基于数据驱动的水电站球阀系统状态评估与故障诊断方法研究

前言：水电站进水球阀作为水轮发电机组的核心部分，对于机组运行效率以及安全防护具有决定性意义。在我国早期建造起来的中小型水电站之中，使用年限在 30 到 30 年的球阀在设计方面都存在的些许问题，比如体量巨大，漏水情况严重，开启或关闭过程不通畅，紧急切断功能反应迟钝之类的问题，严重影响水电站的正常运转。近些年来虽有新研制出的球阀在某些功能和安全保护方面取得进步，不过所搭配的液压控制系统的复杂程度有所提高，工作所需的气压也在逐步加大，这无疑又加重了系统自身的维护压力难度。

1.基于数据驱动的水电站球阀系统状态评估

1.1 蓄能器

蓄能器是水电站球阀系统的重要组成部分，它的主要功能就是存储并释放液压能量，从而维持系统的压力稳定，在数据推动的状态评判中，蓄能器的状态可通过观察其压力、温度以及充气压力等参数来进行评判，安装在蓄能器上的传感器能够随时搜集这些参数，并用数据推动模型剖析这些参数的变化趋势，像通过观察蓄能器的压力变化就能判定蓄能器是否有泄漏或充气不足的情况，如果蓄能器的压力下降速度过快，这就表明蓄能器有泄漏现象，要是充气压力低于设定值，就要再次充气，而且，通过剖析温度数据，还可以判定蓄能器是否处于正常的温度范围之内，以免由于温度过高或者过低而造成蓄能器的性能降低[1]。

1.2 接力器液压油缸

接力器液压油缸是球阀系统中推动球阀打开或者关闭的主要执行装置，它的状况评定主要关注液压油缸的密封状况、活塞运作是否平稳以及液压油的清洁程度，通过在液压油缸上安装诸如压力传感器、位移传感器、流量传感器之类的元件，从而能够及时了解液压油缸的工作情况，如果检测到液压油缸的压力突然下降，就表明系统内部可能存在内部泄露，而活塞运作若不够稳定，则可能是液压油中有杂质或者液压系统产生了气穴现象所导致的[2]。

1.3 换向阀及节流阀

换向阀和节流阀是液压系统中的控制元件，它们用来控制液压油的走向以及流量，换向阀的状态评估重点在于它切换的准确度与反应速度，节流阀的状态评估重点在于它流量控制的准确度，通过给换向阀和节流阀装设位置传感器和流量传感器，随时监测换向阀和节流阀的工作状况，然后借助数据驱动的方式来剖析传感器所搜集到的数据，就可以评判出换向阀和节流阀的性能。

1.4 液压容腔

液压容腔是液压系统当中极为关键的部分，其主要任务是储存并调节液压油的流量以及压力，在对液压容腔执行实施状态评定的时候，重点考察它的密封状况，之后在液压容腔上安装压力传感器，液位传感器以及温度传感器，就可以随时知晓它的运行情况，数据驱动凭借这些传感器所得到的数据来评判液压容腔的性能，一旦液压容腔的压力发生异常的波动，就表示该设备存在泄漏或者液压油被污染的情况，如果液位传感器显示液压油的液位非正常地降低，大概就是由于液压油泄漏或者液压油消耗的速度过快造成的，而且针对液压容腔的结构完好性展开监测，可以提前察觉到结构方面存在的隐患，进而采取一些保护手段，避免由于结构破坏造成液压系统产生故障。

2.仿真模型库及模型参数

2.1 球阀液压系统仿真模型库

球阀液压系统仿真模型库是用于模拟和分析球阀液压系统性能的重要工具，球阀液压系统分为系统的关键组件、控制逻辑、动态特性以及故障模式等多个部分。

第一，通过精确的数学模型来表达液压泵、液压缸、电磁阀等核心液压元件的特性在不同工况下的工作状态。例如，液压泵的模型构建时，需要考量它的排量、转速以及效率等因素，以准确模拟其在实际运行中的输出流量和压力。

第二，模型库包含了球阀的详细建模，不仅涉及球阀的几何结构和材料属性，还考虑了其在不同开度下的流阻特性。通过这些模型，可以模拟球阀在开启、关闭以及部分开启状态下的流体流动情况，同时仿真模型库还集成了系统的控制逻辑，如 PLC 控制信号、传感器反馈等，这些控制逻辑能够实现对球阀开度的精确调节，以满足不同的工艺需求。

第三，在动态特性方面，模型库能够模拟液压系统在启动、停止以及负载变化等瞬态过程中的压力和流量波动，这对于评估系统的稳定性和响应速度至关重要。通过仿真分析，可以优化系统设计，减少液压冲击和振动，提高系统的可靠性和使用寿命。此外，模型库还包含了常见故障模式的模拟，如液压元件的泄漏、堵塞以及电气故障等，通过这些故障模式的仿真，可以提前制定故障诊断和维修策略，降低系统停机时间和维修成本。

图 1 为节流阀模型封装前基于数学模型建立的输入、输出及参数设置程序框图。在节流阀的节流孔直径、弹簧刚度等数值的设定时，需要用MATLABSimulink 工具箱构建的仿真模型库，单独对某个元件的性能加以分析。

2.2 模型参数

液压元件的结构参数是液压系统设定和液压元件型号选定决定的，包括液压泵排量、蓄能器容积、接力器油缸直径、换向阀通道尺寸等很多项内容。在设置液压泵的参数时，要确定排量、额定压力、转速以及容积效率等因素，改善元件的耐用性与可靠性，恰当的结构参数设置可以改良液压元件的性能，进而改进液压系统的运行效率和稳定性。

动态性能特性参数显示的是液压元件运作过程中的动态表现，包含节流阀的动态反应特性、电磁换向阀的切换速度和压力损失，接力器的摩擦力和液动力系数等，这些参数的获取大多通过厂家给出的产品样本中的测试数据和专门的试验研究得出。

4 球阀紧急动水关闭过程仿真分析

4.1 研究背景与问题描述

某服役超过近四十年之久的冲击式水轮机水电站，其球阀装置为捷克生产并装有单面止水双球阀的系统，通径高达 1 米，以前使用的是环形接力器，直径达 2.15 米，控制系统设定的压力为8 兆帕，如今，该系统已改为具备事故密封以及工作密封的功能的单球阀结构，且所用的是双向油缸接力器，在设计压力方面有所提升，达到了16 兆帕，通常情况下，在正常运行状态下紧急动水关闭乃是该种类型球阀控制过程中最为关键的一环，而且在此时一旦出现失电或者发生突发性事故之类的极端情形的时候，其所体现出的技术复杂程度和实际操作的难度都非常高。

4.2 球阀液压系统仿真模型库

新系统各项参数及动态特性，涵盖双向油缸接力器精准建模，其在不同压力下的伸缩特性，密封状况以及与球阀联动机制也各不相同。针对紧急动水关闭过程，模型库仿真在极特殊工况下球阀的迅速反应快，系统惯性好。模型库还整合了包含压力传感器反馈，电磁阀动作时序以及出现故障时应急控制方案在内的新系统的控制逻辑，通过这些模型可全方位分析并改进新球阀系统在正常运转和危急情形下的性能表现，从而为水电站的安全运行给予支撑。

结语：目前我国对球阀及液压控制系统的研究基本上都是借鉴国外的技术，根据实际情况进行设计，没有相应的理论基础和分析，球阀及液压控制系统的构建主要围绕球阀本身主体功能来完成，对球阀控制过程中的动态特性研究较少，尤其是对球阀在开闭状态变化过程的研究较少，严重影响了设备的实际寿命，因此深入研究球阀及液压控制系统动态特性对提高水电站运行的安全性和可靠性具有重要的现实意义。

参考文献：

[1] 仇为鑫,张健,刘熠,俞晓东.水电站漏水球阀水力自激振动特性及减振研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2025,53(02):166-172.

[2] 王亚龙,董彦海,王戬,于金龙,李秉谦.水电站用液动球阀结构的分析与改进[J].阀门,2021,(04):237-240.