劉潤根，楊 虹，李 輝，白 亮，張宇飛

（1.江西省水利規(guī)劃設計院，江西 南昌 330029；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038；3.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048；4.西安拓銳電氣技術有限公司，陜西 西安 710075）

水電站機組智能盤車系統(tǒng)設計與應用

劉潤根1，楊 虹2，李 輝3，白 亮3，張宇飛4

（1.江西省水利規(guī)劃設計院，江西 南昌 330029；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038；3.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048；4.西安拓銳電氣技術有限公司，陜西 西安 710075）

針對傳統(tǒng)人工盤車精度差、耗時長、缺乏精確調整方法的缺陷，提出了一種能夠自動連續(xù)測量、智能生成盤車調整方案的水電機組智能盤車系統(tǒng)。隨后論述了該系統(tǒng)的結構、原理以及其數據處理平臺的功能。在白云山水電站以國家標準進行了盤車試驗，結果證明該系統(tǒng)具有通用性好、方便靈活、智能化高的特點，適合在水電站及檢修公司推廣應用。

盤車系統(tǒng)；水電機組；檢修

中國水電系統(tǒng)經過近20年的快速發(fā)展，現在水電裝機總容量已經超過了2億kW，建成大中小水電站超過了4.5萬座［1］。水電機組是水電廠的關鍵設備，機組運行狀態(tài)的好壞直接影響水電廠的安全運行［2］。水電機組盤車是調整水輪機軸與發(fā)電機軸軸線的過程，在水電站大修過程中，盤車的時間和精度對于大修質量和大修時間影響巨大。隨著越來越多水電機組的投運，自動化盤車系統(tǒng)［3-4］大量應用于機組檢修。但這些盤車系統(tǒng)僅解決了自動轉動問題，并不能提高盤車的速度與工藝，且已有自動化盤車系統(tǒng)造價高、維護復雜，無法得到很好應用［5-7］。

為了提高盤車的準確與適用性，文獻［8］提出了一種基于改進遺傳算法提取正弦信號參數的求解方法。該方法通過遺傳算法實現了連續(xù)采樣數據的正弦擬合，突破了傳統(tǒng)等角8點盤車的局限，但在實際盤車中并非所有盤車數據都能呈現正弦曲線，通過數據擬合可能出現對盤車中高點位置判斷不準的情況。文獻［9］建立了任意角盤車擺度公式，通過計算機對盤車數據進行處理及擬合，并在云峰發(fā)電廠進行了應用。該方法不依靠8點定位，而是通過連續(xù)測量擬合構成正弦曲線，多次測量后選擇1條接近正弦曲線的實測值作為盤車數據。但該方法在實際盤車中需多次測量，忽略了盤車實際條件且無法指導盤車的調整，現場適應性較差。

本文從水電站機組盤車的實際情況出發(fā)，研究了自動測量以及自動出具調整方案的方法，開發(fā)出一種實用的智能盤車系統(tǒng)。系統(tǒng)采用先進的傳感器與快速采集裝置完成不停點盤車測量，計算機自動記錄數據并自動出具盤車調整方案。通過白云山水電站1號機組盤車試驗，效果良好，具有較高的推廣應用價值。

1 機組盤車軸線處理調整方式與計算

1.1 軸線調整方式水輪發(fā)電機組軸線的調整通常采用在推力頭與鏡板之間加銅或鋼墊、刮削推力頭與鏡板之間絕緣墊、中間聯軸法蘭面之間加銅或鋼墊和刮削中間聯軸法蘭接觸面四種方式［10］。（1）推力頭與鏡板之間加墊。此種調整方式操作簡單、易行，速度快，修正量易掌握，反復調整次數少，節(jié)省調整時間。但在推力頭與鏡板之間加金屬墊，易破壞推力頭與鏡板之間的絕緣，當發(fā)電機轉子絕緣下降時，推力瓦與鏡板之間極易形成軸電流，造成推力瓦燒蝕或潤滑油變質。另外，金屬墊與鏡板之間接觸面小，易引起鏡板變形。（2）刮削推力頭與鏡板之間絕緣墊。此種調整方式安全、可靠、易行。但調整速度慢，修正量不易掌握，需反復多次調整，對調整人員業(yè)務素質要求高。此種調整方式較為常見。（3）中間聯軸法蘭面之間加銅或鋼墊。此種調整方式操作簡單、易行，速度快，修正量易掌握，反復調整次數少，節(jié)省調整時間。此種調整方式也較常見。（4）刮削中間聯軸法蘭接觸面。此種調整方式操作難度大，速度慢，需專用設備，修正量不易掌握。一般不采用此種調整方式。

1.2 軸線調整計算不論總軸線曲折情況如何，只要法蘭及水導處擺度均符合規(guī)定即可。如果軸線曲折小，而擺度較大，可采用刮削推力頭底面或絕緣墊的方法綜合調整；若采用上述方法調整仍達不到要求時，才處理法蘭結合面［11-12］。

水導軸頸處的傾斜值:

式中：Jca為水導軸頸處的傾斜值，mm；Φc為水導處的全擺度值，mm；Φa為上導處的全擺度值，mm；Φca為水導處的凈擺度值，mm。

（1）刮削推力頭或絕緣墊底面的最大厚度：

式中：δ為推力頭或絕緣墊最大刮削厚度，mm；L為上導測點至法蘭測點的距離，mm；L1為水導測點至法蘭測點的距離，mm；L2為上導測點至水導測點的距離，mm。

（2）處理法蘭結合面時，需刮削或加墊的最大厚度：

式中：δφ為法蘭結合面應刮削或墊入的最大厚度，mm；Jc為由法蘭結合面與軸線不垂直造成水導處的曲折傾斜值，mm；Dφ為法蘭盤直徑，mm；Jcba為按法蘭處傾斜值成比例放大至水導處的傾斜值，mm；Jca為法蘭處實際傾斜值，mm。

δφ為正值時，該點法蘭處應加金屬墊，或在它對側刮削法蘭面；δφ為負值時，則相反。

2 智能盤車系統(tǒng)結構

系統(tǒng)結構如圖1所示，由傳感器、數據采集器、筆記本電腦組成。傳感器是測量部件，用以替換傳統(tǒng)盤車的百分表，一般選用非接觸式電渦流傳感器；采集裝置主要用于將傳感器信號變成數字信號，完成信號的調理和A/D轉換。筆記本電腦是系統(tǒng)的控制中樞和分析計算中樞，用于盤車數據的分析計算，仿真模擬，以及出具調整方案等。

2.1 傳感器布置傳感器采用電渦流傳感器，該根據檢測線圈與被測導體之間的渦流效應原理進行測量，和傳統(tǒng)百分表測量相比，具有非接觸測量、精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點。

在系統(tǒng)中需要配置7只電渦流傳感器，其中6只為測量傳感器，1只為角度傳感器。6只傳感器中3只作為X方向傳感器，放置軸瓦軸頸處并在機組1點方向，另外3只作為對照，并設置為Y方向，發(fā)安置放置軸瓦軸頸處并在機組3點方向。

2.2 數據采集器數據采集系統(tǒng)采用8通道數據同步采樣系統(tǒng)，保證被測部位數據同步，采樣精度為16位AD采樣，同時使用差分輸入方式減少干擾信號對采集系統(tǒng)的干擾，采集系統(tǒng)通過軟件定時采樣，采樣頻率為512 Hz，這樣既保證了實時性又保證了CPU采樣的準確性。

數據采集系統(tǒng)包括放大器、濾波器等在內的信號調理電路和包括多路模擬開關、采樣/保持電路、A/D轉換器以及接口控制邏輯電路的數據采集卡組成。

圖1 系統(tǒng)結構

多路模擬開關可以分時選通來自多個輸入通道中的某一路通道，讓這些信號共享采樣/保持電路和A/D轉換等器件。多路模擬開關在控制信號作用下，按指定的次序把各路模擬信號分時地送到A/D轉換（ADC）成數字信號。

該系統(tǒng)要求采集傳感器時應采用同步采樣，但是用同步采樣需要8塊AD采樣芯片，同時控制電路也很復雜。在實現時有較大難度，本文采用一塊AD采樣芯片，兼顧同步性采用了分組采集（偽同步采集）方式。

2.3 數據分析與處理平臺數據分析與處理平臺安裝在現場筆記本中，是整個系統(tǒng)的核心。該平臺主要實現數據采集、數據處理、結果計算、報表輸出，同時可以配置單盤、連盤、手動與自動盤車。

數據分析與處理平臺采用DELPHI2006系統(tǒng)編制，該系統(tǒng)主要有如下功能：

盤車圖功能。盤車圖功能是主界面，它表達了原始盤車數據記錄情況與盤車時的配置信息，在盤車過程中起到監(jiān)視數據作用。它具備實時顯示傳感器數據，加載和保存盤車數據功能，其界面如圖2所示。

圖2 盤車圖功能

盤車表功能。盤車表主要用于配合電廠記錄數據的習慣，對盤車后數據進行表格化處理，與電廠盤車記錄表格一致，界面如圖3所示。

圖3 盤車表功能

（3）盤車軸線圖顯示。盤車軸線圖主要用于將測量數據通過計算繪制成空間軸線圖，用于表達機組軸線傾斜方向與傾斜程度，為軸線調整提供依據。其程序截圖如圖4所示。

圖4 盤車軸線圖

（4）調整方案功能。通過數據與式（2）、式（3），可以計算出本次推力頭和法蘭的調整方位以及調整量，該功能主要用于軸線調整決策以及刮削絕緣墊的方法和大小，其界面如圖5所示。

（5）仿真調整功能。由于在以上調整方案中是通過理論計算得到的調整量，其目的是將機組發(fā)電機軸與水輪機軸調整為一條直線，并與中軸線重合，但在實際盤車中很難達到這種理想的狀態(tài)，在盤車國家標準中只要求法蘭擺度與水導擺度在合理的范圍之內即可，該系統(tǒng)開發(fā)了仿真調整功能，通過軟件進行模擬仿真盤車，在軟件上進行盤車調整模擬以代替實際的盤車調整嘗試，這樣可以減少盤車次數與大量的人工勞動，界面如下圖6所示。

3 白云山一級水電站智能盤車應用

圖5 調整方案界面

圖6 仿真調整功能

3.1 電站及機組盤車參數簡介白云山一級水電站位于江西省吉安市青原區(qū)富田鎮(zhèn)，屬長隧洞引水式發(fā)電站，電站安裝有兩臺單機容量6.5 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機組，裝機容量 13 MW，機組設計流量 15.8 m3/s，電站首臺機組 1978年并網發(fā)電。其1號機組盤車參數如表1所示。

3.2 盤車準備在上導軸頸及下導處沿著圓周劃8等分線，并順次標好對應標號。調整推力瓦受力，使鏡板處于水平狀態(tài)。在上導軸頸、下導軸頸，水導軸頸處，X方向和Y方向各安裝一只傳感器。系統(tǒng)在使用傳感器前，要進行率定，將率定值配置到采集系統(tǒng)中。

3.2 第1次盤車數據與調整盤車數據如表2所示。系統(tǒng)自動給出的機組總軸線如圖7所示。系統(tǒng)自動給出的調整方案如圖8所示。

3.3 第2次盤車數據與調整在第1次盤車測量中發(fā)現發(fā)電機軸嚴重不合格（標準值為8絲），水輪機軸合格，系統(tǒng)建議調整方案為在3點調整2.8，2點調整2.5，1點調整1.3。通過系統(tǒng)手工模擬并結合建議調整方案，決定在2、3點推力頭刮削1.5絲，進行第2次盤車。此次盤車結果并不理想，僅僅比第1次盤車法蘭最大值小5絲，從數據來看下導全擺度數據都為正值，說明機組鏡板并不水平，造成推力頭刮削效果不好。因此對推力瓦進行調整，由于數據根據X方向得出，且為正值，說明機組在盤車過程中偏向X方向，故提高X方向推力瓦高度2絲，之后進行第3次盤車。

表1 白云山一級水電站1號機組盤車參數

表2 第一次盤車數據

圖7 盤車機組軸線圖

圖8 調整方案

3.4 第3次盤車數據與調整第3次盤車結果水導軸頸處最大傾斜值為21，法蘭實際最大值為8，均合乎國標。從本次盤車的結果來看，雖然鏡板的水平仍然有一定的傾斜，但盤車結果已經滿足了國標的要求。

4 結論

本文著重論述了智能盤車系統(tǒng)的體系結構，并通過對白云山一級水電站1號機組盤車試驗驗證了系統(tǒng)的適用性，準確性和有效性。通過本系統(tǒng)可迅速準確的得到盤車數據，自動提供機組盤車調整方案，減少了盤車工作量，提高工作效率。本文有如下結論：（1）傳感器采用電渦流傳感器，該根據檢測線圈與被測導體之間的渦流效應原理進行測量，和傳統(tǒng)百分表測量相比，具有非接觸測量、精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點。（2）傳統(tǒng)盤車采用8點百分表測量方式，要求機組在測量周期內必須一點一停記錄數據，頻繁停啟尤其是采用機械絞盤或電動盤車時，較大的沖擊力矩會使機組產生瞬時位移導致機組盤車測量的誤差。本系統(tǒng)由于采用了自動測量，在機組大軸上標記了8鍵相塊，這樣機組在盤車測量過程中不需要每點一停，當通過機組轉動通過鍵相塊時，系統(tǒng)會自動采集并記錄數據，避免了以上問題。（3）本系統(tǒng)同時給出理想盤車方案，目的是將發(fā)電機軸和水輪機軸調成一條直線，但在現場使用過程中發(fā)現此方法雖然計算準確但無法將水輪機組盤至一條直線的效果，尤其在盤車后期調整幅度不大的情況下，可能會出現調整過頭的情況。因此結合盤車國家標準，開發(fā)了手動模擬盤車，通過在軟件上的拖拉的方式將水輪機軸和發(fā)電機軸拉至國家標準，同時系統(tǒng)可以自動輸出調整的方位和調整幅度，這樣可以減少不必要的調整。（4）盤車前機組條件應滿足檢修要求，尤其是推力瓦水平要求，該系統(tǒng)在盤車過程中能通過測量計算全擺度發(fā)現推力瓦不水平的情況，并在本次盤車試驗中得到的驗證。

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Design and application of intelligent barring system for hydro-generating unit

LIU Rungeng1，YANG Hong2，LI Hui3，BAI Liang3，ZHANG Yufei4
（1.Jiangxi Provincial Water Conservancy Planning and Design Institute，Nanchang 330029，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；3.Institute of Water Resources＆Hydropower Engineering，Xi'an University of Technology，Xi’an 710048，China；4.Xi’an Tuorui Electrical Tecnology Co.，Ltd，Xi’an 710075，China；）

For the existing problems such as poor measuring precision，long time consumption and lack of precise adjustment ways in the traditional manual barring method.An intelligent barring system is pro?posed，which is capable of measuring automatically and continuously，and generating adjustment plan by it?self.In this paper，the structure，the principle and the function of data-processing platform are discussed. A relevant test has been implemented in Baiyunshan hydropower station.The result shows that this pro?posed barring system has the features of high generality，flexibility，convenience and high intelligence，practical proofs that the system is suitable for the hydropower station and maintenance company.

barring system；hydro-generating unit；maintenance

TV738

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.01.012

1672-3031（2015）01-0074-07

（責任編輯：韓 昆）

2014-10-28

國家自然科學基金項目（51209172）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（2010JK730）

劉潤根（1963-），男，江西人，高級工程師，主要從事水力機械設計研究。E-mail：jsjzx@jxsly.com