淺談水輪發(fā)電機在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)在五強溪水電廠的運用

劉 承 湖南省望城縣橋驛鎮(zhèn)黑麋峰抽水蓄能電廠 410000

淺談水輪發(fā)電機在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)在五強溪水電廠的運用

劉 承 湖南省望城縣橋驛鎮(zhèn)黑麋峰抽水蓄能電廠 410000

由于水輪發(fā)電機組在制造工藝、安裝、水力機械、電氣等方面的原因，使得水輪發(fā)電機在運行的過程中不可避免的會產生振動和擺度，造成設備的損傷，設備運行效率下降，若發(fā)現(xiàn)不及時有可能導致事故的發(fā)生。因此，本文分析了機組振動、擺度產生的原因，并結合我廠實際，介紹了PSTA2003水輪發(fā)電機在線監(jiān)測及跟蹤分析系統(tǒng)的結構和功能及其實際運用情況。

PSTA2003系統(tǒng)；監(jiān)測；振動；擺度

引言

五強溪電廠于1996年12月26日5臺機組全部投產，總裝機120萬千瓦，是湖南省第一座裝機容量過百萬的水電廠，承擔防洪、發(fā)電和航運任務，是湖南電網的主力發(fā)電廠之一。同時，隨著我廠自動化程度的提高，沅水江流域梯級滾動開發(fā)接近尾聲，盡快實現(xiàn)電廠“無人值班、遠程集控”的運營模式，除了對廠站內的各種運行設備參數(shù)進行實時監(jiān)控的同時，還要增加對設備運行工況的實時監(jiān)測和診斷，及時發(fā)現(xiàn)機組的不良運行狀況，盡早發(fā)現(xiàn)潛在隱患，提出預警，并且通過分析提出相應的改造、檢修方案，避免發(fā)生重大事故；總結出機組的最佳運行環(huán)境，以提高機組運行的可靠性、經濟性和機組預測檢修的科學性，實現(xiàn)機組運行的效率最大化，電廠經濟效益和社會效益的最大化。

原振動擺度監(jiān)測裝置投運以來，經常出現(xiàn)測量信號不準確或信號消失的現(xiàn)象，不能滿足電廠對機組運行工況的監(jiān)測和趨勢分析。更為電廠實現(xiàn)“無人值班、集中控制”打下基礎，改用由北京奧技異電氣技術研究所研制生產的“在線狀態(tài)監(jiān)測及分析診斷系統(tǒng)”（PSTA2003系統(tǒng)），該裝置可對機組的振動、擺度、水壓、轉速、導葉開度、有功、勵磁電壓電流等工況參數(shù)進行在線監(jiān)測、診斷與分析。現(xiàn)場維護工程師可依托該裝置讀取相應的自動診斷狀態(tài)報告，實時掌握水輪發(fā)電機組健康狀況。以盡早發(fā)現(xiàn)潛伏性故障，做出趨勢分析，提出預警，避免發(fā)生嚴重事故，為狀態(tài)檢修提供輔助決策。就目前改造后的3#機來看，已經大大提高對電廠3#機的振動狀況的實時監(jiān)測準確度，能更有效保證機組的安全穩(wěn)定運行，并且1#、2#、4#、5#機也將陸續(xù)改造使用該系統(tǒng)。

1.在線監(jiān)測系統(tǒng)結構簡介

1.1 在線監(jiān)測的網絡結構

五強溪電廠機組振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)的主體采用北京奧技異電氣技術研究所研制的PSTA2003系統(tǒng)平臺，這個系統(tǒng)的網絡平臺與運行中心分析局域網、電廠局域網和廣域網為基礎，以IP/TCP為通信協(xié)議，以上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)為基礎組成部分，以上位機的Hsmart服務器客戶端和下位機的PSTMonitor現(xiàn)地監(jiān)測程序為核心軟件。

在線監(jiān)測網絡結構如圖1所示。

1.2 網絡組成單元的功能作用

1.2.1 上位機系統(tǒng)

圖1 五廠在線監(jiān)測系統(tǒng)網絡結構

上位機單元是指狀態(tài)數(shù)據(jù)服務器、應用服務器、工程師工作站、網絡設備以及打印機等設備。網絡傳輸應采用開放的分層分布式以太網網絡結構，并滿足工業(yè)通用的國際標準IEEE 802.3和TCP/IP規(guī)約。各單元功能如下：

（1）數(shù)據(jù)服務器是現(xiàn)地單元與上位機信息交換的中心服務器，負責存儲由下位機所采集和預處理過的電氣信號，機械參數(shù)和水力數(shù)值等的狀態(tài)數(shù)據(jù)（數(shù)值、曲線、圖表等），分析結果和診斷結果，定期生成狀態(tài)檢查日志，狀態(tài)發(fā)展趨勢，自動存儲有故障時的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（2）WEB/運用服務器是實現(xiàn)在線監(jiān)測局域網與電廠局域網信息通信的中樞服務器，負責發(fā)布數(shù)據(jù)服務器中的數(shù)據(jù)、分析結果、診斷結果，包括與本地或者遠程的監(jiān)測、分析、診斷、維護工作站的交互，定期向遠程發(fā)送日志、趨勢以及有故障的實時數(shù)據(jù)等。

（3）工程師站的主要作用是監(jiān)測畫面和自動報表編輯程序；實現(xiàn)對監(jiān)測畫面的增加、刪除、修改功能；實現(xiàn)對自動報表格式的增加、刪除、修改功能；點檢規(guī)程管理程序，實現(xiàn)對點檢規(guī)程的導入、刪除、增加、修改功能和對點檢人員的指派、點檢事件的審核統(tǒng)計功能；自動診斷規(guī)則編輯程序，實現(xiàn)對自動診斷規(guī)則的導入、刪除、增加、修改功能。

1.2.2 下位機系統(tǒng)

下位機系統(tǒng)主要包括：現(xiàn)地單元柜及其現(xiàn)地信號采集預處理單元和各種信號傳感器。是在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎單元，也是數(shù)據(jù)采集是否準確和狀態(tài)報告完善與否的關鍵單元，各單元結構及功能如下：

（1）信號采集與預處理單元在傳感器與狀態(tài)數(shù)據(jù)服務器信息的交換中起著承上啟下的作用。采用雙主板、雙CPU結構，其中信號采集程序在DOS環(huán)境下后臺運行，由一塊CPU卡控制，預處理程序在WINDOWS2000環(huán)境下前臺運行，預處理和網絡通訊由另一塊CPU卡控制。同時，GPS時鐘信號的接入，可以使兩個CPU系統(tǒng)之間通過高速并行通信方式進行數(shù)據(jù)交換，保證信號采集和處理可以同步進行。同時信號采集處理單元所選用的主板是研祥標準工業(yè)級主板HSC-1621LDN，具有抗干擾能力強、運行可靠，內存容量大等特點，這樣的結構和標準可以實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)高速采集、高密度信號處理及其傳輸?shù)囊蟆Ｍㄟ^自帶VGA接口顯卡和100M網卡，可接CRT或LCD顯示器，以完成信號調試，狀態(tài)監(jiān)測，參數(shù)設定，系統(tǒng)自檢等功能。

通過信號采集預處理模塊可以完成信號的電氣接口處理，電氣隔離，抗混濾波，并完成所有信號的同步采樣；采樣后的數(shù)據(jù)將進行分析處理，提取特征參數(shù)，得到機組狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成振動越線報警、預警功能、高速紀錄功能，最后將數(shù)據(jù)通過現(xiàn)地監(jiān)測局域網傳至狀態(tài)數(shù)據(jù)服務器，由自動診斷伺服程序完成進一步的狀態(tài)監(jiān)測分析和診斷。

（2）電源模塊的作用：將從220V直流饋電盤和220V逆變電源盤的電源送至交直流雙供逆變電源模塊，并由此模塊實現(xiàn)220V交直流逆變功能，因為正常情況下下位機由220V交流供電，直流為備用電源，它通過逆變?yōu)橄挛粰C提供工作電源，提高了在線監(jiān)測系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性。電源箱模塊則實現(xiàn)將220V交流電變?yōu)椤?4V, ±12V,+5V電壓，為各種傳感器和顯示儀表提供工作電源。除此外在線式逆變電源模塊還有抗尖峰，抗浪涌等濾波功能，明顯改善交流電源質量，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。其供電方式如圖2所示：

圖2 交流逆變供電方式

（3）共享器實現(xiàn)鼠標、鍵盤和液晶顯示屏與各種信號預處理單元的信號鏈接交換，可以使人們在現(xiàn)地可實現(xiàn)對系統(tǒng)運行工況參數(shù)的提取和修改、圖形的分析、故障的判斷和診斷；而交換機則實現(xiàn)現(xiàn)地單元各種信號采集處理單元與上位機之間的通信功能。

（4）目前我廠的在線監(jiān)測傳感器主要有：電渦流傳感器，主要用于機組軸承的水平振動監(jiān)測，軸向位移監(jiān)測及軸心軌跡監(jiān)測和鍵向信號采集；低頻振動傳感器主要用于殼體、支架、大軸的水平及其軸向振動；壓力脈動傳感器將水輪機過流部件的水流壓力信號變?yōu)殡娦盘杺鞯皆诰€監(jiān)測的信號采集系統(tǒng)。

2.在線監(jiān)測的對象及其意義

水輪機是水輪發(fā)電機組的核心組成部分之一，其運行狀態(tài)不僅影響了發(fā)電機的發(fā)電效率，而且還影響了電廠的安全運行。在這過程中最為直觀的就是對水輪機組的振動和擺動進行檢測，因為它能夠反映和預測機組的運行狀況。因此，目前我廠在線監(jiān)測主要執(zhí)行的是水輪機組的振動擺度監(jiān)測，并且引入了蝸殼進口壓力、鋼管壓力、尾水管進口壓力脈動、有無功功率、勵磁電壓電流、導葉開度等模擬信號，勵磁開關、機組GCB等開關量信號為水輪機振動、出力等參數(shù)作水輪機運行狀況的綜合分析。

2.1 水輪發(fā)電機振動產生的原因

（1）機械振動：主要是指干擾來自機械部分的慣性力、摩擦力及他力。引起的主要因素有轉子的質量不平衡——轉子重心與軸心產生一個偏心距，主軸旋轉時在離心力的作用下，主軸將產生彎曲變形；機組軸線不正——導致轉輪幾何中心偏離旋轉中心，在慣性離心力和弓形回旋的總用下使振幅增大；同時，在動水壓力的情況下，推力軸承發(fā)生擺振。導軸承缺陷——松動、剛性不足、運行不穩(wěn)和間隙過大或過小也會導致振動。推力軸承不平、推力軸承鏡板與主軸不垂直、推力頭松動也會造成機械振動。

（2）水拖振動：主要是指振動中的干擾來自水輪機水力部分的動水壓力。引起的主要因素有水力不平衡——當流入轉輪的水流失去軸對稱時，出現(xiàn)不平衡的橫向力，將造成轉輪振動，造成不平衡力的主要原因是過流通道不對稱；尾水管中的水力不穩(wěn)定——尾水管中的水壓周期性變化，壓力脈動總作用于機組和基礎上，引起的振動、噪聲和出力波動。空腔空蝕將引起機組頂蓋和推力軸承出現(xiàn)劇烈的垂直振動。除此外，在一定水頭和導葉開度下產生的卡門渦列引起的葉片共振，導葉空蝕引起的振動，止漏環(huán)間隙不合適產生的水壓脈動也會引起水力振動都會影響、破環(huán)水輪機的結構。

（3）電氣振動：主要是指振動干擾來自發(fā)電機電磁部分的電磁力，當發(fā)電機的電磁力不平衡時，就會產生水輪發(fā)電機的振動。引起電磁力不平衡的主要因素：發(fā)電機在三相不對稱的情況下運行，引起三相電流不平衡，使得在轉子與定子之間產生能影響轉子和定子之間作用力大小不定的正序旋轉磁場和負序旋轉磁場，使得力矩變成兩倍于周波數(shù)的頻率而脈動，造成轉子及定子機座的振動；由于制造或安裝的原因而造成發(fā)電機轉子與定子間的空氣隙不均勻和轉子磁極形狀的差別，也會產生不平衡的磁拉力振動；轉子磁極繞組匝間短路或機組進相過深，導致轉子電流的急劇增大，產生的不平衡磁拉力；定子鐵心松動也將引起發(fā)電機組的振動。

2.2 機組狀態(tài)監(jiān)測點

居于水輪發(fā)電機組在生產中振動產生的主要原因及其相關部件，同時，防止因為振動的不可避免而造成對廠房、設備、電力質量的危害和影響。我廠對機組的狀態(tài)監(jiān)測點作了以下布置，如圖3所示。

通過監(jiān)測結構布置圖，我們可以直觀的了解該系統(tǒng)信號測量傳感器的監(jiān)測部位，以及機組當前的振動、擺度、水壓等參數(shù)。

（1）擺度（X、Y水平）監(jiān)測點：上導、水導、推力軸承。通過監(jiān)測測出各軸承運動的軸心軌跡，分析機械故障；分析找到軸承的缺陷，如軸承間隙過大或過小、不對中等問題；監(jiān)測推力軸承，可以反映推力軸承的受力狀況，鏡板的波浪度。如圖4所示的軸心軌跡，可以很直觀的得出當前工況下水輪機組的軸承運行工況。

圖3 我廠3號水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性監(jiān)測結構布置

圖4 我廠3號機軸心軌跡圖

（2）軸向振動監(jiān)測點：軸向振動A、B、C三向。通過這三個量的監(jiān)測得出機組因水力和負荷情況引起的抬機量、鏡板的波浪度和油膜厚度，反映機組推力軸承的鏡板光滑度，推力軸承的負荷分布情況和主軸的軸向位移量。也可以通過監(jiān)測來分析推力軸承的故障情況。也可以將上導、水導、推力軸承的軸徑中心與軸承中心軌跡連接，構成空間軸線，通過對空間軸線的分析可以得到各軸承的超重角、失重角、當前彎曲量、平均彎曲量、彎曲角，不垂直度等物理參量，其界面如圖5所示。

（3）振動（X、Y、Z三維）檢測：上機架、下機架、頂蓋等+X、+Y水平方向、垂直方向監(jiān)測，定子+X、+Z監(jiān)測。通過對這些量與環(huán)境量的綜合分析，一方面，可以直接給出機組的振動評價；另一方面，經過信號分析和應力估算，可以判斷振動的傳遞路線以及支撐部件的壽命損傷情況。頂蓋垂直振動包含多種頻率成分，反映多種故障信息，尤其是水力對機械結構振動的影響。

（4）壓力測點：蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力及脈動。通過對這些量的監(jiān)測分析，一是監(jiān)視水力激振因素，了解水力激振對轉子穩(wěn)定性的影響；二是通過壓力脈動反映過流部件的損傷，預測部件的壽命和安全狀態(tài)，為機組大修決策提供依據(jù)。三是尾水管壓力脈動可以監(jiān)測渦帶的形成，進而分析渦帶對機組振動擺度的影響，尾水管壓力脈動信號還可以診斷泄水錐脫落等故障。對這些脈動做頻率分析，可以找到引發(fā)水力脈動的物理原因，進而確定檢修和改造辦法。

（5）環(huán)境監(jiān)測：有功功率、無功功率、導葉開度；開關量監(jiān)測：勵磁開關、發(fā)電機出口開關。這兩組監(jiān)測量在綜合分析機組的運行性能和其他振動情況，優(yōu)化機組的最佳運行模式，有著非常現(xiàn)實的意義。

2.3 機組振動監(jiān)測的意義

通過以上的分析和介紹，我廠采用了PSTA2003在線監(jiān)測系統(tǒng)，對我廠機組水輪機的部分過流部件，三大軸承，上、下機架，定子和主軸的振動及擺度進行了監(jiān)測，通過計算處理直觀的生成了結構布置、空間軸線、水導狀態(tài)、法蘭擺度、主軸狀態(tài)等監(jiān)測頁面，并利用在線監(jiān)測所提供的功率普分析、階次比分析、波形曲線、空間軸線、軌跡分析、多軌跡分析、數(shù)值表分析等分析方法，直觀地看出機組的軸形曲線、振動頻率、振動幅度的變化規(guī)律及故障方位。這些監(jiān)測量綜合環(huán)境監(jiān)測和開關量監(jiān)測信號，生成推力軸承報告、主軸彎曲報告、盤車校驗、質量平衡等狀態(tài)報告，便于數(shù)據(jù)的存取、共享和分析。

圖5 空間軸線圖

因此，我廠的在線監(jiān)測系統(tǒng)，為我們對水輪機的缺陷、故障的判斷分析及預防，優(yōu)化機組的最佳運行環(huán)境和提高機組檢修的科學性，提供了方便、高效的分析、診斷工具。為我廠機組的安全穩(wěn)定運行，避免重大事故的發(fā)生，提供了有力的技術支持。

3.存在的問題及改進建議

（1）在機組渦流傳感器的安裝過程中，探頭與監(jiān)測面之間的距離精度要求較高，探頭的安裝需要花費很多的時間，如果對探頭的固定支架加以改進或更換，那么工作效率會得到大大地提高。

（2）水輪發(fā)電機作為一個整體，我廠的在線監(jiān)測僅僅只做到了對引起機組振動的水力因素和機械因素進行監(jiān)測分析，而對電氣因素的監(jiān)測分析還未做到，這使得對轉子、定子間隙、幾何形狀、物理效應的監(jiān)測空缺，造成對一些機組振動原因無法快速確定。

（3）因為我廠的在線監(jiān)測系統(tǒng)是一套新設備，需要專業(yè)人員對其軟硬件進行維護，這方面人力不足，因此，目前對在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效檢查、維護還是空白。

（4）技術協(xié)議要求提供振動擺度信號4～20mA模擬量信號，后經設計聯(lián)絡會協(xié)商采用測振測擺裝置與監(jiān)控下位機通信解決；目前因為費用問題，進度停滯不前，導致中控室無法及時監(jiān)測3#機組振動擺度數(shù)據(jù)。且因為通訊問題，振動擺度裝置無法讀取機組溫度、開關量等信號，導致其功能大受影響，部分分析功能目前無法實現(xiàn)。

（5）技術協(xié)議要求的局域網可以在線監(jiān)測振動擺度數(shù)據(jù)的功能目前未能給與實現(xiàn)。

（6）尾水管進口水壓目前一直為負值，與實際不相符，在安裝工藝或接線上可能存在問題。振動擺度監(jiān)測量在停機狀態(tài)下飄溢量過大。對測量通道及變送器需重新進行率定。

4.結語

水輪發(fā)電機在線監(jiān)測及跟蹤分析系統(tǒng)，對設備的經濟運行和事故的預防起到了積極的總用。雖然它對設備運行參數(shù)和工況的監(jiān)測大大提高了我們對缺陷、故障的分析處理效率，但它作為一個對水輪發(fā)電機系統(tǒng)進行綜合分析的工具，也就要求我們必須對水力機械、電氣電機等一次、二次相關設備及知識有充分的理解，提高缺陷、故障分析診斷效率，這才能真正實現(xiàn)在線監(jiān)測系統(tǒng)的價值。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.03.007

劉承，男（1980年12月），助理工程師、技師，主要從事水電廠運行管理工作。