機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在抽水蓄能電廠的應用

楊夢起，李政柯

（1.中國南方電網(wǎng)調峰調頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000）

機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在抽水蓄能電廠的應用

楊夢起1，李政柯2

（1.中國南方電網(wǎng)調峰調頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000）

分別介紹了兩個抽水蓄能電廠機組振動監(jiān)測系統(tǒng)瑞士Vibro-Meter公司的VM600系統(tǒng)和丹麥ROVSING Dynamics A/S公司開發(fā)的OPENpredictorTM故障預警系統(tǒng)，首先對兩套系統(tǒng)的基本情況進行了介紹，然后從測點布置、硬件性能、軟件功能以及人機交互界面等共4個方面對兩套系統(tǒng)進行了比較，希望對其他電廠選擇振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)有所幫助。

振動；狀態(tài)監(jiān)測；VM600系統(tǒng)；OPENpredictorTM系統(tǒng)

1 概述

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，我國電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，由于受地區(qū)水力資源的限制，電網(wǎng)缺少經(jīng)濟的調峰手段，電網(wǎng)調峰矛盾日益突出，建設抽水蓄能電站以解決火電為主電網(wǎng)的調峰問題逐步形成共識。抽水蓄能機組具有起停頻繁、水頭高、工況轉換復雜及輸水系統(tǒng)中存在雙向水流等特點，故對其運行狀態(tài)的實時監(jiān)測尤為重要。反映機組運行狀態(tài)的物理量除了溫度、轉速、定子電壓電流和勵磁電壓電流之外，還包括振動、擺度和壓力脈動等，同其他大型旋轉機械一樣，振動也是蓄能機組最常見的故障表現(xiàn)形式，是影響設備安全、穩(wěn)定運行的重要因素。

據(jù)不完全統(tǒng)計，約有60%以上的設備故障或事故都在振動信息上有所反映，而在水電機組故障或事故處理中此種誘因約為80%，如果能在機組出現(xiàn)早期故障征兆時立即采取果斷措施，防止故障或者事故的發(fā)生，則可避免造成重大的設備破壞和巨大的經(jīng)濟損失[1]。因此，主機設備作為蓄能電站最關鍵的重大設備，選用切實有效的振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對保障發(fā)電機組設備安全及穩(wěn)定經(jīng)濟運行具有積極的意義。

2 蓄能電廠振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)介紹

A、B兩個蓄能電廠都非常重視機組振動的監(jiān)測和分析。A蓄能電廠自20世紀90年代就與高校、科研機構合作研發(fā)了機組軸系振動監(jiān)測系統(tǒng)，隨后選用瑞士Vibro-Meter公司的VM600系統(tǒng)作為機組振動保護裝置并使用至今，在確保機組的安全穩(wěn)定運行方面效果顯著。B蓄能電廠采用了丹麥ROVSING Dynamics A/S公司開發(fā)的OPENpredictorTM故障預警系統(tǒng)，既可查看測量各部位的分析圖譜，也可在報警列表中查看報警的位置、級別、類型和圖譜等信息。

2.1 A蓄能電廠

A蓄能電廠Ⅰ期、Ⅱ期機組振動監(jiān)測系統(tǒng)采用的瑞士Vibro-Meter公司VM600機器保護、狀態(tài)和性能監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱“VM600系統(tǒng)”），主要包括機器保護、狀態(tài)監(jiān)測等兩大功能，其拓撲圖見圖1。

圖1 A蓄能電廠VM600狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖

每臺機組VM600系統(tǒng)硬件組成主要包括框架（用于安裝、連接模塊卡件等）1個、機器保護模塊MPC4+IOC4T模塊4對、狀態(tài)監(jiān)測模塊CMC16+IOC16T模塊1對、中央處理單元CPU M+IOC N模塊1對以及電源2個。

VM600系統(tǒng)提供了3種數(shù)據(jù)分析模式，即實時數(shù)據(jù)分析、歷史數(shù)據(jù)分析和瞬態(tài)分析。

2.1.1 A蓄能電廠Ⅰ期

Ⅰ期4臺機組分別配備一套VM600振動監(jiān)測子系統(tǒng)，通過交換機將進行初級處理過的數(shù)據(jù)送至廠房中控室內一臺服務器，使用VM600上位機軟件可查看數(shù)據(jù)波形、圖譜等。Ⅰ期機組測點布置如表1所示，使用兩種類型傳感器：Vibro-Meter電渦流位移傳感器和加速度傳感器，傳感器與其前置器成套使用，即電渦流位移傳感器TQ 402與其前置器IQS 452、加速度傳感器CA201與其前置器IPC 704。表1給出了Ⅰ期機組振動監(jiān)測系統(tǒng)測點布置說明。

表1 A蓄能電廠Ⅰ期機組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)測點布置

2.1.2 A蓄能電廠Ⅱ期

同樣，Ⅱ期4臺機組分別配備了一套VM600振動監(jiān)測子系統(tǒng)。Ⅱ期使用的振動傳感器為Vibro-Meter電渦流位移傳感器（TQ402、TQ407）和加速度傳感器（CE310、CE680）。表2給出了Ⅱ期機組振動監(jiān)測系統(tǒng)測點布置說明。

表2 A蓄能電廠Ⅱ期機組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)測點布置

A蓄能電廠Ⅰ期、Ⅱ期振動監(jiān)測系統(tǒng)中鍵相傳感器采用TQ402電渦流傳感器，主要通過檢測焊接在發(fā)電機上端軸圓周上的一塊凸片，發(fā)出脈沖信號到振動分析系統(tǒng)，實現(xiàn)機組鍵相的測量。表3給出了A蓄能電廠機組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)傳感器主要參數(shù)及配套。

表3 A蓄能電廠機組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)傳感器參數(shù)及配套

2.2 B蓄能電廠

B蓄能電廠采用丹麥ROVSING Dynamics A/S公司開發(fā)的OPENpredictorTM故障預警系統(tǒng)對機組進行狀態(tài)監(jiān)測，其控制盤柜布置在發(fā)電機層，與機組RTU盤柜放置在一起。每臺機組分別配備一套振動監(jiān)測子系統(tǒng)。

OPENpredictorTM系統(tǒng)硬件組成單元包括信號處理單元SPU、通訊處理模塊、通信處理器串口工具、8通道信號處理模塊、電源適配器模塊、UPS單元、交換機和現(xiàn)地工作站。其拓撲圖如圖2所示，由此可以看出其結構與A蓄能電廠AVM600系統(tǒng)基本一樣。

圖2 B蓄能電廠OPENpredictorTM故障預警系統(tǒng)拓撲圖

除對機組軸系振動量進行監(jiān)測之外，OPENpredictorTM系統(tǒng)中寄存器還從機組Alspa系統(tǒng)中接入了28個機組運行參數(shù)，分別為機組狀態(tài)、流量（水泵和水輪機工況）、導葉開度、上下游水位、有功、無功、定子電壓與電流、勵磁電壓與電流、功率因數(shù)、推力軸承瓦溫、上導軸承瓦溫、下導軸承瓦溫、水導軸承瓦溫、上導/推力軸承冷卻水溫度、下導軸承冷卻水溫度、上導/推力軸承油溫、下導軸承油溫、水導軸承油溫、水導軸承油位等。

B蓄能電廠8臺OPENpredictorTM狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的測點布置（表4）完全相同，共使用2種類型振動傳感器，分別是Vibro-Meter電渦流位移傳感器和速度型傳感器，傳感器與其前置器配套使用，即電渦流位移傳感器TQ402及其前置器IQS452和速度傳感器CV210及其前置器IVC632。

表4 B蓄能電廠機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)測點布置

在OPENpredictorTM系統(tǒng)軟件模擬圖中可實時查看機組運行過程中的各種狀態(tài)參數(shù)以及各監(jiān)測部位的振動值，而且可以利用系統(tǒng)工具條中的瀏覽器或者模擬圖將希望查看的測點加載到繪圖管理器中，查看測點的波形圖、趨勢圖、SMAX圖、散點圖、軸心軌跡、自頻譜分析圖、OTA圖、CPB圖以及瀑布圖。

根據(jù)每個測點組態(tài)的分析方法不同，各通道對數(shù)據(jù)采集與處理的參數(shù)配置也不相同。在OPENpredictorTM系統(tǒng)中，信號分析與處理的算法都被固化在SPU硬件中，所有的傳感器信號在SPU中進行處理和計算，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務器中的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過處理之后的帶有故障特征的信號，所以數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)或者信號也叫特征信號。數(shù)據(jù)分析并不是一個實時的過程，而是每隔一定時間分析一次，這個時間間隔是精調時根據(jù)綜合數(shù)據(jù)復現(xiàn)效果來確定的。

3 振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的比較

3.1 測點布置

與常規(guī)水電機組一樣，抽水蓄能機組振動監(jiān)測也分為絕對振動和相對振動監(jiān)測，也稱為軸向振動（瓦振）和軸承座振動（殼振），A蓄能電廠Ⅰ、Ⅱ期和B蓄能電廠振動傳感器的布置基本相同，均兼顧到重要部位相對振動和絕對振動的測量，對各導軸承擺度和軸承座振動、承重機架的垂直方向進行了全面的監(jiān)測。

GB/T 7894-2009《水輪發(fā)電機基本技術條件》表13中規(guī)定了在定子機座和定子鐵芯處設置傳感器，分別用以監(jiān)測定子機座和定子鐵芯的水平、垂直方向振動。此外，可考慮將壓力脈動（蝸殼進口、頂蓋與轉輪間、無葉區(qū)、尾水管錐管出口）和發(fā)電機空氣間隙等內容納入監(jiān)測范圍，以便更全面地對機組的健康狀態(tài)進行預測與評估。

3.2 硬件性能

一套振動監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)劣關鍵在于信號采集和處理系統(tǒng)的采樣速度、分辨率、精度、信號處理速度和抗干擾能力等指標。兩套系統(tǒng)都采用模塊化設計，可實現(xiàn)高速、并行、同步數(shù)據(jù)采樣，信號采集和處理都在硬件中實現(xiàn)，其數(shù)據(jù)處理精度和計算速度都很優(yōu)秀。VM600系統(tǒng)和OPENpredictorTM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊的基本參數(shù)如表5所示。

表5 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊性能[2，3]

3.3 軟件功能

3.3.1 頻率和幅值范圍

GB/T 11348.5-2008《旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》4.3中規(guī)定了測量設備應該達到的頻率范圍和幅值范圍：

測量設備的頻率范圍應該適合水力機械轉軸振動較寬的激勵譜。它應該從機器額定轉速頻率的1/4到水斗或葉片過流頻率的2倍。

測量系統(tǒng)的幅值范圍至少應該是主要區(qū)域A-B和區(qū)域C-D之間界限值的4倍，以便能精確檢測瞬態(tài)運行工況下的振動。

A、B蓄能電廠機組額定轉速均為500r/min（轉頻8.133Hz），其中，A電廠Ⅰ期轉輪葉片數(shù)為7，Ⅱ期轉輪葉片數(shù)為9；B電廠轉輪葉片數(shù)為9。各狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)頻率和幅值范圍設置見表6。

表6 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)頻率和幅值范圍設置

3.3.2 瞬態(tài)分析功能

A蓄能電廠VM600系統(tǒng)可以直接查看機組啟停機過程中各通道信號的數(shù)據(jù)分析圖譜，且啟機（RUN UP）和停機（RUN DOWN）過程數(shù)據(jù)已經(jīng)由系統(tǒng)自動進行截取和存儲，用戶只需選擇感興趣的時刻，即可直接查看相應的圖譜。

B蓄能電廠OPENpredictorTM系統(tǒng)也可以實現(xiàn)瞬態(tài)數(shù)據(jù)（機組啟停機過程等）查看，可在對機組狀態(tài)（或工況）進行數(shù)據(jù)分析參數(shù)配置時，設置有效的數(shù)據(jù)采集時間間隔以看到信息完整、內容豐富的圖譜。

3.3.3 與其他監(jiān)測系統(tǒng)的整合

A蓄能電廠VM600系統(tǒng)僅包括振動量的監(jiān)測，B蓄能電廠OPENpredictorTM系統(tǒng)除對機組軸系振動量進行監(jiān)測之外，還引入了機組狀態(tài)參數(shù)、定轉子電壓與電流量、有功功率與無功功率、上下游水位以及軸承溫度量等物理量，對進行機組振動特性分析來說更加方便。實際上，VM600系統(tǒng)具備引入其他量的模塊和功能，現(xiàn)階段A蓄能電廠僅引入了有功功率過程量。

3.4 人機交互界面

VM600系統(tǒng)、OPENpredictorTM系統(tǒng)都具有比較友善的人機交互界面，都能實時查看各測量部位的振動值，并能及時查詢機組歷史報警信息。

對于VM600系統(tǒng)，只需依次選擇數(shù)據(jù)分析模式、測點與分析方法，導入并選擇所需的時間段即可繪制出時域波形和頻譜圖，對各種工況下機組重要部位表現(xiàn)出來的頻譜特性展開研究。VM600系統(tǒng)事件查看器可以直接定位到VM600卡件代碼以及某臺機組的某個測點輸出。

OPENpredictorTM系統(tǒng)可以通過樹狀瀏覽器根據(jù)需要選定某些測點的分析方法，在自動打開的繪圖管理器中對顯示模式、時段和機組狀態(tài)進行設置，在快捷工具欄中選擇相應的分析圖標即可顯示對應的圖譜。利用其系統(tǒng)工具條中的運行和維護查看器可以查看報警信息，幫助運行人員判斷報警產(chǎn)生的位置和危害級別，及時通知維護人員，利用狀態(tài)監(jiān)測手段在設備缺陷和故障發(fā)展前期做出干預，提高機組的可靠性和可利用率。

4 結語

結合多年的運行情況來看，VM600系統(tǒng)和OPENpredictorTM系統(tǒng)在機組振動狀態(tài)監(jiān)測與保護、軸承間隙監(jiān)測等方面發(fā)揮了重要的作用，有助于振動工程師或機械技術人員掌握機組的振動擺度變化趨勢和起因，有助于判斷并查找出機組異常或故障情況，對保障機組安全穩(wěn)定運行有十分積極的意義。

[1]彭文季.水電機組振動故障的智能診斷方法研究[D].西安:西安理工大學,2007.

[2]北京韋伯瑞華測控技術有限公司（Vibro-China）.VM600Software&Hardware維護手冊[Z],2011.

[3]SHERETA D.Turbine-generator unit monitoring system as built document[Z],France,Alstom Hydropower Environment,2007.

TV736

B

1672-5387（2015）S-0066-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.020

2015-10-26

楊夢起（1984-），男，工程師，從事水電站機組振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究工作。