常玉红 郝国文 刘夫果 赵江 李长勇
摘 要：抽水蓄能机组具有转速高、容量大以及工况转换频繁的特点，在电网中通常承担调峰、调频、调相和事故备用的任务，其状态直接关系到电网的安全、可靠、稳定运行。随着机组服役年限的不断增加，水泵水轮机部件可能会产生必要的空蚀、磨蚀、磨损或疲劳，造成机组性能下降，严重时甚至导致故障，对机组的安全稳定可靠运行带来较大的隐患。现有的规范或者标准并非针对水泵水轮机状态评价而制定的，其存在着状态评价指标体系不够系统化、评价指标及其权重不合理等问题。该文通过对抽水蓄能电站运行10年以上、单机容量150MW以上的水泵水轮机主要部件已发生故障进行分析、归纳和总结，建立基于故障原因的主要部件状态评价指标体系，并根据专家经验法及主要部件相关故障的发生频率统计结果进行权重分析，然后结合机组在线监测参数构建基于“故障原因—主要部件状态评价指标体系—在线监测参数”相结合的主要部件安全评估模型。
关键词：抽水蓄能电站 水泵水轮机 状态评价体系 评估模型
中图分类号：TK734 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）09（a）-0070-05
Abstract： Special features of the power units are obvious as high speed， large capacity and fast transition for load transfer. The units are usually playing more important roles in the grid as peak load adjustment， frequently operating in partial load， condense operations and standby. Operational safety， reliability and stability have become more important and critical. Along with gradual increase in service life， the cavitation， corrosion， wear and fatigue may occur in the reversible pump turbine. Moreover， performance degradation even failure may be realized， it would have a significant impact on the operational safety， reliability and stability. The available international and domestic standards or codes are not made especially for condition assessment of reversible pump turbine， in which the assess criteria and their weight factors are not reasonable for applicable. This paper established a integrated model combined the assess criteria and their weighted factors as well as the on-line monitoring parameters for condition assessment of the reversible pump turbine based on the root cause analysis through the operational pumped storage power plant with capacity over 150MW and service life exceed 10 years.
Key Words： Pumped storage power plant; Water pump turbine; Status evaluation system; evaluation model
抽水蓄能機组具有转速高、容量大以及工况转换频繁的特点，在电网中通常承担调峰、调频、调相和事故备用的任务，其状态直接关系到电网的安全、可靠、稳定运行。从20世纪90年代中期开始，广州、十三陵、天荒坪、泰安等一批高转速大容量抽水蓄能机组陆续建成并投入生产，随着机组服役年限的不断增加，水泵水轮机部件可能会产生必要的空蚀、磨蚀、磨损或疲劳，导致机组性能下降，严重时可导致机组故障，对机组的安全稳定可靠运行带来较大的隐患。因此，有必要对水泵水轮机的主要部件开展状态评价研究，以便识别、分析和评估潜在的安全风险，并提出相应的应对措施，为水泵水轮机的检修维护提供科学的数据依据，保障抽水蓄能机组的可靠安全稳定运行。但目前国际国内尚未针对水泵水轮机状态评价制定专门的规范或标准，现有的参考规范或者标准存在着状态评价指标体系不够系统化、评价指标不合理、评价指标权重不合理等诸多问题，导致了在实际的工程应用中缺乏可操作性和可靠性，也就无法为电站的检修维护工作提供参考依据。该文通过对抽水蓄能电站运行10年以上、单机容量150MW以上的水泵水轮机主要部件已发生故障进行分析、归纳和总结，建立基于故障原因的主要部件状态评价指标体系，并根据相关标准要求、专家经验及已统计的主要部件相关故障的发生频率进行权重分析，然后结合机组在线监测参数构建基于“故障原因—主要部件状态评价指标体系—在线监测参数”相结合的主要部件安全评估模型。该评估模型将水泵水轮机作为一个系统，水泵水轮机主要部件作为构成系统的部件，首先从机械状态和运行状态两个维度来定义表征水泵水轮机主要部件状态评价指标，进而从安全性（风险）、可靠性和性能3个维度来分析主要部件对系统的影响，实现水泵水轮机系统量化评估，为电站的检修维护提供参考。
1 水泵水轮机评价指标体系
1.1 水泵水轮机系统
水泵水轮机作为一个系统，其主要部件包括蜗壳座环、导水机构（包括顶盖、底环、导叶、导叶套筒、拐臂及连杆、控制环、导叶接力器）转轮、水导轴承、主轴及主轴密封。
1.2 水泵水轮机系统评价指标
水泵水轮机系统状态评估应从安全性（风险）、可靠性和性能3个维度来分析主要部件对系统的影响。其中，安全性指标是指水泵水轮机主要部件发生故障的后果和发生故障的概率对水泵水轮机系统的影响;可靠性指标是指可用率、无故障连续运行时间、大修间隔时间和使用期限（寿命）。水泵水轮机的性能指标包括功率、效率、流量、飞逸转速、空蚀、磨蚀、振动、噪音、压力脉动、轴向水推力以及轴承温度。
1.3 水泵水轮机系统评价指标体系构建
水泵水轮机系统评价指标体系主要包括目标层、准则层、指标层和方案层，其中目标层是我们研究需要达到的目的即水泵水轮机系统的状态评估。准则层为实现目标层所定义的准则，即评估水泵水轮机系统的3个维度包括安全性、可靠性和性能。指标层则为安全性、可靠性和性能的具体体现指标。方案层则为构成水泵水轮机系统的各主要部件包括蜗壳座环、导水机构（包括顶盖、底环、导叶、导叶套筒、拐臂及连杆、控制环、导叶接力器）转轮、水导轴承、主轴及主轴密封。为了评估各主要部件对水泵水轮机系统的权重影响，采用专家经验法确定权重分配，进而结合各主要部件的状态评估结果实现水泵水轮机系统的状态评估。
2 水泵水轮机主要部件状态评价指标
由于水泵水轮机主要部件均为机械部件，其状态评价指标首先从机械状态和部件运行状态两个维度来进行评估。部件机械状态主要包括结构完整性、功能性以及性能，其中结构完整性是指该部件在其设计服役寿命内能否承受工作荷载而不失效的能力，包括应力、变形以及疲劳寿命;功能性是指部件能否实现系统为其预定的目的和用途;性能是指部件实现其预定目的和用途的能力。部件运行状态的评估是指通过在线监测参数的评估来反映部件的工作状态。其次，通过对运行10年以上、单机容量150MW以上的水泵水轮机主要部件典型故障案例进行分析、归纳和总结，进而提炼出能够反映主要部件故障原因的状态量。因此，主要部件状态评价指标应在具备可执行性和可操作性的基础上，结合机械状态指标、运行状态指标和典型故障案例分析的成果综合确定。
2.1 典型故障案例统计分析
通过对典型设备故障案例的统计分析，其中水泵水轮机系统（不包括调速器和球阀）共计65项。其按系统设备分导水机构30项（包括顶盖6项，底环1项，导叶3项，导叶套筒、拐臂及连杆20项），转轮6项，水导轴承7项，主轴密封8项，其他（主要是控制阀、电动阀等）14项。具体结果详见表1。
2.2 水泵水轮机主要部件评价指标分析
根据主要部件状态评价指标选取原则，该文选取转轮作为示例，对其故障原因及可能造成的后果进行了分析，具体详见表2蜗壳评价指标分析。
2.3 水泵水轮机主要部件状态评价指標权重确定
《IEC62256-2017水轮机、蓄能泵和水泵水轮机复原与性能改进》[1]对水泵水轮机单个部件的权重明确为设备的物理状态权重为47%，运行年限权重为20%，修复检修成本权重为33%。根据水泵水轮机主要部件状态评价指标对水泵水轮机（部件）安全可靠运行和性能的重要程度，从轻到重分为1级、2级、3级、4级、5级、6级、7级、8级、9级、10级，其权重分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，具体见表3。
为了实现对水泵水轮机系统及其部件状态的量化评价，根据水泵水轮机主要部件评价指标的劣化程度，从轻到重分为10级。分别为1级、2级、3级、4级、5级、6级、7级、8级、9级、10级，对应的扣分值为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，具体见表4。劣化最严重，超过相关规程规范限定的正常运行范围边界的为7～10分;中度劣化，处于相关规程规范限定的正常运行范围边界的为4～6分;轻度劣化，具有相关规程规范限定的正常运行范围边界的趋势，但未超过该限值的为1～3分。
水轮机水轮机主要部件评价指标的扣分值由评价指标权重、基本扣分值共同决定，即评价指标的扣分值等于该评价指标的基本扣分值乘以该评价指标权重。
3 水泵水轮机状态评价标准
3.1 主要部件的状态评价指标的判断依据
目前国际国内参考标准或规范均部分或者涉及了对设备状态评价指标的评价标准，但仍然存在诸如评价指标评价判断依据不合理，缺乏工程实践的可操作性及指导性，从而导致无法为设备的状态检修提供理论依据。该文以蜗壳的部分评价指标为例，对其判断依据进行了细化，具体见表5。
3.2 主要部件的状态评价方法
《IEC62256-2017 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机复原与性能改进》规定了水轮机物理状态的检查结果的评分要求见表6。
而国内类似输变电设备状态评价标准如国家电网公司《主要输变电设备状态评价导则》[2]、南方电网公司《设备状态评价与风险评估导则》[3]等将设备的状态划分为正常状态、注意状态、异常状态和严重状态。考虑国际国内在评分上没有本质的区别，该文亦将水泵水轮机的状态评价划分为正常状态、注意状态、异常状态和严重状态。其中正常状态是指按照相关标准和规范，经评定设备的状态在规定的正常运行范围内水泵水轮机可以长期稳定运行的状态。注意状态是指设备的评价指标（单项或多项）具有接近规定的正常运行范围边界的趋势，但未超过该限值，设备在实时监控的条件下具备长时间运行能力的状态。异常状态是指设备的评价指标（单项或多项）处于或略超过规定的正常运行范围边界，设备在实时监控的条件下具备短时运行能力的状态。严重状态是指设备的评价指标（单项或多项）超过规定的正常运行范围边界，设备不能够满足运行能力的状态。
水泵水轮机的部件状态评价仅考虑评价指标单项的扣分情况，部件状态评价标准见表7。当任一评价指标单项扣分达到表6规定[1，40）区间时，视为正常状态;当任一评价指标单项扣分达到表7规定[40， 60）区间时，视为注意状态;当任一评价指标单项扣分达到表7规定[60，80）区间时，视为异常状态;当任一评价指标单项扣分达到表7规定[80，100]区间时，视为严重状态;当该部件所有评价指标评价为“正常状态”时，该部件评价为“正常状态”;当任一评价指标为“注意状态”“异常状态”“严重状态”时，整体评价为其中最严重的状态。
3.3 水泵水轮机系统状态评价方法
在IEC62256-2017中未对各主要部件对水泵水轮机系统的影响进行明确，当然也没有提出相应地权重。而类似国内标准考虑到工程实践中的可靠性问题，采用的类似木桶效应的概念，也就是系统的状态取决于主要部件中最差的状态，因此该文亦采用此方法。当主要部件评价为“正常状态”时，设备整体评价为“正常状态”;当任一主要部件为“注意状态”“异常状态”“严重状态”时，整体评价为其中最严重的状态。
4 结语
水泵水轮机的状态评价是一个复杂的系统工程，该文基于“故障原因—主要部件状态评价指标体系—在线监测参数”相结合的主要部件安全评估模型构建了水泵水轮机部件及系统评价体系，同时运用专家分析法来确定相应地评价指标权重和扣分值，实现了水泵水轮机系统及主要部件的状态的量化评价，为机组的检修维护工作提供决策依据。同时，该模型也存在一些不足，比如权重指标和扣分值的确定基本上依赖于专家经验，未来水泵水轮机状态评价系统将采用更好的分析方法比如层次分析法来确定指标权重，实现评估模型对专家经验的过于依赖，提供模型的可靠性和精确度。
参考文献
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