基于改进逼近理想法的水电机组过渡过程风险评估.pdf
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1、第 卷第 期年 月水利与建筑工程学报 ,:收稿日期:修稿日期:基金项目:陕西省自然科学基金项目();陕西省水利科技计划项目()作者简介:徐振坤(),男,硕士研究生,研究方向为水电站与泵站工程。:通讯作者:陈帝伊(),男,教授,主要从事水电站与泵站方面教学及科研工作。:基于改进逼近理想法的水电机组过渡过程风险评估徐振坤,陈帝伊,王鹏飞(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 )摘要:基于数据驱动划分水电机组不推荐运行区和推荐运行区对水电机组的安全稳定运行具有重大意义。对于运行区的划分关键是机组运行风险的量化,故围绕准确量化机组整体运行风险的关键科学问题展开研究,以 电站机组动平衡实验数
2、据为研究对象,提出了基于改进逼近理想法()的机组运行区划分方法。通过改进 计算机组运行风险率,利用信息熵确定各评价指标权重并且给出中高风险运行区内各评价指标危险度排序,在准确量化机组运行风险率的基础上给出了机组运行区划分优化方案,为机组安全稳定运行及增大机组调节灵活性提供依据。关键词:水力发电机组;机组过渡过程;逼近理想法;运行风险评估中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,):,(),:;水电机组是水电站的重要组成部分,承担着供能和灵活性调节的重要任务 ,当水电机组需要经常跨越振动区或在振动区运行时,机组的振动、摆度以及压力脉动等会过大,导致机组发生故障的潜在风险也会增加 ,水电机组振动
3、超过其限制范围的问题愈加严重并且难以分析量化其运行故障率是现在国内外水电机组安全稳定运行的主要问题 。年俄罗斯“萨扬舒申斯克”事故,其发生事故的主要原因就是 号机组进入不推荐运行区运行,导致机组顶盖固定螺丝断裂,最终造成多机报废的重大安全事故 。因此,量化水电机组运行风险率,基于数据驱动划分水电机组不推荐运行区和推荐运行区对确保水电机组安全稳定运行及增大机组调节灵活性具有非常重大的工程意义 。传统可靠性评估方法在量化机组风险时,各指标权重多是人为确定,存在风险量化不准确的问题 ,且传统可靠性评估方法所依赖的概率统计理论直接导致其评估过程必须利用足够多的样本数据 ,这个要求极大地限制其在水电机组
4、中的应用,同时传统可靠性评估方法得到的是整体设备的平均可靠度,不能准确表示单个设备的运行情况 ,所以传统可靠性评估方法不适用于水电机组不同运行工况下的风险评估,基于状态监测信息的风险评估方法则克服了上述缺陷。陈保家等 提出基于改进比例协变量模型和回归模型的航空发动机转子可靠性评估方法,建立系统故障率模型,通过不断更新响应协变量即可求取转子的实时运行可靠度与故障率。蔡改改等 基于设备的运行状态信息,提出可以准确反映设备运行状态的特征指标,利用比例协变量模型建立设备可靠性评估模型,实现了设备故障的量化处理。王红军等 利用小波包分解构建振动信号特征空间,通过计算实时运行状态与正常状态特征空间夹角来反
5、映设备运行特性。综上所述,水电机组状态监测信息风险评估研究尚处在探究阶段。对此,本文提出了基于改进逼近理想法()的水电机组运行风险评估模型,量化水电机组运行风险率,给出评价指标危险度排序,实现水电机组基于数据驱动的运行区划分。试验机组运行区初步分析 水电机组运行区出厂界定 电站有四台常规水电机组,机组单机容量为 ,电站总装机容量为 。本文将采用该电站 号机组进行运行风险的量化和水电机组运行区的准确划分。号机组基本参数如下,水轮机型号为 ,额定水头为 ,额定转速为 ,额定功率为 ,发电机型号为 ,额定容量为 ,调速器型号为 。为初步分析机组运行区,厂家通过出厂试验给出了机组不同运行水头的运行区划
6、分情况,结果如图 所示。如图 所示为厂家通过出厂试验给出的 号机组运行区初步划分图,运行水头在 、时,机组运行区划分的运行所带负荷出现突变。对于额定水头为 的号机组,其常用水头范围是 ,所以不推荐运行区将被划分为 及 。但是,由于水电机组复杂的运行状况,在实际运行中机组需根据自身运行特性及时调整不推荐运行区的限制范围,尽量在推荐运行区内运行,以实现水电机组的长期安全稳定运行。目前机组不推荐运行区多是通过试验与专家经验相结合来优化与调整,这在一定程度上使划分结果具有人为主观性,缺乏数据理论支持。图 电站 号机组运行区初步划分情况 水电机组带负荷动平衡实验与初步分析为实现水电机组运行区准确划分,利
7、用该电站动平衡实验数据进行机组运行风险初步分析。号机组动平衡实验是在开机并带负荷过渡过程下进行的,即机组从静止到带最大负荷的过程。在带负荷试验前,为排除机组自身因素对实验的影响,先进行了 转速试验及 励磁升压试验。在带负荷试验时,机组实际水头为 。机组负荷每增加 记录一次,直至负荷增加到最大()为止。机组动平衡实验的传感器测点位置如图 所示。传感器输出的振动值、摆度值和水压值均为峰峰值。实验中共布设 个传感器测点以测量水电机组的实时振动值、摆度值及水压值,将实验所得数据作为风险评价指标为后续的运行区划分提供数据支持。个评价指标的运行限制范围如下:蜗壳进口水压()、顶盖下部水压()和尾水进口水压
8、()的运行范围是 ,上导轴承 摆度()、上导轴承 摆度()、下导轴承 摆度()和下导轴承 摆度()的运行范围是 ,水导轴承 摆度()和水导轴承 摆度()的运行范围是 ,上机架水平 振动()、上机架水平 振动()、下机架水平 振动()、下机架水平 振动()和顶盖垂直 振动()的运行范围是 ,上机架垂直 振动()和下机架垂直 振动()的运行范围是 ,定子水平 振动()的运行范围是 ,顶盖水水利与建筑工程学报第 卷平 振动()和顶盖水平 振动()的运行范围是 。图 动平衡实验传感器测点布置示意图在开机带最大负荷过渡过程中,传感器输出的风险评价指标变化示意如图 所示。先初步分析评价指标变化示意图,为后
9、续的运行区划分提供依据。由图 可知,随着机组带负荷的逐渐增加,本文所使用的 个评价指标均呈现先增大后减小的趋势。尾水管进口水压()整体大于蜗壳进口水压值()和顶盖下部水压值(),水导轴承的摆度值(,)要远大于上导轴承(,)和下导轴承的水压值(,),在低负荷区,上机架垂直 振动值(),下机架垂直 振动值()和顶盖垂直 振动值()要远大于相应的水平 与 振动值(,),这说明当在低负荷区运行时,应多关注上机架、下机架与顶盖垂直 振动趋势,这有可能是导致故障的主要因素。图 动平衡实验评价指标变化趋势由评价指标运行限制范围可知,在机组升负荷运行过程中,许多评价指标的实测值远大于表中给出的运行范围。其中,
10、水导轴承 摆度值()和水导轴承 摆度值()的最大值为 和 ,超出其运行限制范围 。尾水进口水压()的最大值达到 ,超出其运行限制范围 。同时,蜗壳进口水压()、上机架垂直 振动()、下机架垂直 振动()等也不同程度地超过各自运行范围。结合图 可知,在低负荷区(),机组动平衡实验评价指标的实测值波动最为剧烈。因此,从以上的分析中可以初步得出结论,可以将 的负荷区作为机组不推荐运行区,若机组在此区间内长期运行或者频繁穿越此区域时,机组会大概率发第 期 徐振坤,等:基于改进逼近理想法的水电机组过渡过程风险评估生故障。综上所述,根据动平衡实验结果和人工相结合的方法可以初步确定机组运行区的大致范围,机组
11、推荐运行区是 ,不推荐运行区是 。这种划分方法依赖划分人的经验,缺少理论支持,并且存在划分不精确的问题。在高风险运行区内,上述方法不能计算各运行工况的机组风险率,在同一个高风险运行区内,没有给出 个风险评价指标对机组造成故障时的贡献率,当机组在此区间短时间运行或者穿越此区间时,便不能有准备的重点关注易损坏的零部件,不利于预防故障和预检修。因此有必要建立水电机组的运行风险评估模型,为精确划分运行区给出理论支持,使机组的调节更加灵活,建立机组高风险运行区的高风险指标体系,为预防风险和预检修提供依据。基于改进逼近理想法的水电机组运行风险评估模型逼近理想法()的基本原理简单,主要存在两大优点:第一,可
12、以区分机组不同运行状态间微小的差距;第二,符合水电机组运行状态变化的规律。运用逼近理想法时,计算不同运行状态所对应的相对贴进度即可求出机组运行故障率。传统逼近理想法在计算各评价对象到正负理想解的距离时采用 距离,但是 距离放大了权重对评估结果的影响,降低了模型的评估精确性,马氏距离不受变量量纲的影响,排除了指标间相互影响的可能性。本文将马氏距离和逼近理想法结合,既可有效地反映出各响应协变量与机组风险率间的关系,又能以一种客观科学的方法量化机组的运行状况。基于改进逼近理想法的机组运行风险率计算步骤如下:步骤 :构建机组运行数据的评价矩阵 ()式中:为评价对象的个数,为评价指标的个数。指的是第 个
13、评价对象的第 个评价指标所对应的值(,;,)。步骤 :构建规范化决策矩阵 成本型(极小型)指标的期望指标值越小越好,其公式为:()效益型(极大型)指标的期望指标值越大越好,其公式为:()中间型指标的期望指标值取中间值最好,其公式为:,()步骤 :由规范化决策矩阵 和权重向量 构建加权规范化矩阵 ()步骤 :确定理想解 和负理想解 理想解 由 中每列的最大值构成,负理想解由 中每列的最小值构成:()()步骤 :采用马氏距离公式,计算第 个评价对象 到理想解 和负理想解 的距离为:(,)()(槡)()(,)()(槡)()式中:是 的协方差矩阵。步骤 :计算各评价对象的相对贴近度 作为设备运行可靠度
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