避免因故障扩大而造成事故停机，同时还可根据各个参数在运行期间的变化情况统计分析，优化发电机组的运行工况；在检修过程中，提高发水轮机出力调节设备的检修质量，保证水轮发电机组稳定、可靠运行，提升水轮发电机组的可利用小时数。

附图说明

图1为实施例1计算得到的温度变化量曲线图；

图2为实施例1计算得到的温度数据极差值曲线图；

图3为实施例1计算得到的温度数据离散度值曲线图；

图4为实施例1计算得到的水导轴承摆度峰峰值之差曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

以某电厂2020年7月1日8点至10点，6号水轮发电机组运行情况为例，进行实际检测，该电厂水导轴承的轴瓦有10块，该6号水轮发电机组正常运行情况下：

设定的轴瓦温度最大值T₀＝40℃；

设定的轴瓦温度最大值变化量ΔT≤2℃；

设定的轴瓦温度极差值Δt≤7℃；

设定的轴瓦温度离散度值V＝2.5；

设定的轴瓦温度数据离散度的变化系数K_v≤0.9

设定的水导轴承摆度峰峰之差参考值S＝10；

设定的水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰的变化系数K_s≤2；

具体检测水轮机水力不平衡故障的方法如下列步骤：

1)通过现有水轮发电机组计算机监控系统及在线监测系统，于2020年7月1日8点至10点这2个小时内，获取水导轴承10块轴瓦的温度数据见表1；水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值数据见表5；

表1水导轴承10块轴瓦在2个小时内的温度数据

2)计算步骤1)每个时刻的10块轴瓦温度数据中的最大温度值T_i与设定温度值T₀的变化量ΔT_i：ΔT_i＝T_i-T₀；结果见表2，并绘制出曲线图，如图1：

表2温度最大值T_i与设定温度值T₀的变化量ΔT_i

3)计算步骤1)的温度数据极差值Δt：

Δt＝Max(t₁,t₂,...,t_n)-Min(t₁,t₂,...,t_n)，

式中，t_n表示第n块轴瓦温度，

Max(t₁,t₂,...,t_n)为取10块轴瓦温度的最大值；

Min(t₁,t₂,...,t_n)为取10块轴瓦温度的最小值；

温度数据极差值Δt计算结果见表3，并绘制出曲线图，如图2：

表3水导轴承10块轴瓦温度数据极差值

4)计算步骤1)的温度数据离散度值V_si；

V_si＝s

其中：S为10块轴瓦温度标准差值：

为10块轴瓦温度平均值：

结果如表4，并绘制出曲线图，如图3：

表4水导轴承10块轴瓦温度数据的离散度值

5)计算步骤1)的水导轴承X、Y两个方向在2个小时内的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰：ΔS_i＝|S_Xi-S_Yi|；计算结果如表5，并绘制出曲线图，如图4；

表5水导轴承摆度在2小时内的摆度峰峰值之差

6)计算温度数据离散度变化系数K_v、水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰的变化系数K_s：

(V为设定的温度数据离散度值2.5，V_si为步骤4)计算的离散度值)；

(S为设定的水导轴承摆度峰峰值之差参考值10，ΔS_i为步骤5)计算的摆度峰峰值之差)；

计算结果如表6：

表6离散度变化系数K_v、摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰变化系数K_s

7)根据步骤2)—步骤6)的计算结果，进行下列比对及故障判断：

该6号机组水导轴承轴瓦温度最大值变化量ΔT自9点14分51秒起至9点59分51秒时，均大于设定的2℃，达到3℃以上，轴瓦温度极差值Δt在9点起至9点59分51秒时，均大于设定的7℃，达到11℃以上，温度数据离散度的变化系数K_v自9点起到9点59分51秒时，均大于设定的0.9，达到1.17，水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰的变化系数K_s自9点起到9点59分51秒时，均大于设定的2，达到3.88，且在持续增长一段时间后稳定下来，检测出6号发电机组的水轮机水力不平衡故障；

8)根据步骤7)的检测结果，运行人员对6号机组的水轮机运行开展详细检查，发现6号机组水轮机机室振动声音较大,经过维护专业巡检时发现6号机组第5号导叶双联臂断裂分开，随即申请机组退出运行，并对双联臂进行更换处理。事后分析：5号双联臂活动导叶侧叉头销与拐臂轴套之间摩擦力过大，使双联臂连杆螺栓在运行过程中受到较大弯曲力，5号导叶与其他导叶在调节时存在差异，在长时间运行后最终双联臂断裂，造成机组出现水力不平衡故障。

检修后，重新启动6号发电机组运行，并在带额定负荷下正常运行5个小时后，按步骤1)—7)重新对该6号发电机组水轮机水力不平衡是否正常进行了检测、计算，结果如表7-12；

表7水导轴承10块轴瓦在消缺维护后的部分温度数据：

表8检修后对应时刻的10块轴瓦温度最大值T_i与设定温度值T₀的变化量ΔT_i：

表9检修后对应时刻的10块水导轴承轴瓦温度的极差值：

表10检修后对应时刻的10块水导轴承轴瓦温度数据的离散度值：

表11检修后对应时刻的水导轴承摆度峰峰值数据及计算结果：

表12检修后对应时刻的离散度变化系数、摆渡峰峰值之差变化系数：

即水导轴承轴瓦温度最大值变化量ΔT、水导轴承轴瓦温度极差值Δt、温度数据离散度的变化系数K_v、水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰的变化系数K_s均没有超过下列设定值：

设定的轴瓦温度最大值T₀＝40℃；

设定的轴瓦温度最大值变化量ΔT≤2℃；

设定的轴瓦温度极差值Δt≤7℃；

设定的轴瓦温度离散度值V＝2.5；

设定的轴瓦温度数据离散度的变化系数K_v≤0.9

设定的水导轴承摆度峰峰之差参考值S＝10；

设定的水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰的变化系数K_s≤2；

因此，检测出该6号发电机组水轮机不存在水力不平衡故障，即检修后消除了6号发电机组水轮机水力不平衡故障，保持发电机组政正常、稳定运行。从而证明本发明方法有效、快速、准确。

Claims (1)

1.一种检测水轮机水力不平衡故障的方法，其特征在于包括下列步骤：

1)通过现有水轮发电机组计算机监控系统及在线监测系统，实时获取水导轴承n块轴瓦的温度数据及水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值；设定水轮发电机组正常运行情况下的：轴瓦温度最大值T_设、轴瓦温度最大值变化量ΔT_设、轴瓦温度极差值Δt_设、轴瓦温度离散度值V_设、轴瓦温度数据离散度变化系数K_v-设、水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰-设、水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰-设的变化系数K_s-设；

2)计算步骤1)中实时获取水导轴承n块轴瓦的温度数据中的最大温度值T与设定的轴瓦温度最大值T_设的变化量ΔT：

ΔT＝T-T_设；

3)计算步骤1)中实时获取水导轴承n块轴瓦的温度数据极差值Δt：

Δt＝Max(t₁,t₂,...,t_n)-Min(t₁,t₂,...,t_n)，

式中，t_n表示第n块轴瓦的温度，

Max(t₁,t₂,...,t_n)为取n块轴瓦温度的最大值，

Min(t₁,t₂,...,t_n)为取n块轴瓦温度的最小值；

4)计算步骤1)中实时获取水导轴承n块轴瓦的温度数据离散度值V_si：

V_si＝S_n，

其中：S_n为n块轴瓦温度标准差值：

为n块轴瓦温度平均值：

5)计算步骤1)中水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰：

ΔS_峰-峰＝|S_X峰-峰-S_Y峰-峰|；

6)计算步骤4)中温度数据离散度值V_si的变化系数K_v、步骤5)中水导轴承X、Y两个方向的摆度峰峰值之差ΔS_峰-峰的变化系数K_s：

7)根据步骤2)—步骤6)的计算结果，进行下列比对及故障判断：

当ΔT、Δt、K_v、K_s分别超过ΔT_设、Δt_设、K_v-设、K_s-设时，则检测出水轮机存在水力不平衡故障；

8)根据步骤7)的检测结果，制定检查或检修计划及处理措施，以消除水轮机水力不平衡故障，保障发电机组可靠稳定运行。

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