水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組成及應用探討

周　俊（湖南省電力公司鳳灘水力發(fā)電廠，湖南 沅陵 419600）

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水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組成及應用探討

周俊（湖南省電力公司鳳灘水力發(fā)電廠，湖南 沅陵 419600）

水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測及故障分析診斷系統(tǒng)的主要作用是對水輪發(fā)電機組的振動、擺度、局部放電等狀態(tài)監(jiān)測參量進行實時采集和監(jiān)測。狀態(tài)檢修的基礎是狀態(tài)監(jiān)測，只有在充分掌握設備狀態(tài)信息的基礎上，才能科學合理的安排檢修。對此，本文首先介紹了水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成和功能特效，然后結合實例詳細探究了水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應用方式。

水輪發(fā)電機組；狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；應用

1　引言

隨著電力系統(tǒng)“廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)”的改革深入，提高設備的可靠性和降低維修成本將是發(fā)電企業(yè)不斷追求的目標，在發(fā)電廠實施設備狀態(tài)檢修是必然的發(fā)展趨勢。因此，詳細探究水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組成和應用至關重要。

2　水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)構成

2.1傳感器

傳感器是狀態(tài)監(jiān)測的基礎，傳感器的可靠、準確與否，將直接影響到全套系統(tǒng)的整體性能。根據(jù)機組的結構和運行特點，選擇滿足實際需要的各類傳感器，是機組實施狀態(tài)監(jiān)測的首要工作。目前，應用較廣泛的傳感器有電渦流傳感器、電容式位移傳感器、低頻速度傳感器、加速度傳感器、壓力脈動傳感器、差壓變送器、電容耦合器等，同一類型的傳感器測量精度、工作范圍也多種多樣，一般根據(jù)機組運行需要進行選擇。當前國內大型水電機組為了確保其運行的穩(wěn)定性多用進口傳感器，例如：德國Schenck、加拿大Vibrosystm傳感器等，但隨著國內自動化水平的提高，國產(chǎn)傳感器的市場占有率也在逐年提高。

2.2數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元的類型也很多，主要負責各種信號的采集、存儲和預處理，并進行實時監(jiān)測和分析，同時對相關數(shù)據(jù)進行特征參數(shù)提取，得到機組狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成機組故障的預警、并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳至數(shù)據(jù)服務器，供進一步的狀態(tài)監(jiān)測分析和診斷。當前應用較廣泛的是TN8000數(shù)據(jù)采集箱，它具有以下特點：

①采用標準的積木式插拔模塊化結構，可根據(jù)現(xiàn)場傳感器的數(shù)量、信號類型進行靈活配置。②基于計算機終端技術、MNA技術、FIFO技術及最新模擬數(shù)字電子技術開發(fā)的硬件系統(tǒng)，保證了數(shù)據(jù)采集的實時性、準確性和可靠性。③整周期控制電路采用新穎的自適應鎖相環(huán)技術，避免了在信號分析中的泄露效益和柵欄效應。④針對水輪機發(fā)電機特性設計的硬件系統(tǒng)，保證了采集信號的完整性。

2.3上位機單元

上位機單元包括數(shù)據(jù)服務器、Web服務器、網(wǎng)絡設備以及打印機等設備。網(wǎng)絡傳輸多采用開放的分層分布式以太網(wǎng)網(wǎng)絡結構，確保電力系統(tǒng)二次安全防護的要求，并滿足工業(yè)通用的國際標準規(guī)約。

3　水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功效特征

（1）實時監(jiān)測：它是體系的關鍵特點，對于設備的運作模式開展綜合化的監(jiān)測，而且判別其是不是處在一種合理的模式。同時通過機組布置圖及數(shù)值表監(jiān)視可了解傳感器的整體布局、具體通道名稱、通道監(jiān)測數(shù)據(jù)的值，這樣方便工作者了解具體的運作狀態(tài)。同時，還設置了全天候的跟蹤體系，這樣便于工作者能夠更加直觀的分析設備。

（2）數(shù)據(jù)分析：數(shù)據(jù)分析的主要目標是對體系獲取的信息進行分析匯總，從而得知一些能夠體現(xiàn)其運行特征的信息，通過對這些數(shù)據(jù)進行分析，能夠明確設備的運作模式。另外，通過數(shù)據(jù)分析還能夠提供波形曲線分析、階次比分析、相位圖分析、功率譜分析、軌跡分析、多軌跡分析、瀑布圖分析、轉速級聯(lián)譜分析、極坐標分析等一系列的分析工具。

（3）狀態(tài)報告：通過對選擇不同時期的機組數(shù)據(jù)制作各種不同功能目的的機組報告，這樣方便測試信息的存放。

（4）報警預警：實時自動判斷機組運行狀態(tài)。如果狀態(tài)出現(xiàn)變化，則能夠盡快的進行預警活動，有利于工作人員在最快的時間之中獲取設備的不正常的數(shù)據(jù)內容。

（5）故障診斷：提供機械設備狀況異常部位的詳細數(shù)據(jù)及惡化水平，便于設備的檢修活動的正常開展，進而生成非常有效的裝置狀態(tài)監(jiān)測體系。

（6）指導運行：關注所有的關鍵信息，對其開展在線的監(jiān)測活動，確保體系有非常合理的運作信息，為機組積累機械設備長期運行情況及變化趨勢建立檔案，并形成廠內水電機組運行狀態(tài)綜合數(shù)據(jù)庫，便于指導機組運行在合適的工況區(qū)。

（7）遠程分析與診斷：系統(tǒng)采用基于B6模式的Internet技術，使其在計算機網(wǎng)絡可達到的地方（包括廠內各主管技術部門、遠程分析中心或專家），都可有效地對機組狀態(tài)進行監(jiān)測分析，制作相應的狀態(tài)報告，支持運行分析中心的建立和工作。

4　水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應用對策

4.1指導機組安全穩(wěn)定運行

通過對各測點數(shù)據(jù)的準確測量，實時反應機組在不同工況下振動、擺度情況：通過系統(tǒng)的報警功能提醒運行人員及時調整負荷，避開振動擺度超標區(qū)運行，可有效預控因振動擺度過大造成對設備的損壞；通過對各種電氣參數(shù)在線監(jiān)測，并根據(jù)用戶設定的故障啟動定值對照模擬量、開關量，一旦滿足啟動條件即啟動系統(tǒng)故障錄波，并發(fā)出報警信號，提醒運行人員及時調整電氣參數(shù)保持在正常范圍內。

4.2指導機組狀態(tài)檢修

長期以來，我國電力系統(tǒng)的發(fā)供電設備均采用定期預防性試驗和定期計劃檢修，即“計劃檢修，到期必修”的做法。這種檢修體制在現(xiàn)今高度自動化設備的水電站不斷暴露出許多弊端，諸如，計劃檢修針對性不強，存在很大的盲目性；計劃檢修造成很多不必要的浪費和過多的損失，甚至對設備產(chǎn)生負效應、出現(xiàn)負作用；計劃檢修的周期不符合現(xiàn)代化設備壽命及故障發(fā)生規(guī)律等等。機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為一種技術先進的裝備和檢測手段為狀態(tài)檢修提供了可靠的保障。機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過對水力機組的運行穩(wěn)定性、定轉子空氣間隙、水輪機空化噪音、發(fā)電機局部放電、發(fā)電機故障錄波、變壓器局部放電和油色譜等的在線監(jiān)測，通過實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析得出變化趨勢并提供相應的處理指導措施。

5　水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應用實例

對某水電站的1臺運行到高負荷區(qū)時頂蓋振動超標的水輪機進行檢修系統(tǒng)的實例應用。此水輪機的單機容量為500MW。

5.1檢修過程

（1）改變負荷，對機組4處監(jiān)測信號進行處理，得到其壓力脈動時的波形圖，及壓力脈動幅值的方差隨負荷的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)4個監(jiān)測處在整個監(jiān)測時間段的各個負荷值下時頻分布規(guī)律整體處于穩(wěn)定。

（2）運用加窗平均周期圖進行頻譜分析，得到4個監(jiān)測處的頻譜圖。根據(jù)頻譜圖發(fā)現(xiàn)，四處頻域均主要為機組轉頻與渦帶頻率，并沒有特別的頻帶，因此可以發(fā)現(xiàn)，并不是某個高頻信號導致的頂蓋振動超標。

（3）觀察壓力脈動△H/H，發(fā)現(xiàn)其脈動值明顯超出設計的壓力脈動合同保證值要求，在500～600MW處突變，如圖1所示。因此，可以發(fā)現(xiàn)是由于壓力脈動幅值過大而造成的水輪機頂蓋振動超標。根據(jù)3個步驟的分析，得出檢修方案。把機組原來的柱狀泄水錐換成常規(guī)泄水錐，并修改出水處上冠的厚度。根據(jù)故障診斷的模擬試驗，當其修剪約40mm厚度時，壓力脈動的突變處會往更大負荷方向偏移，超過水輪機的單機容量。

圖1　檢修前-△H/H變化曲線

5.2檢修后分析

根據(jù)檢修方案，在線監(jiān)測水輪機組的4處監(jiān)測點的信號，得到壓力脈動△H/H變化曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，蝸殼進口處的壓力脈動△H/H最大值2.97%超出了合同保證值，但此時的負荷為580MW，屬于超發(fā)點。對比檢修前的圖2（a）可以發(fā)現(xiàn)，在檢修前的最大值位于負荷為530MW處，為6.71%，由此可見，檢修后蝸殼處的壓力脈動振幅值在高負荷處大大降低了。此外，從圖2（b）、（c）可以看出，檢修后的水輪機組的頂蓋甲、頂蓋乙以及尾水錐管的壓力脈動振幅值在單機容量負荷值范圍內均低于合同保證值，證明水輪機組在高負荷情況下頂蓋振動超標問題被完美解決。

圖2　檢修后-△H/H變化曲線

6　結語

隨著我國水電事業(yè)的快速發(fā)展，水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)得到快速的推廣和應用，并取得了良好的效果，為機組的安全運行、優(yōu)化調度和檢修指導提供有力的技術支持。但是，水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實施是一個系統(tǒng)化的工程，因此，只有通過精心安排、嚴格管理，才能保證系統(tǒng)的正常投運和長期穩(wěn)定的發(fā)揮作用。

［1］陳云輝.對水輪發(fā)電機組振動及狀態(tài)監(jiān)測的探討［J］.低碳世界，2015 （17）：79～80.

［2］余 軍.水輪發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷［J］.中國水能及電氣化，2015（07）：44～47.

［3］豐德強.淺談水輪發(fā)電機組的狀態(tài)檢修［J］.低碳世界，2015（08）：59～60.

周 俊（1982-），男，工程師，本科，主要從事水輪發(fā)電機組機械檢修工作。

TM312.07

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2095-2066（2016）16-0063-02

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