機組狀態在線監測系統在錦屏水電站的應用

錦屏水力發電廠 張冬生 竇學剛 顧 挺 付曉宇 楊 浩 鄭 鈺

1.引言

錦屏水電站位于四川省涼山州鹽源、木里、冕寧三縣交界處，系雅礱江流域的龍頭電站，是國家“西電東送”、“川電外送”能源發展戰略的重要組成部分。錦屏水電站包括錦屏一級、錦屏二級水電站，總裝機8400MW。錦屏一級水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，壩高305m，為世界同類壩型中第一高壩；總庫容77.6億m3，調節庫容49.1億m3；裝機6臺，總裝機容量3600MW，多年平均發電量為166.2億kW?h。錦屏二級水電站通過16.7km的引水隧洞引水發電，采用上游調壓方式，最大水頭達318.8m；總庫容1401萬m3，調節庫容為496萬m3；裝機8臺，總裝機容量4800MW，多年平均發電量為242.3億kW?h。錦屏水電站采用華科同安TN8000機組狀態在線監測系統。

2.錦屏水電站機組狀態在線監測系統組成及測點布置

2.1 機組狀態在線監測系統組成

錦屏水電站機組狀態監測系統由傳感器、數據采集單元、服務器及相關網絡設備、軟件等組成，該監測系統網絡圖如圖1所示。系統為分層分布式結構，按層次分為電站層（上位機系統）和現地層兩級。電站層設備包括狀態數據服務器、WEB/應用服務器、工程師工作站、網絡設備、打印機等。

現地層設備包括機組現地監測數據采集單元、各種傳感器、通訊接口、附件設備等，安裝在現地數據采集站內。每臺機組現地層設備設有一個數據采集站，數據采集站的設備集中組屏在1面布置于發電機層的控制盤內。電站層設備和現地層設備之間采用環型網結構，網絡介質為光纖，如圖1。

圖1 錦屏一級電站機組狀態在線監測系統網絡圖

2.2 機組狀態在線監測系統測點布置

錦屏水電站機組狀態監測系統可以實時采集、顯示穩定性數據（振動、擺度、壓力脈動、抬機量、噪聲）和氣隙數據變化，也可以顯示工況參數如機端電壓、電流、有功、無功等，該系統傳感器由穩定性監測傳感器和氣隙監測傳感器構成。

2.2.1 穩定性傳感器測點分布

第1類電渦流傳感器測點分布：鍵相信號，上導軸承X、Y向擺度，下導軸承X、Y向擺度，水導軸承X、Y向擺度，機組抬機量（測量大軸軸向位移），以上測點主要測量傳感器探頭相對旋轉大軸的間距。

第2類低頻振動傳感器測點分布：上機架X、Y徑向水平振動，上機架Z向垂直振動，下機架X、Y徑向水平振動，下機架Z向垂直振動，頂蓋X、Y徑向水平振動，頂蓋Z向垂直振動，定子機座X、Y向水平振動，定子機座Z向振動，定子鐵芯水平振動，定子鐵芯垂直振動，以上測點主要測量水輪發電機組各固定部件低頻振動。

第3類壓力脈動傳感器測點分布：蝸殼壓力脈動、轉輪與導葉間壓力脈動、錐管進口壓力脈動、肘管進口壓力脈動、肘管肘位壓力脈動，主要測量壓力脈動（壓力持續波動值）。

第4類傳聲器測點分布：發電機運行噪聲監測，水輪機運行噪聲監測，主要測量水輪發電機組噪聲大小，間接反映水輪發電機組運行工況，圖2為錦屏一級電站測點分布圖。

2.2.2 發電機氣隙傳感器測點分布

錦屏水電站發電機氣隙傳感器采用加拿大Vibrosystm VM5.0平板電容傳感器，8個測點均勻布置在發電機定子內壁上部，主要測量發電機定、轉子間隙，為評價定轉子氣隙狀態提供依據。

3.機組狀態在線監測系統常用分析工具

3.1 機組穩定性監測常用分析工具

機組穩定性監測常用分析工具包括趨勢分析、時域波形分析、頻譜分析、瀑布圖分析、軸心軌跡分析、軸系圖分析、工況分析等七種工具，下面介紹其中的一種。

趨勢分析法：利用相關趨勢分析功能，用戶可制作機組的各種特性曲線，監測機組性能變化，及時發現機組故障及缺陷。常見趨勢分析曲線有機架振動、擺度、壓力脈動隨負荷變化曲線；機架振動、擺度、壓力脈動隨轉速變化曲線；機架振動、擺度隨勵磁電流變化曲線；有功、流量、效率隨導葉開度變化曲線；流量、效率、耗水率隨負荷變化曲線瓦溫、油溫變化曲線；相關參數隨水頭變化曲線等。下面用趨勢分析法對一起水輪機蝸殼導流環板撕裂的數據曲線進行分析。

圖3所示某電站一臺機組正常運行中，蝸殼中3處導流環板撕裂導致水力嚴重不平衡，機組各導軸承等X向擺度峰峰值、1倍頻相位值隨時間變化的曲線圖。X軸為時間，Y軸六條曲線分別是上導、下導、水導X向擺度的峰峰值和1倍頻相位值，最下邊曲線為頂蓋垂直振動的峰峰值和1倍頻相位值。由趨勢分析法可知，突變時刻發生于02:44:42，上導、下導、水導X向擺度的峰峰值和1倍頻相位值發生大幅突變，頂蓋垂直振動的峰峰值和1倍頻相位值大幅突變，其中各部件峰峰值突變均在170μm以上且持續，1倍頻相位值突變均在100°以上且持續，嚴重超出機組正常范圍。

圖2 錦屏一級電站機組狀態監測系統測點分布圖

圖3 機組各部件擺度及振動曲線圖

表1 發電機氣隙狀態評價表

3.2 機組氣隙監測常用分析工具

機組氣隙監測常用分析工具包括定轉子特性評價、定轉氣隙偏差檢查、磁極伸長狀態檢查、轉子機械強度檢查、過速氣隙特性分析、定子相對熱膨脹檢查、輔助分析異常擺度和開、停機過程氣隙特性分析等工具，下面介紹其中的一種。

水輪發電機定子內圓半徑最大值與最小值之差，即兩者之間的半徑差R為定子圓度，通常定義定子圓度時將發電機轉子視為理想圓。

水輪發電機轉子外緣半徑最大值與最小值之差，即兩者之間的半徑差r為轉子圓度，通常定義轉子圓度時將發電機定子視為理想圓。圖4為某電站利用定轉子特性評價工具，分析、評價發電機氣隙狀態水平的示意圖。

某電站機組的轉子不圓度為0.7mm(2.1%)，定子不圓度為1.4mm(4.2%)，其他指標見圖4，氣隙狀態處于優良水平如表1。

4.機組狀態監測系統投產初期存在的不足

該系統電站層和現地層采用環型網結構，因此，這種結構在機組投產初期主要存在以下不足：

電站層和現地層不能形成環型網絡，只能以單網結構運營，此時某臺機組網絡故障會影響整個電站機組狀態監測系統數據的傳輸功能；

隨著投產機組臺數的增多，這種單網結構可能會因傳輸數據堆積造成整個電站機組狀態監測系統故障。

5.錦屏水電站開展機組狀態在線監測系統的現實意義

5.1 保障機組安全、穩定、經濟運行的重要手段

錦屏水電站機組狀態監測系統主要通過以下功能保障機組安全、穩定、經濟運行。

該系統實時監測畫面中各種自帶的直觀易懂的圖形或曲線實時顯示穩定性數據變化、氣隙數據變化，便于運行人員實時監測機組各部件運行狀況，時刻確保機組狀態良好。

當運行工況發生變化時，利用狀態監測系統自動積累的數據，建立機組穩定運行工況庫和不穩定運行工況區，提醒值班人員避免或是縮短機組在不穩定工況下運行的時間，指導機組在穩定工況區運行，優化機組效率，指導機組經濟運行；當機組穩定性數據、氣隙數據曲線發生小幅或大幅突變甚至嚴重超出機組運行極限時，能夠及時發出預警、報警信號，便于值班人員第一時間掌握機組異常信息并采取相應措施，確保機組穩定運行。

該系統可以自動生成檢修前、后各種狀態報告，通過對比歷史數據、曲線，既可以分析瞬態過程和熱穩定過程氣隙變化數據趨勢，又可以檢驗機組的安裝質量、評價機組檢修效果，最終通過調整使機組在最優狀況下運行。

利用電廠局域網構建廠級機組狀態監測網，設備管理工程師在網絡允許范圍內，即可實現機組的在線監測遠程分析和診斷，隨時掌握機組的狀態，確保機組處于可用的良好狀態。

5.2 值班人員判斷、評估并網機組可靠性最有力的分析工具

值班人員可以充分利用機組狀態監測系統這一平臺，準確判斷、評估并網機組的可靠性。正常時，機組各部件的振動、擺度、壓力脈動、抬機量、噪聲和氣隙數據曲線均在正常的范圍內波動，機組穩定運行。當上述曲線超出正常曲線范圍發生瞬時性突變且短時恢復到正常范圍內時，該情況可能由于工況、調負荷、跨振動區等原因引起，一般不會影響機組安全、穩定運行；當機組某個部件出現松動或是異常，上述曲線會發生超出正常曲線范圍的突變，突變后的曲線較穩定且持續存在時，該情況可以判定機組某個部位出了問題。此時，值班人員根據具體的特征曲線分析、判斷是水輪機還是發電機的問題，根據異常產生的部位采取不同措施找出曲線發生突變的原因，恢復機組正常運行曲線，確保機組穩定運行。

5.3 指導機組檢修和開展機組狀態檢修的重要技術基礎與依據

圖4 發電機定、轉子圓度模擬圖

該系統可以利用自帶的各種分析診斷工具，對機組異常信息進行深入分析，輔助發現異常原因，指導機組檢修工作；同時，它也是未來機組狀態檢修的技術核心，充當著設備健康狀況診斷醫生的重要角色，其最終目的是為機組狀態檢修服務提供依據、技術支持，根據狀態監測系統獲得的機組特征信號，準確掌握設備狀態情況，合理安排機組小修、大修和擴修。

5.4 錦屏水電站實際情況的必然要求

錦屏一級額定水頭200m，最大水頭240m。錦屏二級采用上游調壓室結構，“4洞8機”布置方式，額定水頭288.0m，最大水頭318.8m，是世界上混流式機組中水頭最高的電站。因此，錦屏水電站單機容量大、水頭高、裝機容量大等特點決定了機組狀態在線監測系統必須具有高的實用性、可靠性，尤其發生突發情況可以通過預設的振擺、氣隙數據報警信號及時提醒值班人員加強監視和采取必要措施防止發生機組飛逸過速的重大事故。

錦屏水電站也是國調直調電站，送出線路通過錦屏—蘇南±800KV直流特高壓送至華東電網，該輸電線路起點位于四川省錦屏換流站，受端位于江蘇省蘇南換流站，額定輸送容量7200MW，最大連續輸送容量7600MW。因此，錦屏水電站將在國網中擔任重要的調峰、調頻和事故備用任務，這就要求水輪發電機組在其整個出力范圍內具有充分的可用性，值班人員必須準確了解和掌握機組的真實運行工況和運行性能。

5.5 錦屏水電實施“無人值班”（少人值守）高效值班模式的必然要求

錦屏兩級電站投產后，按照二灘公司的總體部署，投產后的機組將實施接入雅礱江流域集控中心（成都）調度的方案，即雅礱江流域集控中心將統一調度錦屏水電站14臺機組，電站現場將無人值班。

錦屏水電站作為國內“一廠兩站”最大的電站，電站總定員190人，是國內巨型電站中值班人數最少的電站。錦屏水電站現場將采取“少人值守、兩大班制”的值班模式，即電站現場運行、維護人員分為兩班，每班工作半個月，休息半個月，兩班交替上班、休息。這樣高效的值班模式使得錦屏水電站機組臺數多和值班人數少的矛盾尤為突出，這就要求電站具有很高的自動化水平、信息化水平，需要發展更加成熟、可靠的機組狀態監測系統，建立預測維護理論系統與維護實施系統，實現水電站運行設備監測、維護、高效管理。

6.結語

隨著雅礱江流域水電開發事業的快速發展和國內水電機組狀態在線監測系統的不斷成熟、可靠，錦屏水電站機組狀態在線監測系統即將投入運行，相信將會取得良好的效果，為錦屏水電站的安全、穩定、經濟運行提供堅實的技術基礎。

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