楊永超，鐘建偉

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

水電機組在運行過程中的振動是一種普遍存在的且不可避免的現(xiàn)象.最近幾年，隨著我國水電事業(yè)的快速發(fā)展，各種裝機容量的水電機組不斷增多，如何保證水電機組的安全穩(wěn)定運行，是水電企業(yè)必須考慮的重要問題.

振動參數(shù)是反映水電機組運行狀態(tài)的重要參數(shù)，同時異常的振動也是損壞設(shè)備的重要原因之一[1].據(jù)統(tǒng)計，水電機組約有80%的故障或事故都在振動信號中有所反映[2].劇烈的振動可能破壞水力機組結(jié)構(gòu)、降低運行效率和機組出力；同時，異常振動一旦發(fā)生，小則產(chǎn)生噪音，大則危及安全釀成事故，直接影響整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[3].因此，對水電機組的運行過程中的振動狀態(tài)進行監(jiān)測，對機組的有關(guān)性能指標(biāo)進行及時的評估，就能預(yù)測設(shè)備可能發(fā)生的故障，進而可以指導(dǎo)檢修維護人員及時消除故障或設(shè)備缺陷，實現(xiàn)水電站 “無人值班”或“少人值守”，這對于提高水電站的安全經(jīng)濟運行和管理水平具有重要的意義.

1 振動監(jiān)測分析

1.1 水電機組振動產(chǎn)生的原因及特征

在水電機組的運行過程中，根據(jù)振源的不同，其振動的形式主要有機械振動、電磁振動和水力振動等三種[2].機械振動主要是由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子或水輪機轉(zhuǎn)輪質(zhì)量不平衡、主軸軸線彎曲或在法蘭處對中不良、推力軸承中的軸瓦磨損、推力頭松動等原因造成，其振動特征是機組振幅隨轉(zhuǎn)速變化較敏感，且水平振動較大；電磁振動是由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子與定子之間由于氣隙不均勻、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路、定子繞組固定不牢等原因而引起的磁拉力不平衡而造成的，其振動特征是振動隨勵磁電流的增大而增大，且上機架處振動較為明顯；水力振動是由于導(dǎo)葉中的不均勻流場形成的渦帶進入轉(zhuǎn)輪、管道或蝸殼水流不均等原因而引起的，其振動特征是振動隨工況而變化，在負荷、水頭、流量等參數(shù)變化時，振動幅值也將產(chǎn)生相應(yīng)的變化[4].

1.2 振動監(jiān)測點的選擇

振動監(jiān)測點的選擇與布置是獲取水電機組運行狀態(tài)信號的重要環(huán)節(jié).監(jiān)測點的選擇和布置應(yīng)使系統(tǒng)盡可能多的獲得機組工作狀態(tài)下的各種信息.因此，監(jiān)測點選擇的正確與否將直接影響所采集振動信號的真實性和準(zhǔn)確性，進而影響監(jiān)測系統(tǒng)對機組運行狀態(tài)評估的準(zhǔn)確性.如果監(jiān)測點太少，就不能完全反映機組的運行狀態(tài)；而監(jiān)測點過多，其經(jīng)濟性就差，而且使系統(tǒng)更加復(fù)雜.所以，在監(jiān)測點的選擇和布置上，應(yīng)該選擇最具代表性、最能捕捉機組運行狀態(tài)的監(jiān)測點[5].

對于水電機組來說，影響和表征機組運行穩(wěn)定性的參數(shù)主要有機架振動、主軸擺度以及蝸殼、尾水管等處的壓力等參數(shù).根據(jù)水電機組的結(jié)構(gòu)和運行特點，以及現(xiàn)場的實際工況，本系統(tǒng)中各種傳感器的位置選擇和布置情況如下：

1)振動傳感器6只：上、下機架的X、Y方向各1只，頂蓋的Y、Z方向各1只，用于測量主要固定部件的振動幅度；

2)擺度傳感器6只：上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)等三處的X、Y方向各1只，用于測量主軸的擺度；

3)壓力傳感器1只：壓力測點通常選擇蝸殼進水口、頂蓋、尾水管等處，為力求簡單，只需在尾水管處布置1個測點即可；

4)光電傳感器1只：布置在主軸附近，用于獲取鍵相信號，確定其他信號整周期采樣的基準(zhǔn)點.

除此之外，為了對機組狀態(tài)進行更好的分析與評估，還應(yīng)引入工作水頭、水位、機組的出力、勵磁電流、導(dǎo)葉開度等物理量，可安裝相應(yīng)的傳感器或從已有的監(jiān)控設(shè)備獲取即可.

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件組成及設(shè)計

本系統(tǒng)硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集卡、各種類型的傳感器、信號電纜、PC機等組成[6]，系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示.

系統(tǒng)中各種傳感器在選型時須考慮其靈敏度、頻率響應(yīng)、線性度、輸出范圍、抗干擾能力以及結(jié)構(gòu)、體積和安裝方式等方面因素.水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速一般較低，故振動傳感器宜選擇適合于測量低頻振動的速度型振動傳感器.考慮到國外的低頻振動傳感器的下限頻率較高，本系統(tǒng)采用國產(chǎn)的DP型振動傳感器，其下限頻率可達1 Hz.

水電機組的擺度測量屬于小位移動態(tài)非接觸測量，故擺度傳感器應(yīng)選擇用于測量小位移的電渦流傳感器.由于電渦流傳感器的輸出信號受強磁場影響較大，建議采用國外的高性能傳感器，以獲取更可靠的數(shù)據(jù).本系統(tǒng)采用德國申克(B&K VIBRO)IN系列電渦流傳感器.

尾水管壓力脈動的測量要求所選變送器具有很高的測量精度、良好的動態(tài)特性以滿足實時監(jiān)測的要求.本系統(tǒng)采用德國久茂(JUMO)系列壓力變送器.

光電傳感器主要用于產(chǎn)生鍵相信號，其精度要求不高，適當(dāng)選取即可.

數(shù)據(jù)采集卡選用研華PCI-1715U.PCI-1715U是一個帶有PCI總線的低功耗多功能、帶隔離保護的高速模擬輸入卡.它提供32路模擬輸入通道，采樣速率可達500 KS/s，具有12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換分辨率、高達500KS/s采樣速率的A/D轉(zhuǎn)換；每一路輸入通道單獨可編程增益，板上1024采樣FIFO緩存.外部輸入接口為DB-37，可外接DB-37轉(zhuǎn)接板，用于連接各種傳感器或其他模擬量輸入信號.該卡簡單易用,為即插即用型的卡,可以直接接入到PC機的PCI總線的擴展插槽中.PC機接收從數(shù)據(jù)采集卡所采集到的數(shù)據(jù)并進行存儲.

2.2 軟件功能及設(shè)計

系統(tǒng)軟件編制采用功能強大、簡單易學(xué)的Borland C++Builder 6.0作為開發(fā)平臺，以Windows XP作為操作系統(tǒng)平臺.開發(fā)過程中綜合應(yīng)用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計、應(yīng)用動態(tài)鏈接庫、多線程、圖形處理以及數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，并結(jié)合研華公司的ActiveDAQ Pro測量控件和圖形控件，使整個系統(tǒng)具有人機界面美觀友好、操作簡單直觀.系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示.

2.2.1 參數(shù)設(shè)置模塊 參數(shù)設(shè)置模塊用于對相應(yīng)的物理量進行數(shù)據(jù)采集時設(shè)置合適的參數(shù)，如采樣頻率、采樣點數(shù)、通道編號等，同時還包括對水電機組的運行情況進行設(shè)置，如轉(zhuǎn)速、勵磁電流、負荷情況、水位情況等.對采集卡設(shè)置合適的物理參數(shù)可使被采集的信號更真實，同時方便后續(xù)對各種采集數(shù)據(jù)分析時結(jié)合機組的具體工況，得到更加準(zhǔn)確的分析結(jié)果.

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊是軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊.系統(tǒng)運行時既要實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集又要實現(xiàn)實時波形顯示和監(jiān)測，這就需要多線程技術(shù)進行控制[7].主線程用于采集數(shù)據(jù)，輔助線程用于波形顯示和監(jiān)測，啟動主線程之后立刻啟動輔助線程.需要指出的是，該模塊中所包含的“超限報警”功能，是指人為的設(shè)定相關(guān)的閾值參數(shù)，如主軸的軸心軌跡偏移最大值、機架振動的最大值等，在機組運行過程中，如果系統(tǒng)監(jiān)測到相關(guān)的參數(shù)超過所設(shè)定的閾值，就當(dāng)即發(fā)出報警信號[8]，提醒值班人員進行檢查.

2.2.3 數(shù)據(jù)分析模塊 數(shù)據(jù)分析模塊是整個軟件系統(tǒng)中另一關(guān)鍵模塊，對于計算機采集到的海量數(shù)據(jù)，必須依靠相應(yīng)的軟件算法對其進行進一步的分析和處理，研究振動數(shù)據(jù)所包含的各種信息并提取能表征水電機組運行狀態(tài)的重要特征，從而得到正確的分析結(jié)果.該模塊主要用于對采集到的數(shù)據(jù)進行各種處理和分析，包括數(shù)字濾波、時域分析、頻域分析、能量譜分析、功率譜分析以及主軸的軸心軌跡等.

此外，在該模塊中，還可以引入其他的數(shù)據(jù)分析方法.目前，針對旋轉(zhuǎn)機械振動測試數(shù)據(jù)常用的分析方法主要有[9-10]：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)、小波分析法、支持向量機(SVM)、D-S證據(jù)理論、模糊理論、粗糙集理論等，每一種方法都有其不同的優(yōu)缺點，究竟采取哪一種方法對所采集到的數(shù)據(jù)進行處理，以及提取哪些能表征水電機組振動狀態(tài)的重要特征，還需要進行大量的實驗研究和現(xiàn)場測試.

2.2.4 數(shù)據(jù)管理模塊 數(shù)據(jù)管理模塊用于對所采集到的歷史數(shù)據(jù)進行查詢、歷史趨勢分析、各種報表的生成，以及數(shù)據(jù)的輸出和打印等.

3 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)

使用上述的振動監(jiān)測系統(tǒng)對某55MW水電機組在不同出力工況下進行測試，所測數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 某55 MW水電機組在不同工況下的擺度及振動幅值

從表1數(shù)據(jù)可以看出，在不同的工況下，各被測部件的擺度幅值隨機組的出力變化沒有明顯的規(guī)律，但在機組出力在25.5 MW附近時，擺度幅值相對較大；各被測部件的振動幅值隨機組的出力變化亦沒有明顯規(guī)律，但總體要比擺度幅值低.

需要指出的是，一般情況下難以獲得故障狀況下的數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立是一個長期過程，其“超限報警”功能中的閾值設(shè)定亦是一個不斷更改和完善的過程.在監(jiān)測過程中，若系統(tǒng)“超限報警”，只是表明所采集到的實時數(shù)據(jù)超出了系統(tǒng)中所設(shè)定的閾值，不一定是機組出現(xiàn)故障.因而要實現(xiàn)水電機組的振動狀態(tài)的智能準(zhǔn)確監(jiān)測，系統(tǒng)還需要較長時間的數(shù)據(jù)采集、分析和學(xué)習(xí)的過程.

4 結(jié)語

水電機組的振動狀態(tài)監(jiān)測作為狀態(tài)檢修的技術(shù)基礎(chǔ)，正在越來越多的水電廠得到推廣應(yīng)用.本文通過對水電機組運行工作時的振動情況進行分析，確定了各種傳感器的選型和布置方法；以Borland C++Builder 6.0作為開發(fā)平臺的水電機組虛擬振動測試系統(tǒng)界面簡單明了、操作方便，能迅速而有效地把水電機組在各種過程中的振動情況整理成數(shù)據(jù)或圖表，使得監(jiān)測、查詢以及分析過程都非常直觀具體.整個測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，功能強大.通過對某55 MW水電機組進行振動狀態(tài)監(jiān)測試驗，表明該系統(tǒng)監(jiān)測效果良好，有著很好的應(yīng)用前景和推廣價值.

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