瀑布溝水電站水輪發電機組PSTA2003在線監測分析系統應用

宋 柯，喻永松，楊 軍

（四川大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 漢源 625304）

瀑布溝水電站水輪發電機組PSTA2003在線監測分析系統應用

宋 柯，喻永松，楊 軍

（四川大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 漢源 625304）

介紹了瀑布溝電站（6×600M W）PSTA 2003在線監測分析系統的主要功能及應用情況，重點對在線監測的擺度、振動、穩定性、發電機空氣間隙評價等具體數據進行了分析，對機組的故障作出了正確的判斷，提高了水輪發電機組運行水平。

水輪發電機組；在線監測系統；振動；擺度

四川大渡河瀑布溝水電站裝有6臺600 MW立軸半傘混流式水輪發電機組，在線監測分析系統采用的是北京奧技異電氣技術研究所的PSTA2003系統平臺，通過對水輪發電機組的振動、擺度、壓力脈動、空氣間隙、磁場強度等物理量的在線監測，同時聯合計算機監控系統的監測信息，利用各種分析、診斷策略和算法，針對瀑布溝水電站的6臺機組，建立功能全面、實用性強的跟蹤分析系統，提供監測、報警、狀態分析、故障診斷等一系列工具和手段，實時掌握機組健康況狀態，為機組安全運行，優化調度和檢修指導提供有力的技術支持。

1 系統結構

PSTA2003在線監測系統由上、下位機兩部分組成，上位機系統包括數據服務器、WEB服務器、工程師工作站、網絡隔離安全設備及其他相關網絡連接設備等，下位機系統由現地盤柜和傳感器組成。安裝在機組各部位的傳感器將各種物理信號轉化為電信號，傳送到各狀態監測子系統，各子系統將這些信號采集和處理，得到反映機組運行狀態的各種特征參數，曲線，圖表等，統一存儲到狀態數據服務器。數據服務器具有自動運行分析和診斷軟件，定期提供狀態檢查日志，狀態發展趨勢，自動存儲用于跟蹤分析的監測數據功能。

在線監測分析系統網絡采用分層分布式結構，由站控級和現地控制級組成，站內各節點計算機通過局域網（LAN）聯接；與電站計算機監控系統通過交換機和計算機監控系統通信數據服務器相連實現數據通信；與電站MIS系統通過Web服務器和單向網絡隔離裝置相連實現單向數據通信；與遠方集控中心等外部系統采用廣域網聯接，系統設備布置見圖1。

2 在線監測的測點布置及監測內容

PSTA2003在線監測系統主要在水輪發電機組的導軸承、推力軸承、上下機架、頂蓋、定子鐵芯、定子機座、尾水管等部位布置有用于測量機組振動、擺度、機組抬機量、壓力脈動、空氣間隙、磁場強度等物理參數的傳感器，同時接入了機組有功功率、無功功率、勵磁電流、勵磁電壓、機組流量、導葉開度、定子電壓、定子電流、機組各部位溫度等參數和機組出口開關、勵磁開關等開關量，實現了對水輪發電機組軸系狀態（導軸承狀態、推力軸承狀態、主軸狀態），水輪機狀態（能量參數、壓力脈動），發電機狀態（定轉子空氣間隙、磁場強度、定子振動、定子變形）的監測，測點布置見圖2。

3 系統功能及特點

PSTA2003系統具備豐富強大的軟件功能，除防火墻、預覽、打印、授權管理、系統仿真、傳感器輸出信號零點和增益補償、報警規則編輯、自學習功能、全組態設計、監測畫面組態功能、人機界面友好、數據存滿硬盤后可進行自動壓縮和遺忘、維護系統具有密碼訪問等功能外還具有以下功能。

圖1 系統設備布置圖

圖2 測點布置圖

3.1 自動狀態報告生成功能

傳統意義上的故障診斷專家系統，是一種自動分析系統，一般由數據庫、知識庫、規則庫和推理機等幾部分組成，這種模式在水輪發電機組狀態監測領域被證明是有缺陷的，PSTA2003系統克服了傳統專家系統的缺陷，具備以下特點：

（1）PSTA2003自動報告系統是面向最終應用的綜合分析診斷系統。它不再向使用者提供諸如空間軸線分析、多工況相關趨勢分析、軸心軌跡等這樣的分離的、不相互關聯的分析工具，而是提供給使用者各類最終的應用功能，比如性能曲線報告、量化檢修參數評價、故障趨勢跟蹤及現場試驗自動報告等。

（2）PSTA2003自動報告系統是“全自動的”，不需要使用者去進行復雜操作。使用者只需要選擇制作什么時間段的哪些報告,剩下的工作自動報告生成系統就會自動完成。

（3）PSTA2003自動報告系統提供的報告內容已經不再局限于機組故障了，包括性能曲線自動整理、量化的檢修及診斷參數評價、故障趨勢跟蹤、現場試驗報告的自動生成等諸多內容。

通過對機組實際振動、擺度特性曲線的了解，使用者可以掌握機組的不同工況下振動區變化，以此為基礎，通過調整機組AGC（自動發電控制）參數，達到指導優化運行的目的。而自動報告系統提供的量化檢修評價參數，則直接可以用來評價和指導機組的檢修工作，利用自動狀態分析狀態報告生成功能可以生成以下內容的自動報告：

（1）反映機組運行穩定性、經濟性指標的特性曲線，包括擺度隨負荷及水頭的變化曲線、振動隨負荷及水頭的變化曲線、壓力（脈動）隨負荷及水頭的變化曲線、抬機量隨負荷及水頭的變化曲線、振動及擺度隨勵磁電流的變化曲線、有功隨接力器行程變化曲線、蝸殼差壓隨接力器行程變化曲線、流量隨接力器行程變化曲線、流量隨負荷及水頭的變化曲線、效率隨負荷及水頭的變化曲線、監控參數（瓦溫、油溫等）隨負荷的變化曲線等。

（2）量化評價檢修參數，包括推力軸承狀態的參數、主軸姿態的檢修參數、軸瓦調整效果的參數、定轉子空氣間隙檢修及診斷參數、診斷指標參數等。

（3）PSTA2003系統可以實現推力軸承彈性油箱漏油、導軸承支架變形、定子鐵芯疊片松動、轉子磁極伸長、定子結構變形不一致等故障趨勢跟蹤。

（4）現場機組甩負荷試驗自動報告。

3.2 實時監測功能

實時監測是指對機組當前的運行狀態進行同步監視和顯示的功能，它以數值、曲線、圖表等各種形式，將機組的各種狀態分析數據，通過多個不同的頁面展現機組的狀態信息。PSTA2003提供了豐富直觀的、可組態的多個監測畫面，其中每一個畫面中都可能包含著數據、曲線、圖形、表格等不同的狀態數據。

3.3 報警、預警功能

PSTA2003系統詳細區分了開停機過程、事故停機過程、負荷波動過程和穩態過程，分別設計了不同的報警策略。當有預報警事件發生時，PSTA2003系統能實現以下功能：

（1）自動記錄預報警事件和預報警發生時參量特征值，并記錄全部預報警事件發生時刻的全部相關數據以供分析診斷使用。

（2）該報警事件可以在各終端分析、診斷軟件的事件日志中瀏覽查詢。

（3）在現地監測畫面和各客戶端以模擬光字牌形式自動彈出報警事件，提醒各運行人員注意。

（4）在所有現地采集單元中，都提供多路無源報警節點信號，如果該事件被綁定了報警節點輸出，則輸出該報警節點。

（5）啟動自動診斷系統進行故障診斷。

3.4 數據分析功能

PSTA2003系統能通過時域信號圖、階次比分析圖、全工況瀑布圖、相位分析圖、等30多種豐富實用分析方法完成機組穩態工況和暫態工況分析。

（1）穩態工況分析工具主要用來評價機組在穩態運行時的狀態。PSTA2003針對水輪發電機組穩態工況能完成快速靈活的數據檢索、多工況相關趨勢分析、空間軸線分析、長時間趨勢分析、瀑布圖分析、定轉子空氣間隙狀態分析、磁通量分析等功能。

（2）暫態工況分析工具主要用來對機組開停機、變負荷、變勵磁、甩負荷過程記錄數據的分析。

3.5 完備的數據存儲和數據管理功能

PSTA2003系統從故障診斷和狀態分析的應用出發，設計出一套能夠滿足診斷和分析要求的完備數據的存儲策略，實現有效狀態信息的在線自動記錄，包括過渡過程（開停機過程）、穩態過程、故障數據、工況參數發生變化時等各種信息。這些數據庫被合理地分布在現地采集單元和狀態數據服務器上，針對不同的數據，分別采用關系型數據庫技術和實時數據庫技術實現。所有數據都采用高效無損壓縮技術存儲，讀取時，可以自動地高保真快速還原。

為了防止網絡故障時出現數據丟失，PSTA2003在現地采集裝置上配置了現地數據庫系統，具有自動數據備份和手工備份功能，同時也提供了數據恢復功能，以防止服務器故障導致數據庫文件損壞。使用者可以任意指定時間將數據導出、備份和轉移，同時提供了對導出數據的數據導入功能。

3.6 現場手動實驗和實用計算功能

PSTA2003系統提供了完整的手動試驗工具，包括手動數據記錄、動平衡、盤車、效率試驗、過渡過程試驗、穩定性試驗等一系列工具軟件，幫助使用者完成各種現場試驗、數據計算和報告制作功能。

利用PSTA2003系統的虛擬試驗功能，只要機組出現一次停機過程，就可以利用空間軸線分析工具，直觀給出盤車數據，質量不平衡對機架振動的影響以及配重方位等參數。

3.7 數據通訊功能和系統集成功能

PSTA2003能夠方便地與電廠監控系統、電廠MIS系統、設備管理系統、遠程診斷分析中心或者其它測量裝置（如變壓器油色譜在線監測裝置）進行雙向數據通訊，以實現數據共享。而且可以將其它測量裝置的數據集成到狀態監測系統中，并利用PSTA2003系統提供的強大分析功能，完成較為深入和細致的分析診斷，擴展了原有裝置的功能。

3.8 網絡化遠程網絡診斷功能

PSTA2003的所有分析、診斷、監測功能實現建立在高壓縮比的數據傳輸和TCP/IP協議基礎之上,無需任何其他軟件的支持。使得PSTA2003系統可以在Internet網或者電網公司廣域網上流暢運行。從而實現遠程分析、遠程診斷，降低技術服務費用。

4 應用情況

2009年12月17日至2009年12月26日，瀑布溝水電站5號機組利用PSTA2003在線監測系統對機組擺度、振動、壓力脈動、空氣間隙、負荷等參數的自動記錄和積累，通過軸心軌跡、空間軸線、頻譜圖等方法對機組振動、擺度進行評價，穩定性進行分析，找出了5號機組存在的故障，為該機組檢修指導提供了有力的技術支持。

4.1 機組振動、擺度評價

通過PSTA2003在線監測系統對5號機組擺度和振動的記錄和分析，對照機組振動、擺度穩定負荷區和不穩定負荷區分級標準，得出機組在穩定負荷區內，上導+X、+Y向擺度，水導+Y向擺度及下機架垂直振動都處于及格水平。機組在不穩定負荷區內，水導擺度和下機架垂直振動處于及格狀態。

4.2 機組穩定性分析

（1）主軸彎曲分析，通過導軸承彎曲量圖、主軸初始彎曲變化圖、主軸初始彎曲變化統計表對主軸彎曲分析得出結論：主軸初始連接彎曲量較大；各導軸承處主軸初始彎曲量在短時間內變化大，彎曲方位也有些變化，可能由于法蘭連接不牢固造成。

（2）主軸盤車模擬分析，模擬抱死下導，上導、水導處盤車數據偏大，有調整的余地。

（3）主軸姿態分析，通過機組空間軸線圖、頻譜圖對機組主軸姿態進行分析，機組主軸姿態在負荷250 MW后發生變化，且上導、下導、水導X向1X相位有不同程度的偏移，主要是由于經過渦帶區（226 MW～307 MW）影響引起。

（4）推力軸承狀態分析，推力瓦與主軸不垂直度約70μm（推薦允許值不大于30μm），不垂直方位327°，不垂直度較大。鏡板波浪度約為119μm（推薦允許值不大于30μm），波浪度較大。

（5）導軸承瓦間隙分析，推薦各導軸瓦調整間隙為250μm，實測上導、下導、水導瓦間隙偏大，有調整的余地。

（6）三導不同心分析，停機過程中水導彎曲量變化較大（46μm），下導軸心偏移較大（89μm），推薦不大于允許值為60μm，說明三部導軸承存在一定的不同心。

（7）機組質量不平衡分析，質量不平衡對上機架水平振動的影響量為30μm（推薦允許值為不大于40μm），對下機架水平振動影響量約15μm（推薦允許值為不大于25μm），機組存在一定程度質量不平衡但影響不大。

（8）磁拉力不平衡分析，勵磁投入前后，上機架水平振動和各導軸承擺度變化較?。ㄉ蠙C架水平振動變化推薦允許值為不大于40μm），說明磁拉力影響很小。

（9）水力不平衡分析，機組在變負荷過程中，各部擺度在226 MW～307 MW負荷區存在0.52 Hz和0.78 Hz的低頻渦帶，水導水平振動在226MW-307 MW負荷區存在0.52 Hz和0.78 Hz的低頻渦帶，其他振動（上機架、下機架）無低頻渦帶區。

（10）下機架變形分析，機組在一次變負荷過程中下導擺度間隙變化較大（40μm左右），同時在其他開機并網過程中也發現同類現象，下導擺度間隙變化與功率、轉速、勵磁等無直接關聯，可能由下機架徑向變形或大軸連接松動引起。

（11）擺度、振動影響因素分析，403 MW負荷下，對上導擺度影響最大的是機械因素，占78%。

（12）不穩定負荷區（226～307 MW）下導擺度因素比例分析，不穩定負荷區226～307 MW下，對水導擺度影響最大的是水力因素。

4.3 發電機空氣間隙評價

各方向氣隙安裝值偏差較小，轉子不圓度小于4%。平均氣隙趨勢穩定，變化不大。兩次開機過程氣隙值對比無明顯變化，說明磁極在機組停機后基本恢復到原來的位置，彈性伸縮性較好。

4.4 PSTA2003在線監測系統分析結論

（1）合格項目：下導擺度、水導+Y向擺度屬于正常水平；上機架、下機架、定子鐵芯100 Hz振動數值較小，根據評價標準屬于優秀水平；不平衡磁拉力對機組振動、擺度影響較小；轉子質量不平衡對機組的振動、擺度影響較小。

（2）發現問題：主軸初始彎曲程度較大；推力鏡板與主軸有一定程度不垂直，鏡板波浪度較大；法蘭連接處可能存在連接不牢固現象；下機架在機組運行過程中出現較大彈性變形現象，下機架變形過程中可能導致三部導軸瓦不同心；當前水頭下，226 MW～307 MW負荷區為機組的渦帶振動區，渦帶頻率成分主要為0.52 Hz和0.78 Hz兩種。

（3）檢修建議：檢查法蘭連接是否牢固；對機組進行盤車，檢查主軸軸線彎曲情況，并調整；盤車時應檢查推力鏡板與主軸垂直情況；條件允許情況下檢測鏡板波浪度；應避免機組在渦帶振動區運行。對于下機架是否存在變形現象，以及產生變形的原因，應結合現場情況，做進一步分析與檢查。

5 結語

通過PSTA2003在線監測系統在瀑布溝水電站的應用和分析，可以有效避免機組長期運行在振動區域，可以及時發現機組出現的缺陷，確保機組安全運行，同時也為瀑布溝電站機組狀態檢修和設備管理提供了有力的技術支持。

TP273+.5

B

1672-5387（2010）06-0080-04

2010-10-08

宋 柯（1969-），男，高級工程師，從事水電站生產管理工作。