大型全空冷水轮发电机组故障诊断与分析方法研究

摘要

随着我国的水电总装机容量和水电机组单机容量的不断增大，我国已成为世界最大的水电装机容量大国，如何保证大型水轮发电机组安全、可靠、平稳地生产电能，对电力生产企业非常重要。
　　全空冷方式因为具有结构简单、维护量小和运行安全可靠等优点，已成为大型水轮发电机组的主要冷却方法。然而，由于定子导体的热量释放比较困难，容易引起温度升高。低水头混流式的水轮机是大流量轴向流机械，在导叶与转轮进口之间的流道内具有很强的三维流动，将引起水轮机较大的振动。水轮发电机组盘车过程中，往往会出现摆度曲线不规则，轴瓦间隙调整不合理等现象，进而造成三部导轴瓦不同心、轴瓦间隙不均匀等问题，并可能导致瓦温偏高、摆度过大等现象。定子温升偏高、机组振动严重、轴瓦间隙调整不合理等都会危及机组的安全。而且，由于大型全空冷水轮发电机组的发电机电磁设计和水力学调保计算设计影响因素复杂，运行时受到机械、电磁和水力等耦合因素的影响，使得机组故障信息具有随机性、模糊性和不确定性等特点，故障形式复杂多样，传统的数据测量与频谱分析方法又难以保证故障诊断的准确性和及时性。
　　因此，本文在分析大型全空冷水轮发电机组故障特点的基础上，研究了机组容易出现的定子绕组温升偏高、机组振动和轴瓦间隙调整不合理等故障诊断和分析方法，实现机组的故障诊断与分析。开展的主要研究工作和创新性成果如下:
　　(1)针对大型全空冷水轮发电机定子绕组温升偏高的工程实际问题，研究了定子绕组涡流损耗和环流损耗，以及定子绕组三维温度场的优化计算方法、同相槽和异相槽对定子绕组Field系数的影响规律，以及定子绕组环流的计算方法，提出了基于电磁场-流场-温度场等多种物理场耦合的定子绕组温升超标综合故障诊断与分析方法，并用来诊断分析景洪水电站5台35万千瓦水轮发电机组的定子绕组温升偏高的问题。根据诊断结果，对发电机组进行改造，试验结果表明发电机定子线棒最大温升从原来的90.6K下降为75K，取得了应有的成效，并用于指导后续大型全空冷水轮发电机设计和制造。
　　(2)针对水电机组大部分故障是以复杂的振动形式表现出来的特点，深入分析了具体振动原因，建立了基于振动故障特征参数法机组轴系动力学数学模型，利用该模型计算出机组上导、下导和水导弯曲量，转子不平衡量，主轴与镜板不垂直度，转轮不平衡力等，并用该模型对线性稳态的振动信号进行了诊断与分析。同时针对机组非线性非平稳振动摆度信号，提出了一种改进的经验模态分解(EnsembleEmpiricalModeDecomposition，EEMD)和希尔伯特黄变换(Hilbert-HuangTransform，HHT)方法，来提取了水轮发电机组振动摆度信号的故障特征，并进行诊断分析。实际工程应用结果说明，本文提出的基于轴系动力学模型的特征参数计算方法和改进的经验模态分解和希尔伯特黄变换分析法，能有效提高水轮机振动监测的准确性。
　　(3)针对大型水轮发电机组盘车摆度波形不规则的特点，分析研究水电机组轴瓦间隙调整方法和基于误差最小二乘法的盘车摆度计算方法，提出了一种基于盘车轴心轨迹最小外接圆的导轴瓦应调间隙的优化方法。该方法适用于盘车摆度波形不规则、轴心轨迹不圆的情况。工程实例应用表明，本文提出的导轴瓦应调间隙计算方法简单有效，可以获得更合理的导轴瓦间隙，机组盘车轴瓦间隙调整时间从原来的7天可缩短为3天，运行最高瓦温从68℃降至61℃，水导摆度从595μm降至300μm，有效地解决了实际机组运行瓦温偏高和摆度过大的问题，提高了水轮发电机组的运行稳定性。
　　(4)在大型水轮发电机组故障的理论分析及工程实验研究的基础上，设计和开发了大型水电机组故障诊断系统数据平台，实现了水电机组状态信息交互存储标准化、数据接口标准统一化、数据共享和互操作，并将该平台用于景洪水电站大型全空冷水轮发电机组的故障诊断，能够准确地诊断机组的故障特征与故障位置，得到了现场用户的高度评价，显著地提高了水电机组监管水平和安全经济运行能力，为现行的计划检修体制向真正意义上的状态检修体制过渡提供技术支持。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 研究现状

1．2．1 大型电气设备的故障检测与诊断技术

1．2．2 发电机定子温升故障

1．2．3 机组振动故障

1．2．4 机组轴瓦间隙调整不当故障

1．2．5 机组故障诊断系统

1．3 本文研究内容与章节安排

2 大型全空冷水轮发电机定子温升故障诊断与分析

2．1 大型全空冷水轮发电机定子线棒损耗机理分析

2．1．1 定子绕组涡流损耗分析

2．1．2 定子绕组环流损耗分析

2．2 全空冷水轮发电机电磁场和三维温度场计算模型建立

2．3 定子线棒损耗和温度场分布优化计算方法

2．3．1 基于电磁场有限元的定子绕组Field系数计算

2．3．2 定子绕组环流损耗的计算方法研究

2．3．3 温度场分布优化计算方法

2．4 工程应用

2．4．1 工程项目背景

2．4．2 发电机绕组温度偏高的初步改进措施

2．4．3 发电机绕组温度偏高的故障诊断与分析

2．4．4 工程应用的实际效果

2．5 本章小结

3 大型全空冷水轮发电机组振动故障诊断与分析

3．1 机组振动故障分析

3．2 基于特征参数的稳态振动信号故障诊断与分析

3．2．1 机组轴系动力学模型建立

3．2．2 主轴弯曲量计算模型

3．2．3 质量不平衡计算模型

3．2．4 转子不圆度计算模型

3．2．5 推力轴承镜板与主轴不垂直

3．2．6 工程应用

3．3 基于改进的EEMD和HHT非稳态振动故障诊断与分析

3．3．1 经验模式分解

3．3．2 改进的希尔伯特谱分析

3．3．3 工程应用

3．4 本章小结

4 大型全空冷水轮发电机组轴瓦间隙调整不当故障诊断与分析

4．1 引言

4．1．1 机组轴瓦间隙调整过大或过小

4．1．2 机组三部导轴瓦不同心

4．2 机组轴瓦间隙调整优化方法

4．2．1 传统轴瓦间隙调整方法的局限性

4．2．2 基于最小外接圆法的轴瓦间隙调整优化方法

4．3 工程应用

4．4 本章小结

5 大型水轮发电机组故障诊断系统设计与实现

5．1 引言

5．2 水电机组故障诊断系统总体设计

5．2．1 设计目标

5．2．2 设计原则

5．2．3 逻辑架构设计

5．3 应用模块设计

5．3．1 概述

5．3．2 客户端与应用插件关系

5．3．3 集成功能描述

5．3．4 集成标准涵盖功能

5．4 系统功能与界面

5．4．1 客户端软件演示

5．4．2 实时监测模块

5．4．3 应用分析模块

5．5 现场应用

5．5．1 机组背景材料

5．5．2 各特征参数的计算

5．5．3 过程分析结论

5．5．4 诊断结论

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢