泵站機組狀態在線監測系統及應用

彭衛東

（佛山市高明區滄江泵站管理處，廣東 佛山 528000）

泵站機組的運行管理是水利工程中的核心部分，泵站機組發生故障的原因往往比較復雜，隱蔽性強且帶來的負面影響大。在科技高速發展的今天，一套富有成效的、高效率的泵站機組狀態在線監測系統就顯得非常重要。同時，隨著泵站自動化程度的不斷加大，部分泵站開始推行無人值守，更是推進了該系統的普及。文章從泵站機組的常見問題與狀態入手，研究泵站機組狀態在線監測系統的應用。

1 泵站機組常見問題及狀態

在我國使用中的水利泵站中，機組在運行管理中主要呈現出以下特點：（1）技術落后。大多數的泵站在運行管理中缺少技術輔助，信息處理與狀態監測流程仍然以人工操作為主，并未實現信息化。（2）管理效率低下。泵站管理水平低下，無法將泵站納入科學、規范化管理。（3）運行環境差。我國在使用中的泵站大多建設于20世紀70年代，受限于建設年代的物質與技術條件，同時由于使用時間較長，使泵站機組存在很多問題。

1.1 同步機組

（1）發動機問題或負載阻力矩太大會增大機組的負荷，當超過電動機啟動轉矩后，就會在啟動電機時出現轉子未動作但發出噪音的問題。

（2）泵站機組在運轉時，如果電壓下降就會同步降低轉矩，當這種情況發生時，其轉矩小于負載阻力矩，就會導致機組出現故障。

（3）當阻尼環的有效接觸面積被減小或未擰緊阻尼環的螺栓時，連接環節就會冒出火花且發熱，導致機組故障。

（4）未按規定啟動機組或未及時同步，就會使啟動繞組過熱而斷裂阻尼條。

（5）未達到額定值就啟動機組，導致電磁力矩不夠，轉速失速引發機組失步，啟動失敗。

（6）定繞組連接錯誤，會出現電源電壓過大、降低線圈絕緣性、匝間短路等問題。

1.2 異步機組

（1）泵站的異步機組無法有效啟動，其主要原因是機組電源未能穩定連接、電源線裂開或是熔斷器熔絲損壞等。另外，不當操作與啟動、負載功率或負荷過高都會在機組啟動時出現問題。

（2）泵站機組在電源接通且啟動后，發出異常噪音時，需要先分析噪音產生的原因，也就是檢查電流值和電壓值是否因機組啟動時過低的電壓而受到干擾，導致噪聲的出現。另外也應排查其連接的有效性，同時檢查線圈通路，確定問題。

（3）機組運轉過程中過熱的原因包括機組運轉產生過高的電壓值或電流值，使機組鐵芯溫度快速上升；定子繞組相間或匝間存在短路，機組一經運轉，異常的繞組就會加劇繞組絕緣老化；機組在運轉過程中，轉子或定子相擦、掃膛，負載增加引發過熱，導致問題。

2 泵站機組狀態在線監測系統的實際應用

2.1 工程概況

滄江水利樞紐位于廣東省佛山市高明區高明河匯入西江的河口處，距離河口2.4km。樞紐由船閘、泵站、水閘3部分組成，西北連接高明城區，南面與南海區西岸接壤西江。泵站1997年投入運行，承擔著防洪排澇的作用，該泵站裝機容量5000kW，設計流量為128m3/s，設計凈揚程3m。泵站內安裝機組為2800ZLQ30-3.5型立式全調節軸流泵4臺，配4臺上海電機廠L1250-40/3250型電壓等級為10kV、單機容量1250kW同步電機。該站在2010年對機組進行計算機自動化監控改造。

2.2 狀態在線監測系統

滄江泵站機組狀態在線監測系統結構為分層分布式，以層次分兩級，即上位機系統與現地層。主要構件包括上位機單元、數據采集單元與傳感器單元，其中后兩者屬現地系統，而上位機單元則包含了網絡信息設備、工作站與狀態數據服務器等。在中央控制室內設置工作站與狀態數據服務器，并在每臺電機旁安裝數據采集單元，整套系統結構采用以太網形式，傳輸介質為光纖。

（1）傳感器。傳感器作為機組狀態在線監測系統中的重要組成部分，負責監測機組的實時狀態，并將狀態數據采集后上傳。詳細監測點分布與相關配置如表1所示。考慮到傳感器的工作狀態與環境，安裝傳感器應確保穩固，其中加速度傳感器與速度傳感器用于測量機組振動狀態數據，在被測部件上進行剛性連接。在傳感器的底部安裝底座，根據各傳感器的不同尺寸與結構定制底座，并將其焊接于相應的安裝部位，如有不宜進行焊接的，固定方式則采用螺接或粘貼方式。

（2）數據采集。數據采集單元設置在標準機柜內，包括監測顯示器、電源、數據采集設備、網絡信息設備、端子與軟件等。數據采集設備包含振擺監測、壓力脈動監測、空氣間隙監測、鍵相監測、繼電器輸出監測、系統主板與存儲設備，各監測模組均可實現獨立的升級。①振擺監測：其作用是各種振動與擺動信號的采集。采用8通道監測模塊共3塊，監測擺動信號2個，振動信號20個，預留備用2個。②壓力脈動監測：其作用是工況、負荷與壓力脈動的信號采集。采用8通道監測模塊2塊，監測負荷信號4個，壓力脈動信號3個，預留工況參數信號9路。③鍵相監測：作用是轉速/鍵相信號采集。采用2通道鍵相模塊1塊。④空氣間隙監測：作用是機組電機的空氣間隙信號采集，信號調理器負責傳遞信號。采用4通道監測模塊1塊，監測空氣間隙信號4個。⑤繼電器輸出監測：如泵站機組呈現異常狀態時，監測系統通過繼電器將動作保護或報警信號進行輸出，通過系統設置報警邏輯組態。采用9路繼電器輸出模塊1塊。⑥系統主板：其作用是對各個采集模塊進行協調，確保正常工作運行，同時分析處理采集到的信號數據，將特征參數數據提取并得到最終的狀態數據值。系統主板有2個串行通訊接口及2個10/100M自適應網絡接口。⑦存儲設備：用于泵站機組狀態數據的存儲。

表1 監測點分布與相關配置說明

（3）上位機。包括工作站、狀態數據服務器等設備。前者用于監測系統狀態數據，并對泵站機組運行狀態進行監測與分析；后者則用于獲取數據、數據處理并將全泵站的狀態實時、歷史數據進行存儲管理。

（4）其他。其他組件包括供電電源，監測顯示器與相應軟件。供電電源為工業級的線性電源，各數據采集設備均配有供電電源1套，為其提供工作用電。監測顯示器為工業液晶顯示器，其作用為實時監測并進行數據分析，同時為系統維護服務。軟件部分則包括移動端軟件、狀態監測分析軟件與離線數據分析軟件，軟件確保能夠與操作系統兼容，同時能夠升級。

2.3 系統功能

（1）實時數據分析與監測。監測系統能夠在全泵站有網絡連接的用戶終端、數據服務器或數據采集設備上將泵站機組實時運行狀態實現同步顯示與監測，并從不同角度將機組狀態信息數據以監測畫面或曲線、數據、圖表等形式分層次的呈現出來，即機組狀態在線實時監測功能。

（2）擺動振動監測功能。通過對機組各個部位的振動信號進行監測，根據機組的實時狀態進行分析，同時將機組支架的振動時間比趨勢反映出來，對支架損傷情況進行初判；分析水泵機組導軸承與泵葉外殼，可得到故障狀態數據，特別是有水力影響機械結構的振動，能夠借助振動頻譜反映出支架裂紋、松動等問題；而通過對導軸承擺動的監測，并結合實時獲取的油溫與軸承瓦溫數據，就能實時監測到軸承的故障。

（3）壓力脈動監測功能。通過實時監測到的壓力脈動信號，系統能夠自動計算信號發生點的脈動及壓力狀態，通過分析頻譜，確定引發水力脈動的源頭，同時預測構件安全狀態并提供相應依據。

（4）機組氣隙監測功能。通過采集相應傳感器信號，結合鍵相，對運行時氣隙變化狀態進行分析。

（5）趨勢分析功能。該系統能夠通過監測到的上述所有數據信息的特征參數與狀態，及通訊端口獲取的過程量參數進行趨勢分析。

（6）數據管理功能。系統的數據管理包括對需要的穩態、瞬態等數據進行存儲，該系統會檢查數據的合法性與有效性，清理超過時間的數據，同時維護數據庫性能，監測硬盤的冗余并發出警告并進行數據備份，用戶也可快速檢索并下載需要的數據。

（7）其他功能。該系統除了能夠設置二級報警并組態報警延遲與邏輯，實現雙向通訊，提供機組狀態報告為機組運行、檢修與優化提供相應依據，另外該系統還提供了自恢復、自診斷及遠程診斷功能。

3 結論

綜上所述，作為影響我國民生的重要工程項目，泵站機組狀態在線監測系統能夠為我國泵站在正常運行、提高工作效率上起到巨大的積極作用，通過滄江泵站機組狀態在線監測系統的設計、功能與應用情況，可見該系統的推廣與應用是大勢所趨。