機組狀態在線監測系統在清遠抽水蓄能電站的應用

鄭松遠，陳泓宇，季懷杰，李 華，楊小龍

（1.北京華科同安監控技術有限公司，北京市 100041；2.清遠蓄能發電有限公司，廣東省廣州市 510630；3.中國南方電網調峰調頻發電公司，廣東省廣州市 510640）

0 引言

廣東清遠抽水蓄能電站安裝有4臺320MW可逆式水輪發電機組，分別于2015年11月以及2016年3月、6月和8月入商業運行。在機組安裝階段，清遠抽水蓄能電站同步配置了北京華科同安監控技術有限公司的TN8000機組狀態在線監測系統，實現了對機組振動、擺度、壓力脈動和發電電動機空氣間隙的監測和分析診斷。TN8000系統自投運以來，為分析評價機組穩態和瞬態特性起到了重要作用。本文重點闡述了機組狀態在線監測系統在清遠蓄能電站在機組不穩定運行工況分析、四機甩負荷試驗、評價發電電動機空氣間隙特性、分析處理下導擺度異常問題等方面的應用情況。

1 系統配置

清遠抽水蓄能電站TN8000機組狀態在線監測系統由傳感器、數據采集單元、服務器及相關網絡設備、軟件等組成。系統采用分層分布式結構，按層次劃分為電站層（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服務器和網絡設備等，全廠4臺機組共用1套。現地層設備包括：機組現地在線監測數據采集單元、各種傳感器、通信接口、附件設備等。電站級設備和現地級設備之間采用光纖傳輸。

每臺機組現地層設備設一個數據采集站，布置在地下廠房發電機層機旁。數據采集站內配置1套TN8001穩定性數據采集箱、1套TN8002氣隙數據采集箱、傳感器電源、工業液晶屏等設備，集中組屏。數據采集站負責對機組的狀態監測信號進行數據采集、處理、分析，以圖形、圖表、曲線等直觀的方式在計算機屏幕顯示器上顯示，同時對相關數據進行特征參數提取，得到機組狀態數據，完成機組故障的預警和報警，并將數據通過網絡傳至狀態數據服務器，供進一步的狀態監測分析和診斷。

清遠抽水蓄能電站每臺機組測點包括機組的鍵相、振動、擺度、壓力脈動、軸向位移和空氣間隙，測點配置如圖1。除上述測點外，為了分析判斷機組的運行工況并對機組的運行狀態進行全面監測分析和評價，機組狀態在線監測系統還通過硬接線方式引入機組有功、無功、勵磁電流、勵磁電壓、導葉開度、水頭等4～20mA信號和發電機出口開關、滅磁開關、發電工況開關、抽水工況開關等開關信號，以及通過RS-485通信方式從監控系統獲取各導軸承和推力軸承的瓦溫、油溫數據。

圖1 測點配置圖Fig.1 Measurement configuration diagram

為保證系統的長期穩定可靠運行，清遠抽水蓄能電站機組狀態在線監測系統傳感器均采用國內外著名廠商生產的、具有較多應用業績并經過長期生產實踐考驗的產品。擺度和鍵相傳感器采用德國B&K Vibro公司的IN-081一體化電渦流傳感器，軸向位移傳感器采用湖南天瑞的TR-81大量程電渦流傳感器，氣隙傳感器采用加拿大Vibrosystm公司的VM5平板電容傳感器，壓力脈動傳感器采用瑞士Keller公司的21Y壓力脈動傳感器。1號機組振動傳感器采用瑞士Vibrometer公司的CV210低頻速度傳感器，2、3、4號機組振動傳感器采用北京豪瑞斯公司的MLV-9速度型低頻振動傳感器，從實際應用效果看，兩種傳感器監測性能和長期運行可靠性均能較好地滿足實際監測需要。

針對上機架、下機架、定子鐵芯和頂蓋等固定部件的監測和評價[1]，振動量綱有位移量（單位μm）和速度量Vrms（單位mm/s）。對采用速度量還是位移量，國內外存在很多爭議，國內習慣采用位移量，原ISO標準建議額定轉速300r/min以下機組采用位移量，300r/min以上機組采用速度量，GB/T 32584—2016建議采用速度量。從振動評價來說，位移量對低頻振動較敏感，速度量對高頻量較敏感。為更全面地監測分析機組各固定部件的振動狀況，清遠抽水蓄能電站機組狀態在線監測系統同時監測振動的速度量和位移量。

2 不穩定工況區分析

清遠抽水蓄能電站機組狀態在線監測系統通過一定時間的數據積累，自動統計各個工況下的參數，明確機組不穩定運行工況區，從而指導機組盡可能避開危險工況區實際優化運行。圖2和圖3為利用1號機組在線監測系統自動統計的變負荷過程數據形成的水導擺度和尾水管進口壓力脈動隨負荷瀑布圖。從圖中可以發現，在有功功率小于220MW時，水導擺度和尾水管壓力脈動信號均存在一定的低頻成分，但絕對值均不大，220MW以上水導擺度和尾水管壓力脈動值均較小，其余穩定性監測參數存在類似特征。

圖2 水導擺度隨負荷瀑布圖Fig.2 Waterfall of turbine guide bearing runout

圖3 尾水管進口壓力脈動隨負荷瀑布圖Fig.3 Waterfall of pressure pulsation of inlet pipe

圖4為1號機組178MW時的水導擺度波形和頻譜圖。從圖中可以看出，水導擺度信號中低頻信號為主要成分，其頻率約為0.38倍頻（2.71Hz），可以判斷該頻率為尾水管渦帶脈動頻率，和其他電站同類機組相比，該渦帶影響量對機組振動擺度影響相對較小。圖5為水導 X/Y向、轉輪與底環間壓力脈動、轉輪與導葉間壓力脈動渦帶頻率成分隨負荷的變化趨勢，可見負荷160～200MW區間存在渦帶頻率成分。綜合以上分析，清遠抽水蓄能電站1號機組160～200MW區間為渦帶不穩定工況區，但渦帶影響量不是很大，可短暫運行；0～160MW和200～220MW為可長期運行區，220MW以上區間為最優運行工況區。

圖4 渦帶工況下水導擺度波形頻譜Fig.4 Run-out of turbine guide bearing

圖5 渦帶頻率成分隨負荷相關趨勢圖Fig.5 Vortex frequency value trend with active power

3 甩負荷試驗特性分析

清遠抽水蓄能電站采用一洞四機布置方式，在機組投運階段分別進行了單甩、雙甩、三甩和四甩試驗。機組狀態在線監測系統自動根據負荷、發電機出口開關、機組轉速判斷機組甩負荷狀態，快速記錄甩負荷過程數據，自動計算甩負荷過程相關量化數據，為評價一洞多機甩負荷對機組的影響程度提供直觀量化數據。

圖6為四機甩100%負荷過程機組狀態在線監測系統自動生成的1號機組和4號機組甩負荷過程各參數波形，4臺機組各參數變化規律基本一致，未見有異常情況。表1為四機甩100% 負荷過程機組狀態在線監測系統自動生成的部分特征數據，4臺機組最高轉速、最大蝸殼壓力和最小尾水壓力基本一致，均滿足設計要求，發電機轉子各磁極甩負荷前后間隙基本沒有變化，轉子相關剛度和強度滿足長期運行要求。

圖6 四機甩100%負荷過程1、4號機部分參數波形Fig.6 1，4 unit 100% load rejection measurement waveform

表1 四機甩100% 負荷過程部分特征數據Tab.1 Characteristic parameter in 4 machine rejection 100% Load

圖7為2號機單甩、雙甩、三甩和四甩時擺度振動最大值對照圖。從圖上可以看出，單甩、雙甩、三甩和四甩時上導和下導擺度、上機架和下機架振動有逐漸增大趨勢，可見多次多機甩負荷對機組不利。表2為2號機單甩、雙甩、三甩和四甩時最高轉速、最大軸向位移和最大壓力脈動對照表，從表上可以看出四甩時最高轉速較單甩時高出33.2r/min，但距離發電機飛逸轉速690r/min還有較高安全裕度。單甩、雙甩、三甩和四甩時大軸軸向位移有逐漸增大趨勢，說明軸向水推力逐漸增大，轉輪與導葉間和尾水管進口壓力脈動增大明顯，說明同一輸水系統多機同時甩負荷機組臺數越多，水力脈動越大[2]。

圖7 多機甩負荷時2號機組擺度振動對照圖Fig.7 Unit 2 vibration contrast of multi unit load rejection

表2 多機甩負荷時2號機組轉速、軸向位移和脈動對照表Tab.2 Unit 2 speed，shaft axial and pressure contrast of multi unit load rejection

4 發電電動機空氣間隙監測技術應用

清遠抽水蓄能電站考慮高轉速的剛強度要求，發電機轉子磁軛采用環形浮動磁軛結構[3]。為分析轉子磁軛動穩態特性，每臺機組配置了8個空氣間隙測點，分上下兩層周向均勻布置。TN8000機組在線監測可快速記錄抽水蓄能機組穩定運行過程和瞬態過程的氣隙變化數據，利用趨勢圖、磁極形貌比較圖等相關分析工具，自動計算氣隙量化特征數據，分析發電電動機轉子機械強度和磁軛緊固狀態，了解發電電動機穩態和瞬態過程的氣隙變化特性。從下面清遠抽水蓄能電站4臺機組甩負荷過程和長期運行過程的氣隙特性變化數據分析可知，各機組發電機轉子剛度良好，轉子磁極結構穩定性高。

在甩負荷過程中，由于作用于轉子磁軛和磁極的離心力影響，導致轉子膨脹，定轉子間氣隙減小。分析甩負荷過程最大氣隙變化量和甩負荷前后穩定工況的氣隙數據變化，可以評價轉子磁極的機械特性。圖8為1號機組甩負荷過程氣隙變化曲線，隨轉速升高氣隙迅速減小。圖9為甩負荷前后轉子磁極形貌比較圖，反映甩負荷過程對各磁極氣隙特性的永久影響。從圖9上可以看出，各磁極氣隙變化量較小，最大變化量僅為0.06mm，說明甩負荷過程對發電電動機各磁極氣隙特性沒有造成影響，轉子機械強度和磁軛狀態良好。4臺機組甩負荷過程中最大氣隙變化量和永久變化量見表3。

圖8 甩負荷過程氣隙變化趨勢Fig.8 Air gap trend of load rejection

圖9 甩負荷前后轉子磁極形貌比較圖Fig.9 Pole shape comparison before and after load rejection

表3 甩負荷過程氣隙氣隙特征數據變化量Tab.3 Air gap characteristic parameter in load rejection

在日常機組開停機過程中，由于作用于轉子磁軛和磁極的離心力的影響，也會導致轉子膨脹，定轉子間氣隙將發生變化，在開機過程中氣隙逐漸減小，而在停機過程中氣隙則會逐漸增大。開停機過程中轉子磁極氣隙的變化幅度與發電電動機轉子結構設計和機械強度有關。圖10為停機過程中各通道平均氣隙的變化趨勢，圖11為額定轉速和低轉速時轉子磁極形貌比較圖，從圖11可以看出，停機過程中各磁極氣隙均有明顯增大。4臺機組開停機過程氣隙變化量見表4。

圖10 停機過程氣隙變化趨勢Fig.10 Air gap trend in stopping process

圖11 低轉速和額定轉速時磁極形貌比較Fig.11 Pole shape comparison for speed

表4 開停機過程氣隙變化量Tab.4 Air gap change value in stopping and starting process

通過比較相同工況下當前發電電動機轉子磁極形貌和一年前的轉子磁極形貌，可判斷磁極是否存在伸長現象，評價長期運行轉子磁極穩定性。TN8000系統可自動計算上述兩個轉子磁極形貌的偏差，獲取各磁極氣隙變化量，當某一磁極氣隙數據減小超過一定量時，說明該磁極存在伸長傾向，需要嚴重關注。圖12為2號機組最近1年的各磁極氣隙變化量圖，最大磁極變化量為-0.09mm，基本沒有變化，說明該發電電動機轉子磁極機械特性良好，不存在磁極松動故障。

圖12 最近2年各磁極氣隙變化量Fig.12 Air gap change value in recent 2 years

5 下導擺度異常變化原因分析及處理

清遠抽水蓄能電站1、2號機組投產后，下導擺度均存在不斷爬升的趨勢，初步分析是下導瓦隙結構存在問題，但對下導軸瓦進行檢查未見異常，下導瓦間隙也未見變化。通過分析機組在線監測的長期歷史數據發現，1、2號機組下導擺度均存在季節性變化趨勢。結合機組在線監測從監控系統集成過來的下導瓦溫和油溫數據發現，下導擺度和下導油溫的長期變化趨勢基本一致。

抽水蓄能機組在不同運行工況下擺度變化較大，即使在相同工況下，隨著運行時間增大瓦溫逐漸趨勢穩定，擺度也會逐漸變小然后穩定。為客觀評價比較擺度的變化趨勢，TN8000機組在線監測系統提供了按運行時間、負荷和水頭篩選歷史數據的功能，圖13為發電工況和抽水工況時開機穩定運行30min后、同樣水頭下的額定負荷下的歷史數據趨勢，從圖13可以明顯看出，下導油溫、瓦溫和下導擺度季節性變化比較明顯，其中7～10月擺度最大，12～4月擺度最小，春天到夏天逐漸增大，秋天到冬天逐漸減小。3號機組和4號機組的下導擺度存在同樣的變化趨勢，但下導絕對值相對較小。圖14為1號機組相同工況下的下導擺度和油溫長期趨勢，和2號機組具有同樣的季節性變化趨勢。

圖13 2號機組發電工況和抽水工況下導擺度和油溫長期趨勢Fig.13 Unit 2 runout and temperature trend in generator and pump operation condition

圖14 1號機組發電工況和抽水工況下導擺度和油溫長期趨勢Fig.14 Unit 1 run-out and temperature trend in generator and pump operation condition

圖15 下導擺度波形頻譜軌跡Fig.15 Run-out of lower guide bearing

由于下導油溫的升高，將導致下導軸承油膜的約束力減小，在相同振源下，擺度顯然會增大。從2號機組下導擺度波形頻譜和軸心軌跡（圖15）可以看出，擺度基本以轉頻為主，結合開停機過程數據可以初步判斷機組存在較大的轉子質量不平衡。清遠抽水蓄能電站1號機組和2號機組投運時處于油溫相對低的時段，軸承油膜約束力高，對質量不平衡不敏感，即使存在一定的質量不平衡下導擺度也能很好，但在油溫處于相對高的時段，該質量不平衡可能會導致較高的下導擺度。根據以上分析結果，結合機組檢修進度，2017年10月在油溫處于相對高時段，利用TN8000機組在線數據對2號機組重新進行了動平衡試驗，動平衡后效果良好。表5為動平衡前后下導油溫相對低和相對高時段，發電和抽水工況穩定運行工況擺度數據對照表。

6 結束語

抽水蓄能機組具有水頭高、轉速高、運行工況復雜且轉換頻繁等特點，因此對抽水蓄能機組實施狀態監測是必然的選擇。清遠抽水蓄能電站在建設階段同步安裝了TN8000機組狀態在線監測系統，并在機組投產試運階段利用該系統完成了相關性能試驗和機組性能評估，在運行階段利用該系統發現并解決了下導擺度異常變化問題。實踐證明，機組狀態在線監測系統可在掌握和評價抽水蓄能機組動穩態特性、進行機組性能試驗、及時發現和分析異常狀態方面發揮有效作用。

表5 動平衡前后擺度數據對照表Tab.5 Run-out comparison before and after dynamic balance