基于計量數據應用的汽輪發電機狀態在線感知與診斷系統

慕慧娟，馬曉春(新疆維吾爾自治區計量測試研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述汽輪發電機狀態在線感知與診斷系統

1.1 系統構成

系統由下位機(數據采集箱)、上位機(服務器)、網閘等幾個部分組成，每臺汽輪發電機組分別配置1臺下位機，兩臺下位機可共用一個上位機(服務器)。

系統的下位機安裝在機柜中，為便于維護和調試，機柜內配置一臺482.6 mm(19”)LCD和鍵盤。原來TSI系統安裝的振動傳感器不需要任何改動，不影響TSI系統的正常工作，從TSI系統的緩沖輸出采集振動和鍵相等信號，利用主機模塊完成與各數據采集子模塊和上位機的通訊功能。

下位機(數據采集箱)框架內除了必須配置2個電源模塊和1個主機模塊外，還有12個模塊可以根據監測對象需要進行配置[1]。系統架構示意圖如圖1所示。

圖1 系統架構示意圖

鍵相模塊：作為整周期采樣同步信號，必須安裝，2路。

振動量模塊：可測量軸振、瓦振、軸向位移和脹差，4路。

過程量模塊：可測量溫度和負荷等4～20 mA信號，24路。

系統的上位機(服務器)通過一條以太網線與下位機通訊，除了完成振動數據存儲和信號分析功能外，還實現了可視化監測、故障自動診斷、故障處理建議。

1.2 系統主要功能

(1)低速盤車時晃度監測。在大機組低速盤車時監測各轉子的晃度，可以糾正長期以來根據單個偏心判斷所有轉子是否存在熱彎曲的誤區，還可以判斷轉子是否存在初始彎曲和永久彎曲，測量表明是否存在機械缺陷，是否存在電磁干擾，軸系是否對中，轉子是否有效頂起，機組檢修情況，機組是否可以沖轉等。相關趨勢分析如圖2所示。

圖2 相關趨勢分析

(2)軸承圓周振幅監測。在軸承上安裝兩個電渦流傳感器時，通過計算，可以得到軸承圓周方向任意角度轉子的振動情況，可以確定軸承圓周振動的極值，為機組保護、振動分析、故障診斷和故障處理提供更有效的依據，如報警閾值的設置、不平衡位置確定、軸承剛度下降和松動等。

(3)轉子在軸承中位置監測。實時監測轉子在軸承中的位置，可以分析盤車和啟停機時轉子是否頂起，頂軸系統是否工作正常，軸承是否磨損、軸瓦是否松動，軸系是否對中，軸系是否存在碰摩的可能以及碰摩的位置，閥序和閥門開度是否合理以及調整方向，熱膨脹是否合理，油質劣化、軸瓦斷油，振動和瓦溫變化與轉子負載的關系等。軸系位置圖如圖3所示[2]。

圖3 軸系位置圖

2 機組狀態可視化

2.1 事件列表

汽輪發電機組軸系可視化智能實時監控系統能夠顯示事件發生的時間和事件類型。時間清單如圖4所示。

圖4 時間清單

2.2 趨勢分析

系統可分析任一個或多個參量相對某個參量的變化趨勢，其中橫軸和縱軸可任意選定，時間段可任意設定。

3 三維可視化動態實時監測

汽輪發電機組軸系可視化智能實時監控系統可以通過對發電機組軸系各種動靜間隙的實時計算，結合三維實際效果圖，可視化顯示軸承各間隙的變化，結合機組的振動水平，根據最小間隙與相應位置設計間隙的比值自動識態，全面反映轉子頂起高度、轉子在軸承中的位置、油膜厚度，并以不同顏色顯示。生動形象、準確可靠地判斷常見的碰磨、松動、不平衡、不對中、油膜渦動、汽流激振、部件脫落等故障，具備顏色報警功能，并自動推出故障部位。還能夠剔除振幅計算時直流部分的影響，防止誤報和漏報。以監視圖、棒表、數據表格、曲線等方式實時顯示所監測的數據和狀態，能夠自動識別盤車、升降速、定速、帶負荷和正常運行等狀態。系統獨創性的可視化功能，對電廠運行人員來說有兩大關鍵作用：

(1)在機組啟動前進行一些十分關鍵又容易忽視的條件確認。如轉子頂起高度、軸系晃動度是否滿足機組安全啟動條件，可視化畫面都給出了具體數值，通過數據定性直觀分析，可以提前發現機組存在的一些潛在危險源，避免事故的發生和擴大化。

(2)對于機組整體的運行狀況，系統也給出了綜合判斷，劃分為優秀、良好、合格各等級，通過不同的顏色進行顯示。運行人員只需要觀察可視化畫面顏色變化，即可以在第一時間發現機組運行狀態變化，并且可以直接獲取機組故障的結論和運行指導建議，大大降低了電廠人員掌握汽輪發電機組振動分析處理的難度。對一些隱蔽性較強(故障發生但是振動幅值變化不明顯)的故障，系統可視化功能具有獨一無二的優勢。

3.1 振動和轉速

可視化監測圖如圖5所示。其中B1～B8表示第1到第8號軸承，大寫的X、Y和V分別表示軸承水平方向、垂直方向軸振和垂直方向瓦振，單位是μm，正常字體顏色是黑色，超過警告值是黃色(為了對比，背景改為灰色)，超過危險值是紅色，左邊中部顯示轉速，單位是rm-1，并顯示轉動方向。轉動體下方是軸向位移和脹差，單位是mm，正常色塊顏色是黑色，超過警告值是黃色，超過危險值是紅色。

圖5 可視化監測圖

3.2 軸系監測

如上圖所示，在圖形中下部顯示汽輪發電機和發電機轉子組成的軸系狀態，轉子、動葉和發電機等轉動部分用黑色表示，轉動的快慢與轉速有關，轉速越高，轉動越快。殼體和隔板等靜止部分用白色表示，各種密封狀態用七種顏色表示，除了停機時用黑色表示外，其他運行狀態對應不同顏色，如表1所示。

表1 運行狀態下的對應顏色

與目前常用的三級分類相似，優秀和良好可看作正常，可以長期運行；合格和警告可看作警告，可以在加強監測的情況下運行；危險和建議停機處理可看作危險，需要查找原因，調整運行參數或停機處理。

3.3 軸承狀態監測

如上圖所示，系統在圖形下方顯示各軸承的狀態，軸承的形狀與軸承類型有關。軸承油膜的顏色與密封狀態一樣，用七種顏色表示。大寫X、Y是傳感器位置，小寫x、y是物理水平與垂直方向坐標。小寫x、y后而的數字是轉子中心在軸承中的偏移量(以物理坐標為基準)，同時顯示合成后的大小和角度(以x軸正方向起點為零度，逆時針旋轉)。

4 診斷分析

根據故障機理和現場診斷經驗，分析汽輪發電機組常見振動故障存在的充要條件，通過對實時和歷史數據的全面分析，根據通頻振幅和各頻段振幅、相位的大小和變化趨勢，計算常見振動故障的充要條件的可信度，結合影響故障的因素，確定故障的嚴重程度，以圖形方式直接顯示故障結論和變化趨勢，使得所有用戶都可以根據系統的診斷結果判斷機組的狀態。汽輪發電機組故障診斷知識庫和算法庫由專家提供，在系統后臺運行和維護，不需要用戶去掌握復雜的振動信號分析方法。

5 應用效果

汽輪發電機狀態在線感知與診斷技術是輪發電機設備正常高效運行的保障，而技術的應用主要是基于汽輪發電機中的在線監測系統與監測裝置，根據汽輪發電機的狀態與質量，基于在線監測與診斷技術可以實現對整體系統的有效監測效果。

5.1 可以實現對機組安全事故的有效防御

基于在線監測技術可以實現對汽輪發電機運行狀態的監測，而監測中所積累的信息數據可以為在線狀態維修與事故預測提供依據，進而很好的實現對安全事故的預測。在線監測技術引入到汽輪發電機中之后，其電網安全事故得到了有效的防御效果，許多事故都由于得到了提前的預測與解決被避免，為中國的電力系統發展奠定了基礎。

5.2 實現對汽輪發電機的在線實時監測效果

汽輪發電機在運行過程中容易出現各種狀態的變化及相關故障情況，而通過該技術的應用不僅有效的實現了對設備的監測，同時也很好的實現了對設備運行壽命的分析，避免了由于設備問題而出現的影響正常運行的情況，提高了設備的使用效率與使用質量。

5.3 為狀態維修提供了方向依據

狀態維修技術是指在針對設備運行過程中可能出現的問題采取預防性措施就被稱為狀態維修，而維修的重點技術對其運行狀態進行診斷與分析，明確設備運行過程中的故障原因與故障性質，然后分析其出現程度與設備的未來使用壽命。而通過在線監測技術可以實時的獲取設備運行狀態信息，對于設備未來可能出現的問題有著預判效果，同時也為其狀態維修操作提供了方向依據[3]。

6 結語

隨著現代信息科技的高速發展，數據已經成為企業發展的基礎依據和有效工具，對企業的壯大起到了非常重要的作用。計量數據采集與應用不僅能在現代高要求的壓力下為企業贏得更多新的發展機遇。同時，計量數據采集和應用也能高效幫助企業實現公司內部所有領域的有效管理，也能最大程度地服務好企業外部的其他領域，獲得最新的發展咨詢，讓運行處在穩定的狀態，同時獲得更好的發展。