（电力系统及其自动化专业论文）水轮机故障智能诊断及振动数字化预测研究.pdf

华南理工大学博士学位论文 为水电机组状态检修提供依据。 第二部分是基于c f d 技术的水轮机空化与水力振动预测研究。 ( 1 1 对某大型中比转速混流式水轮机的小流量工况、最优工况和大流量工况 三种典型工况点进行了全流道稳定场数值解析，研究水流在过流部件中的流动特 性，对转轮进出口压力脉动进行研究，并对转轮叶片空蚀原因进行了深入分析。 ( 2 ) 在偏工况下，混流式水轮机转轮会产生一个偏心的漩涡出流，使得尾水 管弯管上部的中心位置出现低能流，进而产生一个死水域。在死水域中心存在低 速反向流动，死水域外侧的旋涡流具有很大的动能，在死水域的表面诱发产生一 个螺旋状涡带，涡带缠绕在死水域表面，并与之一起在尾水管主轴方向作伸缩运 动。当二者伸缩的时间尺度不同时，涡带的螺距、偏心距的规律性被打破，导致 不规则的压力脉动。本文联合固导、活导、转轮及尾水管进行了将近9 0 秒钟的非 定常计算，成功再现了上述死水域与涡带运动，预测到了尾水管内的不规则压力 脉动，并对压力脉动进行了频率、相位分析。这些仿真结果为预测机组运行状况， 提供有力的技术平台。 第三部分是水轮机状态监测与诊断系统的开发与完善。 针对国内某水轮机自投入运行以来，特别是在小流量工况时，机组振动情况 较严重这一问题，本文开发了一水电机组状态监测与诊断系统。该系统以计算机 局域网为基础，以振动监测为主要目的，由数据采集硬件、服务器振动诊断软件 与客户端软件三部分组成。系统安装调试后，对典型工况下的尾水管涡带引起的 振动故障进行了诊断分析。结果证明，系统能诊断常见故障的原因及部位，提高 电站自动化运行水平。最后本文将数字仿真结果充实到诊断系统的知识库中，用 以完善监测诊断系统，为开发新一代故障诊断系统指明了方向。 关键词：水轮机；小波包：故障诊断；数字预测；不规则压力脉动 1 i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw a t e r - p o w e re n 舀n e e r i n g ，t h ec a p a c i t yo ft u r b i n eh a s s t e p p e du p u n e x p e c t e df h u l ta n ds h u t d o w nm a yr e s u l ti nag r e a ta c c i d e n ta n dg e ta h i g hp e n a l t yi nl o s to u t p u tc o s t f a u l td i a g n o s i sa n dv i b r a t i o np r e d i c t i o nc a na v o i d h a f m f u l ，s o m e t i m e sd e v a s t a t i v e ，c o n s e q u e n c e sa n dh e l pr e d u c ef i n a n c i a ll o s s ，a n d t h e va l s or e s u l ti nf a s t u n s c h e d u l e dm a i m e n a n c ea n ds h o r td o w n t i m ef b rt h em a c h i n e u n d e rc o n s i d e r a t i o n o nt h eb a s i so fp r e s e n t i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ff a u l td i a g n o s i s a n dv i b r a t i o np r e d i c t i o n ，t h i sp a p e rb e g i n sw i t ht h ev i b r a t i o na n ds t a b i l i t yo ft u r b i n e a n d1 a y ss t r e s so ni n t e l l i g e n td i a g n o s i sm e t h o d sa n dp r e s s u r ep u l s a t i o n sp r e d i c t i o n w i t hc f d( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s )t e c h n o l o g y t h ew o r ki n c l u d e st h e f j 儿o w i n gt h r e ep a r t s ： t h ef i r s tp a r ti st h er e s e a r c ho ni n t e l l i g e n td i a g n o s i sm e t h o d so ft u r b i n e ( 1 ) p r e s s u r ep u l s a t i o no ft h e d r a f tt u b ei si n e x t r i c a b l ep r o b l e mf b rf r a n c i s t u r b i n ea tp a r tl o a d t h e r e f b r e ，t h i sw o r kt o o ka d v a n t a g eo ft h et i m e - f e q u e n c y l o c a l i z a t i o no fw a v e l e tp a c k e ta n dt h ef r e q u e n c ys p e c t r u ms u b d i v i s i o no fm a x i m u m e n t r o p ys p e c t r u me s t i m a t i o n ，p u tf b r w a r dan e wm e t h o dc a l l e dw p m e s e ( w a v e l e t p a c k e tm a x i m u me n t r o p ys p e c t r u me s t i m a t i o n ) t h i sm e t h o dc a nc a r r yo u t m u l t i - r e s 0 1 u t i o ns i g n a ld e c o m p o s i t i o na n de x t r a c tw e a kf e a t u r ei n f o r m a t i o no fv o r t e x r o p ef t o m v i b r a t i o n s i g n a l ，a n dt h e na n a l y z ee x a c t l yi t ss p e c t r u m ，r e c o g n i z et h e v o 九e xr o p e i “sv e r ye f 诧c t i v ef o re x t r a c t i n gw e a kf a u l tf e a t u r ei n f o r m a t i o na n de a r l y d i a g n o s i n gl a t e n tm e c h a n i c a lf a u l t s ( 2 ) t bd i a g n o s ea c c u r a t e l yt h ed e g r e eo fv o r t e xr o p ei nd r a f tt u b eo fh y d r a u l i c t u r b i n e ，am e t h o do ff a u l td e t e c t i o na i l dd i a g n o s i sb yc o m b i n i n gm u l t i r e s 0 1 u t i o n s i g n a ld e c o m p o s i t i o no fw a v e l e tp a c k e tw i t hi n f o r m a t i o ne n t r o p yw a ss u g g e s t e di n t h i sp a p e r t h em e t h o dw a sc a l l e d ”w a v e l e tp a c k e tc h a r a c t e r i s t i ce n t r o p y - i a u l t ”i t a d o p t e dt h r e e - l a y e rw a v e l e tp a c k e tt od e c o m p o s et h em o n i t o r e dp r e s s u r ep u l s a t i o n s i g n a lo fd r a f tt u b e ，g o tas e to fd e c o m p o s i t i o ns e q u e n c e sd i s t r i b u t i n g i n d i f f 色r e n t f r e q u e n c yi n t e r v a l s ， t h e ne x t r a c t e dt h ew p - c e( w a v e l e tp a c k e t - c h a r a c t e r i s t i c e n t r o p y ) o fs i g n a l ，a n dc h o s es o m ep r i m a r ye l e m e n t so ft h ew p - c et oc o n s t r u c tt h e w p c ev e c t o ro fs i g n a l i nt h ee n d ，t h e s ev e c t o r sw e r et a k e na sf a u l ts a m p l e st ot r a i n at h r e e l a y e rb p n n ( b a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k ) t h ep r a c t i c a le x a m p l e s i i 塑! 1 2 型里! ! 兰垡坐i ! ! 1 2 堂竺丝竺竺呈! ：! ：! ! 堡尘! ! ! 坚2 1 堡 s h o wt h et r a i n e db p n nc a nd i a g n q s et h ef a u l to fd r a 士 tt u b e 。i h l sm e t h o dd e v e l o p sa n e wd i r e c t i o nf o rt h ef a u l td i a g n o s i so fh y d r a u l i ct u r b i n e ( 3 )t r e n do fb e a r i n gt e m p e r a t u r ev a r i a t i o ni s a ni m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i ci n f a i l u r e p r e d i c t i o n o f b e a r i n g s s a( s i n g u l a r s p e c t r u ma n a l y s i s ) a n da r m a ( a u t o - r e g r e s s i v el o v i n ga v e r a g e ) w e r eu s e di nt h i sp a p e rt op r e d i c tt h et r e n do f b e a r i n gt e m p e r a t l l f ev a r i a t i o n t h em e t h o dn r s tr e c o n s t r u c t e dt e m p e r a t u r es i g n a l si n p h a s es p a c et h e ns e p a r a t e ds i g n a l si n t oi n d e p e n d e n tc o m p o n e n t s ：t r e n d sa n dn o i s e u s i n gs i n g u l a rs p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i co ft h er e c o n s t r u c t e da t t r a c t o rt r a c km a t r i x ， c o n s e q u e n t l yt h et r e n df e a t u r eo fb e a r i n gt e m p e r a t u r ev a r i a t i o nc a nb ee x t r a c t e df r o m t h eo r i g i n a l s i g n a l ，t h e np r e d i c t e dt h ep a dt e m p e r a t u r eu s i n ga r m a t h et e s t i n g r e s u l t ss h o wi tc a ne a r l yp r e d i c tt h eb e a r i n gt e m p e r a t u r er i s i n g ，e x t r a c tt h ef h u l t c h a r a c t e r i s t i ci n c l u d e di nt h eo r i g i n a ls i g n a le f f 色c t i v e l y ，a n dg i v ea na d v a n c ew a r n i n g t op r e v e n tt h ef a u l to fb u r n i n gt i l e s ot h i sm e t h o dc o u l db ea ne f l e c t i v ea s s i s t a n t a n a l y t i c a lt o o l f b rs t a t e a n a l y s i s ， s t a t ea s s e s s m e n ta n dp r e d i c “o no fh y d r a u l i c g e n e r a t o r s a sw e l la sc o u l db eap o w e r f u lr e f e r e n c eo fs t a t em a i n t e n a n c ef o r h y d r o e l e c t r i cp l a n t t h es e c o n dp a ni sr e l a t e dt ot h es l m u l a t l o n so t - 。r a n c l st u r b l n e 1h ek e yl s s u e so t h l s p a r ta r e ： ( 1 ) t h ec f ds i m u l a t i o n sf o ram e d i u ms p e c i f i cs p e e df r a n c i st u r b i n ew e r ed o n e i nd i f 亿r e n to p e r a t i o n s i n t e r n a ln o wo fe a c hp a r to ft h ef r a n c i st u r b i n ew a sa n a l y z e d i nd e t a i la n dd i f f l ：r e n tn o wf i e l df e a t u r ew a sf o u n dt oc o n n e c tw “hd i f f b r e n t o p e r a t i o n s f u r t h e r 也ep f e s s u r ep u l s a t i o n sa t r u n n e ri n l e ta n do u t l e tw e r ep r e d i c t e d ， a dt h ec a v i t a t i o nc a u s eo fr u n n e rb l a d ew a sa n a l y z e d ( 2 ) t h ef i x e d - b l a d ef r a n c i sr u n n e rp r o d u c e st h ed i s t o r t e ds w i r l i n go u t n o wa t p a r t l o a do p e r a t i o n t h ed i s t o r t e ds w i r l i n gn o ws u p p l i e st h el o w e n e r g yn o w a tt h e c e n t e ro ft h eu p p e rp a r to ft h eb e n td r a f tt u b et oi n d u c ead e a d w a t e rc o r e i n s i d et h e d e a dc o r e ，t h er e v e r s en o wa p p e a r sa tt h ec e n t e ro fc o r ew i t ht h ev e r yl o wv e l o c i t y s i n c et h es w i r l i n gk i n e t i ce n e r g yi sl a r g ee n o u g h ，t h es h e a rv o r t i c e so nt h es u r f h c eo f d e a dc o r ei n d u c e sah e l i c a lv o r t e xr o p et h a te n w o u n di t s e l fo nt h es u r f h c eo ft h ec o r e a n dr o t a t e se c c e n t “c a l l ya r o u n dt h ec o r e s i n c et h en o wi su n s t e a d yb yn a t u r e ，t h e d e a dc o r ea n dt h ev o r t e xr o p em a k el o n g e ra n ds h o r t e ra l o n gt h ed r a f tt u b ea x i s a c c o r d i n gt ot h en u c t u a t i o no fp r e s s u r er e c o v e r yp e r f b m a n c eo ft h eb e n td r a f tt u b e w h e nt h et i m es c a l eo ft h eb r e a t h i n go fd e a dc o r ei sd i f f 色r e n tf o mt h a to ft h er o t a t i n g h e l i c a lv o r t e xr o p e ，t h eh e l i c a lp i t c ha n dt h er a d i u so fe c c e n t “c i t yo ft h ev o r t e xr o p e a b s t r a c r b e c o m e si r r e g u l a rr e s u l t i n gi nt h ee x t r a - o r d i n a r yp r e s s u r ep u l s a t i o n s i no r d e rt o s i m u l a t et h ea b o v ei r r e g u l a rp u l s a t i o n sn u m e r i c a l l y ，t h ep a p e rp r e s e n t e dt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no fu n s t e a d yf l o wa b o u t9 0s e c o n d so fp h y s i c a lt i m ei nb e n td r a f tt u b ea n d r u n n e ro faf r a n c i st u r b i e ，a n dt h eu n s t e a d yf l o wb e h a v i o ra s s o c i a t e dw i t ht h e i r r e g u l a rv a r i a t i o no ft h ed e a dc o r e ，t h ev o r t e xr o p ea n dp r e s s u r ep u l s a t i o ni nt h eb e n t d r a f tt u b e t h i sp a p e rs u c c e s s f u l l yp r e d i c t e dt h ei r r e g u l a rp r e s s u r ep u l s a t i o na n d a n a l y z e d i ti nt j m e d o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i n t h i sp a p e re x p l a i n e dh o wt o i d e n t i f yt h ed e a dc o r ea n dt h ev o r t e xr o p e ，t o o t h et h i r dp a r ti st h ed e v e l o p m e n to fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l ta n a l y s i ss y s t e m f o rf r a n c i st u r b i n e f o rad o m e s t i ch y d r o p o w e rp l a n i ， v i b r a t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h em a i n p r o b l e m sa n ds e r i o u s l ya f f e c t e dt h es a f eo p e r a t i o no ft h eu n i t t h ep a p e rd e v e l o p e da s e to fn e w s t y l ev i b r a t i o nm o n “o r i n ga n da n a l y s j ss y s t e mf o rt h eu n i t t h i ss y s t e m b a s e do nt h el a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) ，j n c l u d e dt h r e es u b s y s t e m s ，n a m e l yf o fd a t a c o l l e c t i o n ，s e r v e rv i b r a t i o na n a l y s i ss o f t w a r ea n dc l - e n t s o f t w a r e a f t e rt h a t ，t h e s y s t e mw a st e s t a tap l a n t a tl a s t ，t h es i m u l a t i v er e s u i t sw e r ei n p u ti n t ot h e k n o w l e d g eb a s eo ft h i ss y s t e mt op e r f e c t “，w h i c hp o i n t so u tan e wd i r e c t i o nf o rt h e f a u l td i a g o s i sa n dp r e d i c t i o no ft u r b i n e k e yw o r d s ：t l l r b i n e ；w a v e l e tp a c k e t ；f a u l td i a g n o s i s ；n u m e “c a lp r e d i c t i o n ；i r r e g u l a r p r e s s u r ef l u c t u a t i o n ； v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 、 作者签名棚笙吝日期：游月，多日 n f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：莎一 年月f ) 日 日期：扣岁年月哆日 第一章绪论 第一章绪论 1 1水轮机组稳定眭及其研究方法 早在4 0 0 0 年前，炎黄子孙为了生存，就开始兴修水利，至春秋战国，水利工 程建设已有较大发展。至1 9 4 9 年新中国成立，水电装杌已达3 6 万k w ( 未计台湾 地区1 ，居世界第2 0 位。新中国成立5 0 多年来，随着国民经济的腾飞，我国水电 建设事业也取得了飞跃发展，特别是改革开放以来，广蓄、天生桥( 高坝) 、小浪 底、二滩、三峡等一批世界级水电站的建设，标志着中国已逐步进入世界水电建 设前列。在中华人民共和国成立5 5 周年之际，黄河上游又一座大型水电站公伯峡 水电站首台机组并网发电。至此，中国水电装机容量突破l 亿千瓦时，水电装机 达到电力总装机容量的四分之一，标志着中国已成为世界上最大的水力发电国家， 水电建设技术达到国际先进水平m “。 随着水电工程建设的高速发展，机组容量和尺寸的逐步增大，水轮机比转速 不断提高，机组运行的自动化程度也越来越高，无人值班、远程控制的水电厂日 益增多，对机组稳定性的研究就变得越来越重要。 1 1 1 水轮机组运行中存在的稳定性问题 效率、空化和稳定性是水轮机水力性能的三大重要指标，其中，效率关系到 水能的利用程度，空化关系到转轮的使用寿命，而稳定性则关系到机组乃至电站 能否正常运行。由于人们对水轮枫稳定性的认识比较晚，加之问题本身复杂，难 点多，牵涉到多个学科，需要复杂的计算工具和先进的测试仪器，使得我们对稳 定性的认识远没有对效率和空化现象的认识深刻，随着水轮机单机容量的提高， 机组尺寸的增加，相对刚度的减弱，稳定性问题日益突出。我国水电行业在水轮 机稳定性方面已开展了很多的科研工作，取得了不少的成绩，但还面临诸多困难。 1 近期大型水轮机运行稳定性问题越来越多，问题越来越严重 我国已投产的大型电厂如岩滩、二滩、小浪底、隔河岩、东江，自投入运行 以来均不同程度地出现影响正常运行的振动区域，尽管通过采取减振措施，振动 情况有所缓解，但尚未根本解决：五强溪、小浪底、李家峡、东江电站转轮因振 动引起的叶片裂纹问题还没有办法彻底解决；因机组振动引起其他部件破坏的事 华南理工大学工学博士学位论文 例也时有发生。 2 我国在建和规划中的机组尺寸增大，要求有良好的运行稳定性 以三蛱水电机组为代表的大型水电工程，预示着我国水电建设的发展进入一 个新的时代，其显著特点是枫组尺寸不断增大。正在规划的许多电站单机容量都 达4 0 0 m w _ 7 0 0 m w ，此外有些电站水头变幅很大，还有些电站随着水轮机参数的 不断提高，因其尺寸巨大、相对结构刚度降低，自振频率下降，影响机组安全稳 定运行的未知因素也相应增多，因此设计中预防和解决水轮机振动的措旌更加复 杂和困难，有必要提前着手更深入的研究。 3 国内外尚无可靠的水轮机振动预估方法 水轮机的稳定性是水轮机的三个主要性能指标之一，但效率和空化性能通过 水轮机模型试验，可按一定的公式进行换算预测真机的性能，而稳定性问题，因 诸多条件不具备相似性，真机与模型之间缺乏可靠的换算方法。常规方法是测定 水轮机模型的尾水管 相对压力脉动值日日，但h h 并不是表征机组稳定性的唯一因素。通常 水轮机稳定水平取决于两个因素，一是激振力的大小和频率，二是振动部件的静、 动力响应特性。如何预估水轮机真机的运行稳定性是值得深入研究的课题。 4 水头变幅大的水轮机稳定性尚需深入研究 我国在建的三峡水电工程和规划中的溪洛渡、小湾、水布垭、引子渡等水电 项目其水头变幅均比常规大，众所周知，水头变幅大的电站其机组在偏离设计水 头较远时运行特别容易发生高水头或低水头的不稳定现象，因此，在水轮机的水 力设计、选型及结构设计时就要对其运行稳定性进行深入研究。 5 大型老电厂机组改造中稳定性研究至关重要 水轮机增容改造主要有两种途径：1 ) 提高转轮和导水机构的水力效率；2 ) 加 大水轮机流量。因流道中的埋入部分无法进行改造，增加流量后，其尾水管压力 脉动值以及各机械部件的振动值的增大在所难免。因此，项目改造过程中的首要 问题是确保其振动幅值的增大应在不影响正常安全运行的范围之内，即要有预估 改造后机组运行稳定性的可靠方法，来保证电站增容改造目标的顺利实现m ”。 1 1 2 水轮机振动研究方法概述 水轮发电机组的运行稳定性直接通过机组的振动状态反映出束，国内外己建 电站中许多机组都曾发生过不同程度的异常振动。日本电气工程师学会曾对日本 国内在1 9 2 5 年以后投入运行的立式机组作了调查，大约有的1 0 的机组出现过 异常振动。从振动的部位看，几乎都是“转轮振动”或“轴系整体振动”。究其振 源。则属于“转动部分不平衡”或“水压脉动”者约占总数的6 0 。前苏联及西 第一章绪论 欧一些国家也对振动问题进行了大量的研究，尤其是加拿大，其丰富的水力资源 决定了水电在电力工业中的地位，国外一些大公司，如q u e b e c 公司，对立式机 组的振动问题也作了大量的研究。我们国家早在5 0 年代就发现并开始研究机组的 振动问题，一些中大型机组，甚至小型机组均发生过不同程度的异常振动，如葛 州坝电站，刘家峡电站，渔子溪，宦春江，密云等均出现过异常振动。北京十三 陵抽水蓄能电站一投入运行就出现机组整体振动超标的情况，至今还没有找清原 因【9 ，1 0 j 。 国内外对水电机组振动的研究表明，水电机组的振动主要有机械振动、电磁 振动和水力振动三种类型，机械振动和电磁振动一般是可以消除或减轻的，由于 引起水力振动的原因错综复杂，因此消除或减轻水力振动就困难的多。特别是水 电机组在偏工况运行时，水力振动的影响尤为明显。正是由于水力振动而限制了 水轮机的运行工况，从而影响机组在系统中合理发挥效益，同时由于机组的长期 振动，而导致机组部件的疲劳甚至遭到破坏，有的甚至引起厂房及相邻水工建筑 物发生共振，严重妨碍机组的安全运行和发电效益。因此人们十分关心机组的异 常振动情况。人们围绕水力机组的振动问题做了大量的实验和研究，主要有以下 四种方法： 1 1 2 1 理论分析 理论分析，主要是基于水轮机的基本理论、丰富的科研成果信息库和其它相 关领域的基础知识，运用逻辑思维进行分析判断，从定性上分析水轮机的能量特 性、空化性能，并分析可能引起水轮机水力振动的原因和提出改进措旌。它是确 定解决问题技术思路的主要依据，但由于水轮机内部流动的复杂性以及过流部件 和水轮机轴系液固耦合系统的复杂性，因此理论分析方法只能从定性的角度上对 水轮机的水力性能及稳定性进行分析n - ”l 。 1 1 2 2 模型试验 模型试验，主要是基于水轮机的模型试验装置、模型试验台和测试设备对水 轮机流体运动进行模型试验，应用先进的测量设备和成像系统和对模型水轮机内 部水力特性进行观察和测量，得到一些相关的数据和图像。这是研究水轮机水力 性能及稳定性研究的重要工具，通过模型试验可以对模型水轮机效率、空化系数 以及水压力脉动规律进行研究，从而提高水轮机的水力性能及稳定性。同时由于 水轮机真机的水力效率和空化系数，可以通过经验公式对模型试验数据进行修正 得到，因此模型试验是当代研究水轮机水力性能的重要途径m ，”，。 华南理工大学工学博士学位论文 1 1 2 3 真枫试验 由于引起水轮机水力振动规律尚不十分清楚，模型和真机的某些水压力脉动关系 也不能完全模拟及换算【9 】。因此，真机的水力振动特性及减小水力脉动的措施， 必须在相应电站真机上进行现场试验测试，弄清振动部位及分析其振动原因，才 可以解决真机振动问题。近几年，随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发 展，水电系统的状态维修工作已越来越受到重视。基于水轮机组现场测试基础上 的监测技术、诊断技术的研究吸引了越来越多的科研工作者。近1 0 年来，世界各 国竟相开展一些有针对性的监测、诊断系统的研究工作，并不断推出新产品。 1 1 2 4 数值解析 数值解析就是利用c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 技术【9 】，对水轮机过流 部件内部流动进行三维粘性解析，得到比较精确的数值解，从中找出水轮机不稳 定工况是否与仿真出现的某些流动现象有关，从而达到预测和解决振动的目的。 数值计算早期主要应用于水轮机的设计制造业和水力性能分析，随着计算机技术 和c f d 技术的发展，近几年来c f d 技术也已应用于水轮机水力振动的研究。无 论是对新建电站的水轮机设计还是对已建电站水轮机的水力振动分析，都涉及到 能量特性，空化特性及稳定性等o w ，在这方面c f d 技术显示出极大的优势。随 着计算机技术的发展和c f d 理论日趋成熟，c f d 技术的重要性正逐步被认识， 水力机械内部流动的模拟正日益成为水力机械研究部门及制造厂的重要辅助手 段。从c f d 技术在水力机械中的应用现状和发展趋势来看，主要有以下两大方向， 一是水力机械过流部件内部流场的定常解析，它主要用于分析水力机械各流道的 内部稳定场流态，研究各部分水力损失及叶片表面的压力分布，以及对水力机械 的优化设计6 m ，；二是水力机械内部流场的非定常解析，主要用于分析各流道内 部的瞬时流态，并研究流道内各种不稳定因素引起的水力振动和水压力脉动，如 导叶和转轮叶片尾部的卡门涡列、静止叶栅和动叶之间的静动翼干涉和尾水管内 螺旋型涡带等不稳定因素对于水轮机稳定性的影响。 1 2 水轮机组监测与诊断研究现状与发展 1 9 8 6 年，第3 1 界国际大电网会议就机组监测与诊断问题进行了专题发言， 各国专家对监测对象以及如何监测提出了不同的见解，比较集中提及的监测内容 有机组振动、气蚀、发电机气隙等。1 9 9 0 年1 2 在武汉由能源部电力司主持主办 了首届水电站诊断技术研究会，与会代表交流了国内外诊断技术发展情况，认识 到在我国尽快开展这一工作的必要性。国家电力公司在1 9 9 9 年科技发展规划中， 4 第一章绪论 已明确提到有关水轮机组的故障监测和状态检修技术的发展计划，有关试点和攻 关课题也正在筹备安排当中。在这种大趋势下，近几年，随着大中型水电厂的建 设，水电系统的状态维修工作已越来越受到重视。水轮发电机的监测与诊断已经 成为当今世界普遍关注和感兴趣的研究课题m 4 。 目前我国一些研究所、中试所、高等院校也不同程度的开展了诊断方面的研 究工作，国内智能诊断研究范围，一是对理论和方法的研究；二是实际技术和系 统的开发与应用研究。根据近年在这一领域发表的论文、参与的人数、获奖的成 果以及国家、地方各部门投入的资金看，国内本项研究的发展是迅速而规模庞大 的。 1 2 1 故障智能诊断方法研究现状 当前故障智能诊断的方法有两大类：基于人工智能的专家系统和人工神经网 络，前者的标准模式由知识库、推理机和人机接口组成；后者是由简单的处理单 元相互连接成的网络，其中应用最多的是前向多层网络，在学习过程采用了b p 算 法；模糊神经网络将神经网络和模糊数学结合起来进行模糊推理诊断。国内在神 经网络、专家系统的研究方面，多年停留在方法的汇合、算法的改进上，始终未 能成功地给出工程性的实用产品来m z ”。近年来发表了一些有关小波分析应用于 故障诊断的报告，包括利用尺度谱和相位谱来诊断某种特定故障；利用小波或小 波包分解与重构将分形用在小波分析中。从所公布的结果看，小波分析有一定的 效果，但作为实用性的技术方法，还存在很大差距，需要对多种典型故障的小波 特性进行比对研究。在非线性特征研究方面，有研究振动信号在伪相空间的相关 维数。通过对不同的故障信号时间序列重构伪相空间，可以提取相关维数、分形 维数等非线性特征量，得到不同故障的一些定量特征。但从已有的研究结果看， 不同故障的这些非线性特征量存在重叠现象，说明该方法本身存有不足之处。另 外，在重构相空间过程中时间延迟量和嵌入维数的确定有很大困难，大都采用试 算的方法获取，使得上述特征量的计算时间较长，无法满足实时诊断的要求【2 3 。“。 根据近年本领域发表的大量论文看，当前，我国故障智能诊断研究从目的、内容、 方法，到研究结果，与工程实际应用均存在一定差距，还有相当多的工作要做。 1 2 2 水轮机组故障诊断应用现状 由于水电机组转速低，对机组的安全运行没有给予足够的重视，使得水电机 组在线监测技术和故障诊断技术的研究落后于其它大型旋转机械的在线监测和故 障诊断技术的发展，但近十年来，随着我国十几座装机容量百万千瓦的水电厂相 继投产，数十座装机容量百万千瓦的电厂正在建立或筹建，机组的单机容量从 华南理工大学工学博士学位论文 3 0 0 m w 、4 0 0 m w 、5 0 0 m w 发展对7 5 0 m w ，机组单机容量的的逐步增大，对电 网稳定性的影响也越来越大，特别是这些机组投产后，或多或少发生的一些问题， 将严重地影响机组正常运行和电网的稳定【2 6 l 。以状态监测为基础的水电厂主设备 维修方式得到了厂家的重视，越来越多的水电厂已着手进行状态检修系统的建立 工作。 在状态监测和状态检修的具体技术方面，振动分析是最主要的研究内容。机 组振动量、摆度以及水轮机压力脉动值等是衡量机组运行稳定性的重要指标，它 不仅影响机组的性能和寿命，而且直接影响机组的安全运行、负荷合理分配以及 电能的质量。机组严重振动时，发出的刺耳噪声也将危及运行人员的身心健康。 许多电厂自投产以来，一直沿用人工读表等传统的测试方法，对机组振动摆度值 进行测量，劳动强度大，测量精度低，不能及时掌握、分析机组振动等运行状态， 发生事故和故障时不能及时报警【2 7 。m 。近来，国内不少单位已就机组在线稳定性 状态监测展开了大量的工作。近几年来有许多水电厂通过技术改造装备了状态监 测系统，相比而言，清华大学是工作较为全面，细致的一家。一方面组织了多个 学科师生力量进行了广泛深入的机理研究，另一方面成立了研究所，专门从事成 果的产品转化工作，把研究成果从实验室推向现场，直接为电力系统提供可靠的 产品和优质的服务。 近年来兴起的远程监测诊断系统通常采用两种实现模式：客户机服务器 ( c l i e n t s e r v e r ) 和浏览器服务器( b r o w e r s e r v e r ) 模式，c s 结构使用较多，主要应 用于企业内部，与远程诊断中心的通信多通过电话线连接，存在通信滞后、实时 性不足等缺点。b s 结构已有单位开发成功，这种模式通过将企业内部网接入 i n t e r n e t ，在远程诊断中心直接通过浏览器上网，可以对设备运行状况进行实时监 视，对故障进行诊断并向企业返回诊断结论和处理措施。从研究范围看，这些系 统的研究基本上跟踪了国外的发展。但是，目前国内大多数水电厂所安装的监测 诊断装置功能都比较单一，监测量较少，不能为进一步分析提供必要的、可靠的 数据，系统投入使用的情况和效果并不理想，其中较好的系统具有可靠的数据存 储管理和分析功能，绝大多数没有达到在线自动诊断的功能目标，不能向运行人 员和生产管理人员提供有效的诊断结果。出于水力机械的故障与一般旋转机械相 比有其特殊性，除了考虑机械方面的原因外，尚需考虑流体、动压力以及发电机 电磁力的影响，机组运行时，这三者是互相耦合，相互影响的。因此，水电机组 故障诊断方面的研究工作还有很长的路要走1 2 7 m 川。 1 2 3 水轮机组故障诊断发展方向 故障诊断是一项关系到枫组安全的关键技术，研究开发具有我国特点的诊断 6 第一章绪论 方法和系统具有重要的意义。国内近年在这项技术领域虽然投入巨大，有所进展， 但远不能满足生产实际的需要，研究方法存在多处严重弊端，研究工作人员的思 路不当，缺乏来自诊断方法、故障机理的深层次的理论和技术支持，缺乏将大量 宝贵的现场实际诊断经验有效地融入诊断的推理系统，对研究工作缺乏引导、管 理和