梁英，萬(wàn)慶，曹光偉，李偉偉，閆文峰，胡明，田征前，王志寶

（貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司沙沱發(fā)電廠，貴州 銅仁 554300）

1 立項(xiàng)背景

2013 年6 月26 日，電廠2#發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，集電環(huán)及碳刷因溫度過(guò)高發(fā)生故障停機(jī)，其余機(jī)組也頻發(fā)碳刷溫度偏高和打火現(xiàn)象。為保證機(jī)組安全運(yùn)行，電廠增派人員加密開(kāi)展巡查及溫度測(cè)量，但加密巡查和溫度測(cè)量不但耗工、耗時(shí)，還不能保證對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控制和預(yù)警，存在嚴(yán)重的人員和設(shè)備安全隱患。為避免此類事件再次發(fā)生，電廠研究、應(yīng)用紅外線熱成像在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行集電環(huán)和碳刷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，發(fā)現(xiàn)集電環(huán)和碳刷運(yùn)行溫度異常問(wèn)題，以便及時(shí)處理，消除設(shè)備隱患，同時(shí)也減少了人力資源的投入。

2 水輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)、碳刷溫度紅外熱成像在線監(jiān)測(cè)主要做法與功能效果

通過(guò)討論，班組協(xié)同廠家制定了發(fā)電機(jī)集電環(huán)、碳刷溫度紅外熱成像在線監(jiān)測(cè)裝置方案。需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

2.1 熱成像在線監(jiān)測(cè)安裝存在問(wèn)題

經(jīng)分析，目前設(shè)備存在問(wèn)題有：首先，電纜走向的問(wèn)題，因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)上風(fēng)洞上方，為安全且美觀地走線，根據(jù)勵(lì)磁電纜的走線方式進(jìn)布線。其次，傳輸距離較遠(yuǎn)，設(shè)備的可靠性是否滿足要求，從而對(duì)設(shè)備的要求較高。再次，設(shè)備處于發(fā)電機(jī)上風(fēng)洞位置，要求固定必須可靠，這對(duì)施工工藝需特殊要求。最后，設(shè)備安裝位置環(huán)境溫度較高，進(jìn)一步考驗(yàn)設(shè)備是否能在高溫環(huán)境情況下安全穩(wěn)定地運(yùn)行。同時(shí)，受碳刷、集電環(huán)材質(zhì)問(wèn)題，環(huán)境通風(fēng)情況、環(huán)境溫度影響。

圖1 紅熱熱成像安裝前現(xiàn)場(chǎng)情況

2.2 熱成像系統(tǒng)安裝

（1）設(shè)備前端：發(fā)電機(jī)集電環(huán)、碳刷均勻分布在一個(gè)圓周上（直徑2.2 米），采用4 個(gè)熱成像攝像頭進(jìn)行在線測(cè)試集電環(huán)、碳刷溫度，并通過(guò)光纖將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)。

圖2 熱成像現(xiàn)場(chǎng)布置

圖3 熱成像測(cè)量范圍設(shè)置

（2）后臺(tái)服務(wù)器：建立后臺(tái)服務(wù)器，搭建軟件平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示集電環(huán)、碳刷運(yùn)行情況，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)、報(bào)警等功能。

圖4

2.3 功能效果

（1）分區(qū)監(jiān)控和自動(dòng)報(bào)警功能。分4 個(gè)扇區(qū)對(duì)發(fā)電機(jī)碳刷和集電環(huán)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，能自動(dòng)追蹤、顯示溫度最高點(diǎn)，能準(zhǔn)確測(cè)量出集電環(huán)、碳刷運(yùn)行溫度情況。任一碳刷最高溫度超標(biāo)，則發(fā)出報(bào)警信息，系統(tǒng)自動(dòng)記錄下扇區(qū)編號(hào)和碳刷編號(hào)，維護(hù)人員根據(jù)信息記錄，即可快速確定發(fā)熱點(diǎn)位置。

圖5 報(bào)警溫度設(shè)置

（2）一鍵切換功能和分析功能。當(dāng)常規(guī)監(jiān)視發(fā)現(xiàn)機(jī)組異常時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢模式一鍵切換現(xiàn)場(chǎng)分析模式功能，也可以基于報(bào)警信息的快速定位切換到報(bào)警位置點(diǎn)和自動(dòng)回復(fù)到自動(dòng)監(jiān)視狀態(tài)。系統(tǒng)可以對(duì)熱像圖進(jìn)行區(qū)域分析、點(diǎn)分析和線分析，實(shí)時(shí)顯示所選區(qū)域最高、最低和平均溫度。

圖6 最高、最低、平均溫度設(shè)置追蹤

（3）報(bào)表功能和自我診斷功能。系統(tǒng)可以根據(jù)時(shí)間區(qū)間選擇數(shù)值生成報(bào)告，并可以導(dǎo)出word/Excel 格式；系統(tǒng)具有自我診斷功能以及供斷電自動(dòng)保存與恢復(fù)功能。

圖7 自我診斷功能以及供斷電自動(dòng)保存與恢復(fù)功能設(shè)置

2.4 熱成像系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)效果情況跟蹤

（1）調(diào)試中將紅外熱成像溫度與實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比，校驗(yàn)其溫度的正確無(wú)誤，從而確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

（2）日常巡視過(guò)程中，實(shí)地測(cè)試集電環(huán)、碳刷溫度并記錄，與集電環(huán)、碳刷溫度紅外熱成像在線監(jiān)測(cè)做比較，運(yùn)行溫度正常無(wú)差異。

（3）利用檢修和轉(zhuǎn)動(dòng)部分檢查時(shí)機(jī)，針對(duì)更換碳刷和集電環(huán)繼續(xù)檢查，核實(shí)此問(wèn)題是否依然存在，是否已經(jīng)完全解決，確保設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定。

3 熱成像在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)創(chuàng)新亮點(diǎn)

通過(guò)查新，未見(jiàn)針對(duì)碳刷運(yùn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)視的文獻(xiàn)報(bào)道。沙沱發(fā)電廠對(duì)碳刷采用的熱成像在線監(jiān)測(cè)技術(shù)屬于首創(chuàng)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)功能、自動(dòng)報(bào)警功能、遠(yuǎn)程準(zhǔn)確定位功能，將熱成像系統(tǒng)化。

表1

4 熱成像在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施應(yīng)用前后效益

4.1 實(shí)施前

（1）2013 年6 月26 日，巡視時(shí)未及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，造成電廠2#發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，集電環(huán)及碳刷因溫度過(guò)高發(fā)生故障停機(jī)，事故處理花了近7 天時(shí)間。

（2）需安排專業(yè)人員每?jī)蓚€(gè)小時(shí)對(duì)運(yùn)行碳刷、集電環(huán)開(kāi)展巡視檢查和溫度測(cè)量工作，每天至少4 人，且不能保證發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)性。

（3）運(yùn)行碳刷、集電環(huán)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分上方，位置特殊，且屬于大流量裸露、高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件，手動(dòng)測(cè)量存在較大人員和設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 實(shí)施后

（1）通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能，多次及時(shí)發(fā)現(xiàn)集電環(huán)、碳刷溫度異常升高和打火情況，避免事故發(fā)生。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014 年5 月12 日～2014 年10 月15 日，通過(guò)紅外熱成像在線監(jiān)測(cè)，電廠及時(shí)發(fā)現(xiàn)集電環(huán)、碳刷溫度異常升高和打火情況103 次，其中1#機(jī)45 次，2#機(jī)19 次，3#機(jī)17 次，4#機(jī)22 次，為打磨處理贏取最佳時(shí)間。

2014 年5 月22 日，進(jìn)入汛期各臺(tái)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流比以往有所增加，碳刷溫度有所升高，3，4 號(hào)機(jī)，負(fù)極前5 個(gè)碳刷均有斷續(xù)打火現(xiàn)象。2 號(hào)機(jī)負(fù)極80%以上碳刷有斷續(xù)打火現(xiàn)象。人工測(cè)量溫度數(shù)據(jù)如表1。

同時(shí)利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)4#機(jī)負(fù)極的3 號(hào)和2 號(hào)，5月23 號(hào)觀察到3 號(hào)碳刷尾部最高上升至180 度。5 月25 號(hào)3#機(jī)的2，3，4 號(hào)碳刷尾部溫度分別升至190 ～220 度，升溫很快，高溫持續(xù)時(shí)間短的1 分鐘，長(zhǎng)的有5 分鐘。

（2）消除巡視、測(cè)量的安全隱患，節(jié)約人力資源。在系統(tǒng)安裝前，電廠人員每?jī)蓚€(gè)小時(shí)要使用紅外溫度監(jiān)測(cè)儀器在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分上方對(duì)大電流的集電環(huán)、碳刷進(jìn)行檢查和溫度測(cè)量。相關(guān)檢查和測(cè)量存在較大的人員和設(shè)備安全隱患，同時(shí)也花費(fèi)大量人力。系統(tǒng)應(yīng)用后解決上述安全隱患，每日節(jié)約4 人次的人力資源。

5 推廣價(jià)值和范圍

水輪發(fā)電機(jī)作為水電廠的核心設(shè)備，主要由定子、轉(zhuǎn)子組成，而集電環(huán)、碳刷屬于轉(zhuǎn)子回路中的重要部件，為提高設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，對(duì)大中型水輪發(fā)電機(jī)集電環(huán)及碳刷熱成像在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，既能減少電廠人力資源的投入，又能實(shí)時(shí)掌握集電環(huán)、碳刷溫度運(yùn)行情況。因此，該系統(tǒng)研究對(duì)水電站實(shí)時(shí)觀測(cè)、準(zhǔn)確定位集電環(huán)、碳刷運(yùn)行情況等有借鑒意義，值得推廣。

6 創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

（1）因事故造成的生產(chǎn)損失M1：

預(yù)估1 臺(tái)設(shè)備發(fā)生事故后檢修工期為7 天，每臺(tái)設(shè)備正常工作情況下每天20h 滿負(fù)荷運(yùn)行，每度電售價(jià)0.35 元，因設(shè)備發(fā)生一次故障所造成的損失為m1：m1=28（萬(wàn)度/小時(shí)·臺(tái)）×20（小時(shí)/天）×0.35（元/度）×7（天/年）=1372（萬(wàn)元/年·臺(tái)）；

假設(shè)無(wú)巡檢人員配置情況下，設(shè)備的平均年事故率α1為0.2（約5 年發(fā)生一次故障），則因事故造成的生產(chǎn)損失M1=m1*α1=274.4（萬(wàn)元/年·臺(tái)）；

假設(shè)有專人巡檢情況下，設(shè)備的平均年事故率α1’為0.05（約20 年發(fā)生一次故障），則因事故造成的生產(chǎn)損失M1’=m1×α1’=68.6（萬(wàn)元/年·臺(tái)）。

（2）因事故造成的維修成本M2：

每臺(tái)機(jī)碳刷112 套，每套1000 元，每臺(tái)機(jī)集電環(huán)價(jià)值5萬(wàn)元，則因事故造成的維修成本M2=0.1（萬(wàn)元/套）×112（套/年·臺(tái)）+5（萬(wàn)元/年·臺(tái)）=16.2（萬(wàn)元/年·臺(tái)）;

（3）專職巡檢人力成本M3：

人力資源工資投入1（人/臺(tái)），專職巡檢人員用工成本8（萬(wàn)元/年·人）

M3=1（人/臺(tái)）×8（萬(wàn)元/年·人）=8（萬(wàn)元/年·臺(tái)）；

（4）項(xiàng)目的年經(jīng)濟(jì)價(jià)值M

原廠無(wú)巡檢人員配置：M=M1+M2=290.6（萬(wàn)元/年·臺(tái)）；

原廠有專職巡檢人員配置：M=M1’+M2+M3=92.8（萬(wàn)元/年·臺(tái)）。

即當(dāng)電廠按4 臺(tái)設(shè)備共計(jì)4 人配置專職巡檢人員情況下，假設(shè)年事故發(fā)生率為0.05（也即每臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障的周期不晚于20 年），則本項(xiàng)目的投入對(duì)單臺(tái)設(shè)備造成的年經(jīng)濟(jì)價(jià)值為92.8 萬(wàn)元；當(dāng)電廠未配置專職巡檢人員情況下，年事故發(fā)生率將明顯上升，預(yù)估上升到0.2（也即每臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障的周期不晚于5 年），則本項(xiàng)目的投入對(duì)單臺(tái)設(shè)備造成的年經(jīng)濟(jì)價(jià)值為290.6 萬(wàn)元。計(jì)算投資回報(bào)率時(shí)，建議參考年經(jīng)濟(jì)價(jià)值計(jì)算。成本應(yīng)均攤到每臺(tái)設(shè)備，同時(shí)加入系統(tǒng)的后期使用成本，包括維護(hù)成本、設(shè)備折舊換新成本等。