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水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組成及應(yīng)用探討

周俊（湖南省電力公司鳳灘水力發(fā)電廠，湖南 沅陵 419600）

水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及故障分析診斷系統(tǒng)的主要作用是對水輪發(fā)電機(jī)組的振動、擺度、局部放電等狀態(tài)監(jiān)測參量進(jìn)行實(shí)時采集和監(jiān)測。狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)是狀態(tài)監(jiān)測，只有在充分掌握設(shè)備狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，才能科學(xué)合理的安排檢修。對此，本文首先介紹了水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成和功能特效，然后結(jié)合實(shí)例詳細(xì)探究了水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用方式。

水輪發(fā)電機(jī)組；狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；應(yīng)用

1　引言

隨著電力系統(tǒng)“廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)”的改革深入，提高設(shè)備的可靠性和降低維修成本將是發(fā)電企業(yè)不斷追求的目標(biāo)，在發(fā)電廠實(shí)施設(shè)備狀態(tài)檢修是必然的發(fā)展趨勢。因此，詳細(xì)探究水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組成和應(yīng)用至關(guān)重要。

2　水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

2.1傳感器

傳感器是狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)，傳感器的可靠、準(zhǔn)確與否，將直接影響到全套系統(tǒng)的整體性能。根據(jù)機(jī)組的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，選擇滿足實(shí)際需要的各類傳感器，是機(jī)組實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測的首要工作。目前，應(yīng)用較廣泛的傳感器有電渦流傳感器、電容式位移傳感器、低頻速度傳感器、加速度傳感器、壓力脈動傳感器、差壓變送器、電容耦合器等，同一類型的傳感器測量精度、工作范圍也多種多樣，一般根據(jù)機(jī)組運(yùn)行需要進(jìn)行選擇。當(dāng)前國內(nèi)大型水電機(jī)組為了確保其運(yùn)行的穩(wěn)定性多用進(jìn)口傳感器，例如：德國Schenck、加拿大Vibrosystm傳感器等，但隨著國內(nèi)自動化水平的提高，國產(chǎn)傳感器的市場占有率也在逐年提高。

2.2數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元的類型也很多，主要負(fù)責(zé)各種信號的采集、存儲和預(yù)處理，并進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和分析，同時對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征參數(shù)提取，得到機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成機(jī)組故障的預(yù)警、并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器，供進(jìn)一步的狀態(tài)監(jiān)測分析和診斷。當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的是TN8000數(shù)據(jù)采集箱，它具有以下特點(diǎn)：

①采用標(biāo)準(zhǔn)的積木式插拔模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)現(xiàn)場傳感器的數(shù)量、信號類型進(jìn)行靈活配置。②基于計算機(jī)終端技術(shù)、MNA技術(shù)、FIFO技術(shù)及最新模擬數(shù)字電子技術(shù)開發(fā)的硬件系統(tǒng)，保證了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性、準(zhǔn)確性和可靠性。③整周期控制電路采用新穎的自適應(yīng)鎖相環(huán)技術(shù)，避免了在信號分析中的泄露效益和柵欄效應(yīng)。④針對水輪機(jī)發(fā)電機(jī)特性設(shè)計的硬件系統(tǒng)，保證了采集信號的完整性。

2.3上位機(jī)單元

上位機(jī)單元包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及打印機(jī)等設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)傳輸多采用開放的分層分布式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確保電力系統(tǒng)二次安全防護(hù)的要求，并滿足工業(yè)通用的國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約。

3　水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功效特征

（1）實(shí)時監(jiān)測：它是體系的關(guān)鍵特點(diǎn)，對于設(shè)備的運(yùn)作模式開展綜合化的監(jiān)測，而且判別其是不是處在一種合理的模式。同時通過機(jī)組布置圖及數(shù)值表監(jiān)視可了解傳感器的整體布局、具體通道名稱、通道監(jiān)測數(shù)據(jù)的值，這樣方便工作者了解具體的運(yùn)作狀態(tài)。同時，還設(shè)置了全天候的跟蹤體系，這樣便于工作者能夠更加直觀的分析設(shè)備。

（2）數(shù)據(jù)分析：數(shù)據(jù)分析的主要目標(biāo)是對體系獲取的信息進(jìn)行分析匯總，從而得知一些能夠體現(xiàn)其運(yùn)行特征的信息，通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠明確設(shè)備的運(yùn)作模式。另外，通過數(shù)據(jù)分析還能夠提供波形曲線分析、階次比分析、相位圖分析、功率譜分析、軌跡分析、多軌跡分析、瀑布圖分析、轉(zhuǎn)速級聯(lián)譜分析、極坐標(biāo)分析等一系列的分析工具。

（3）狀態(tài)報告：通過對選擇不同時期的機(jī)組數(shù)據(jù)制作各種不同功能目的的機(jī)組報告，這樣方便測試信息的存放。

（4）報警預(yù)警：實(shí)時自動判斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。如果狀態(tài)出現(xiàn)變化，則能夠盡快的進(jìn)行預(yù)警活動，有利于工作人員在最快的時間之中獲取設(shè)備的不正常的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

（5）故障診斷：提供機(jī)械設(shè)備狀況異常部位的詳細(xì)數(shù)據(jù)及惡化水平，便于設(shè)備的檢修活動的正常開展，進(jìn)而生成非常有效的裝置狀態(tài)監(jiān)測體系。

（6）指導(dǎo)運(yùn)行：關(guān)注所有的關(guān)鍵信息，對其開展在線的監(jiān)測活動，確保體系有非常合理的運(yùn)作信息，為機(jī)組積累機(jī)械設(shè)備長期運(yùn)行情況及變化趨勢建立檔案，并形成廠內(nèi)水電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)綜合數(shù)據(jù)庫，便于指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行在合適的工況區(qū)。

（7）遠(yuǎn)程分析與診斷：系統(tǒng)采用基于B6模式的Internet技術(shù)，使其在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到的地方（包括廠內(nèi)各主管技術(shù)部門、遠(yuǎn)程分析中心或?qū)＜遥?，都可有效地對機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測分析，制作相應(yīng)的狀態(tài)報告，支持運(yùn)行分析中心的建立和工作。

4　水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用對策

4.1指導(dǎo)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行

通過對各測點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測量，實(shí)時反應(yīng)機(jī)組在不同工況下振動、擺度情況：通過系統(tǒng)的報警功能提醒運(yùn)行人員及時調(diào)整負(fù)荷，避開振動擺度超標(biāo)區(qū)運(yùn)行，可有效預(yù)控因振動擺度過大造成對設(shè)備的損壞；通過對各種電氣參數(shù)在線監(jiān)測，并根據(jù)用戶設(shè)定的故障啟動定值對照模擬量、開關(guān)量，一旦滿足啟動條件即啟動系統(tǒng)故障錄波，并發(fā)出報警信號，提醒運(yùn)行人員及時調(diào)整電氣參數(shù)保持在正常范圍內(nèi)。

4.2指導(dǎo)機(jī)組狀態(tài)檢修

長期以來，我國電力系統(tǒng)的發(fā)供電設(shè)備均采用定期預(yù)防性試驗和定期計劃檢修，即“計劃檢修，到期必修”的做法。這種檢修體制在現(xiàn)今高度自動化設(shè)備的水電站不斷暴露出許多弊端，諸如，計劃檢修針對性不強(qiáng)，存在很大的盲目性；計劃檢修造成很多不必要的浪費(fèi)和過多的損失，甚至對設(shè)備產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)、出現(xiàn)負(fù)作用；計劃檢修的周期不符合現(xiàn)代化設(shè)備壽命及故障發(fā)生規(guī)律等等。機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為一種技術(shù)先進(jìn)的裝備和檢測手段為狀態(tài)檢修提供了可靠的保障。機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過對水力機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性、定轉(zhuǎn)子空氣間隙、水輪機(jī)空化噪音、發(fā)電機(jī)局部放電、發(fā)電機(jī)故障錄波、變壓器局部放電和油色譜等的在線監(jiān)測，通過實(shí)時的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析得出變化趨勢并提供相應(yīng)的處理指導(dǎo)措施。

5　水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

對某水電站的1臺運(yùn)行到高負(fù)荷區(qū)時頂蓋振動超標(biāo)的水輪機(jī)進(jìn)行檢修系統(tǒng)的實(shí)例應(yīng)用。此水輪機(jī)的單機(jī)容量為500MW。

5.1檢修過程

（1）改變負(fù)荷，對機(jī)組4處監(jiān)測信號進(jìn)行處理，得到其壓力脈動時的波形圖，及壓力脈動幅值的方差隨負(fù)荷的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)4個監(jiān)測處在整個監(jiān)測時間段的各個負(fù)荷值下時頻分布規(guī)律整體處于穩(wěn)定。

（2）運(yùn)用加窗平均周期圖進(jìn)行頻譜分析，得到4個監(jiān)測處的頻譜圖。根據(jù)頻譜圖發(fā)現(xiàn)，四處頻域均主要為機(jī)組轉(zhuǎn)頻與渦帶頻率，并沒有特別的頻帶，因此可以發(fā)現(xiàn)，并不是某個高頻信號導(dǎo)致的頂蓋振動超標(biāo)。

（3）觀察壓力脈動△H/H，發(fā)現(xiàn)其脈動值明顯超出設(shè)計的壓力脈動合同保證值要求，在500～600MW處突變，如圖1所示。因此，可以發(fā)現(xiàn)是由于壓力脈動幅值過大而造成的水輪機(jī)頂蓋振動超標(biāo)。根據(jù)3個步驟的分析，得出檢修方案。把機(jī)組原來的柱狀泄水錐換成常規(guī)泄水錐，并修改出水處上冠的厚度。根據(jù)故障診斷的模擬試驗，當(dāng)其修剪約40mm厚度時，壓力脈動的突變處會往更大負(fù)荷方向偏移，超過水輪機(jī)的單機(jī)容量。

圖1　檢修前-△H/H變化曲線

5.2檢修后分析

根據(jù)檢修方案，在線監(jiān)測水輪機(jī)組的4處監(jiān)測點(diǎn)的信號，得到壓力脈動△H/H變化曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，蝸殼進(jìn)口處的壓力脈動△H/H最大值2.97%超出了合同保證值，但此時的負(fù)荷為580MW，屬于超發(fā)點(diǎn)。對比檢修前的圖2（a）可以發(fā)現(xiàn)，在檢修前的最大值位于負(fù)荷為530MW處，為6.71%，由此可見，檢修后蝸殼處的壓力脈動振幅值在高負(fù)荷處大大降低了。此外，從圖2（b）、（c）可以看出，檢修后的水輪機(jī)組的頂蓋甲、頂蓋乙以及尾水錐管的壓力脈動振幅值在單機(jī)容量負(fù)荷值范圍內(nèi)均低于合同保證值，證明水輪機(jī)組在高負(fù)荷情況下頂蓋振動超標(biāo)問題被完美解決。

圖2　檢修后-△H/H變化曲線

6　結(jié)語

隨著我國水電事業(yè)的快速發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)得到快速的推廣和應(yīng)用，并取得了良好的效果，為機(jī)組的安全運(yùn)行、優(yōu)化調(diào)度和檢修指導(dǎo)提供有力的技術(shù)支持。但是，水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施是一個系統(tǒng)化的工程，因此，只有通過精心安排、嚴(yán)格管理，才能保證系統(tǒng)的正常投運(yùn)和長期穩(wěn)定的發(fā)揮作用。

［1］陳云輝.對水輪發(fā)電機(jī)組振動及狀態(tài)監(jiān)測的探討［J］.低碳世界，2015 （17）：79～80.

［2］余 軍.水輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷［J］.中國水能及電氣化，2015（07）：44～47.

［3］豐德強(qiáng).淺談水輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)檢修［J］.低碳世界，2015（08）：59～60.

周 ?。?982-），男，工程師，本科，主要從事水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)械檢修工作。

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2095-2066（2016）16-0063-02

2016-5-3