水輪發(fā)電機組無人值守狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與應用

畢啟亮，王紹興，薛子萱，唐慧穎

（1.天津機電職業(yè)技術(shù)學院，天津300350；2.中海油田服務股份有限公司，天津300450）

中國是世界上水電資源最豐富的國家之一，水電在中國國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮著巨大的作用。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和新一代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)向制造業(yè)不斷滲透，新的服務模式相繼出現(xiàn)，降低設備維修成本和提升設備的穩(wěn)定可靠性已經(jīng)作為提升企業(yè)經(jīng)濟效益的重要手段[1-2]。

近年來國內(nèi)多數(shù)水電站已經(jīng)安裝了現(xiàn)地機組在線監(jiān)測系統(tǒng)[3]，但狀態(tài)檢修在實際工程應用中，并未得到很好的應用[4]。由于受地域、人力和技術(shù)的限制，監(jiān)測數(shù)據(jù)大多沒有得到最大程度的利用。一方面，因為不能有針對性地進行現(xiàn)場技術(shù)服務，造成服務力量浪費的問題屢見不鮮；另一方面因為服務力量不足，無法做到隨叫隨到，故障往往無法獲得及時有效的診斷和維修，導致設備停止運行的嚴重后果。因此，開展水輪發(fā)電機組無人值守狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究對實時了解發(fā)電機組的運行狀態(tài)，提高機組狀態(tài)監(jiān)測的實效性，降低服務成本，提高水電站的安全經(jīng)濟運行能力有著非常重要的現(xiàn)實意義。

基于此，天津機電職業(yè)技術(shù)學院聯(lián)合天發(fā)總廠機電設備有限公司，圍繞水力發(fā)電機組，以提高發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測的實效性，降低服務成本為目標，基于傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)分析等理論方法，開展了面向個性服務的狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究，開發(fā)了發(fā)電機組無人值守狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，為發(fā)電設備的管理提供強有力的技術(shù)支撐，有效降低了企業(yè)運營成本，并促進了企業(yè)兩化融合的深入推進。

1 監(jiān)測內(nèi)容與監(jiān)測點設計

水電機組屬于大型低速旋轉(zhuǎn)機械，結(jié)構(gòu)復雜，生產(chǎn)成本很高[5]。為了更好地保障其工作性能，監(jiān)測機組的穩(wěn)定性尤為重要。機組的穩(wěn)定性主要取決于機組的振動大小。水利發(fā)電工程因其環(huán)境較為惡劣，機組振動不可避免。絕大部分的振動故障均是由機械、電氣、流體等多種原因引起的，同時電磁干擾及機組固有動力學響應均對機組振動產(chǎn)生影響[6]。

1.1 監(jiān)測內(nèi)容設計

為了確保機組的穩(wěn)定性，必須將機組振動控制在限定閾值內(nèi)，監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)源的精準度是首先要考慮的。監(jiān)測項目及監(jiān)測點的設計就決定著采集信號的準確度以及診斷結(jié)果的可信度，是非常重要的環(huán)節(jié)。

基于機組的結(jié)構(gòu)特性及運行工況來安裝傳感器，統(tǒng)一原則是選取機組上能夠表現(xiàn)運行狀態(tài)最佳的位置。監(jiān)測點的布置既要充分考慮狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析以及故障診斷的需要，又要從經(jīng)濟的角度考慮，監(jiān)測點應盡可能的少。

根據(jù)國標中對于水輪發(fā)電機組監(jiān)測的規(guī)定，在符合水電機組運行的水力、機械及電氣等特性基礎(chǔ)上，根據(jù)機組結(jié)構(gòu)特點，選擇基本監(jiān)測項目，包括壓力、壓力脈動（燈泡頭壓力脈動、尾水管壓力脈動、轉(zhuǎn)輪室壓力脈動等）、機架和結(jié)構(gòu)振動（包含燈泡頭X、Y振動、發(fā)導徑向振動、水導及轉(zhuǎn)輪室徑向軸向振動等）、各導軸承擺度（包含受油器X、Y向擺度、發(fā)導軸承擺度、水導擺度等）。監(jiān)測內(nèi)容如表1所示。

1.2 設備運行狀態(tài)與測點的對應關(guān)系

支架、支撐振動：采集信號包括水導軸承振動、組合軸承振動、定子鐵芯振動及受油器振動等。根據(jù)數(shù)據(jù)分析診斷可直接警示支架松動、裂紋等多種故障，以及水力對機械結(jié)構(gòu)振動的影響。同時，也能夠研判支架振動的影響范圍以及變化趨勢，進而評估設備的使用壽命。

軸承：傳感器以正交的方式安裝，采集信號包括水導，發(fā)導X、Y向擺度，進出口油溫，軸承各瓦溫及徑向振動等。通過采集信號的數(shù)值（如相位、頻率、幅值）變化可提前預警軸承潤滑不良、不對中、間隙過大或過小等潛在問題。

大軸軸線：可以反映大軸軸線狀態(tài)的數(shù)據(jù)源包括發(fā)導X、Y向擺度，水導X、Y向擺度，鍵相信號等監(jiān)測信號。通過反映大軸截面軸心軌跡的空間軸線圖，能夠獲取大軸的重心偏移、空間運動等參數(shù)，進而掌握大軸的動靜態(tài)彎曲狀態(tài)。

過流部件：水力因素是造成水機振動的最主要原因，故水壓脈動的測量是關(guān)鍵，包括滾道進口水壓、尾水管進口水壓等信號。

通過水壓及脈動值的變化可掌握水力激振對機組穩(wěn)定性的影響，提前預警過流部件的缺陷及損傷，為設備維護管理提供技術(shù)支持。

此外，通過對開停機和穩(wěn)態(tài)運行過程中發(fā)導X、Y向擺度，發(fā)導X、Y向振動等信號的處理，可獲取轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡狀態(tài)，為動平衡配重提供依據(jù)。

對變勵磁過程中發(fā)導X、Y向擺度，發(fā)導X、Y向振動，定子基座振動X、Y、Z向振動等參數(shù)的分析，確定是否存在電磁拉力不平衡，并對可能原因作定性判斷，為配重和轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整提供檢修指導。

對水導X、Y向擺度，水導軸承基座X、Y向振動等參數(shù)特定頻率成分在不同水頭、不同開度條件下的分析，確定是否存在水力不平衡，并對可能原因作定性判斷，為轉(zhuǎn)輪檢修提供檢修指導。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

監(jiān)控系統(tǒng)由計算機、網(wǎng)絡設備、現(xiàn)地盤柜和現(xiàn)地傳感器等組成。系統(tǒng)采用模塊化設計，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖如圖1所示。不同規(guī)模的電站配置的監(jiān)測內(nèi)容可能比完全監(jiān)測內(nèi)容有所減少，但是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍可參考圖1。

現(xiàn)地傳感器層負責將監(jiān)控項目的物理信號轉(zhuǎn)化為電信號，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。現(xiàn)地盤柜層通過以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)服務器連接。各狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)從數(shù)據(jù)中心提取數(shù)據(jù)并進行分析，以圖形、表格、文字等形式統(tǒng)一存儲到數(shù)據(jù)服務器。WEB/應用服務器通過與數(shù)據(jù)服務器的交互，將監(jiān)測數(shù)據(jù)（包括實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)）、分析診斷結(jié)果等發(fā)布給用戶。系統(tǒng)定期提供狀態(tài)發(fā)展趨勢及評價報告等。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 狀態(tài)監(jiān)測與顯示

該模塊下，系統(tǒng)對機組的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并以文字、圖形、數(shù)字、表格等多種展示形式，將機組的運行狀態(tài)顯示在對應的窗口。用戶根據(jù)終端顯示，以此作為設備檢修維護工作開展的依據(jù)。監(jiān)測顯示參數(shù)如表2所示。

監(jiān)測畫面從不同的角度，分層次展現(xiàn)機組的狀態(tài)信息，包括機組概貌圖、軸心軌跡圖、數(shù)值表圖、壓力脈動圖、棒圖比較圖、水力能量參數(shù)監(jiān)測圖、機架振動圖、短時趨勢跟蹤監(jiān)測、空間軸線圖、軸向振動圖等。

實時棒圖監(jiān)測圖如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)分析功能

面向現(xiàn)場專業(yè)工程師或者行業(yè)內(nèi)專家，系統(tǒng)將存儲在服務器中的的數(shù)據(jù)，通過分析，以文字、波形圖、趨勢圖、軌跡圖、脈動圖、棒圖、數(shù)值表等豐富的形式展示，幫助工程師分析研判機組的運行狀況，有利于用戶及時發(fā)現(xiàn)故障。功率譜圖如圖3所示，實時軸線姿態(tài)軌跡圖如圖4所示。

圖4 實時軸線姿態(tài)軌跡圖

3.3 智能化分析診斷功能

面向電站的管理人員和運行人員，以簡潔高效的形式為其提供設備的實時數(shù)據(jù)報告、狀態(tài)預警及歷史趨勢分析報告。實現(xiàn)自動在線生成試驗報告，做到“試驗一結(jié)束，報告即生成”。趨勢檢查自動報告如圖5所示，機組振擺/壓力脈動特性評價報告如圖6所示，發(fā)電機質(zhì)量不平衡故障分析報告如圖7所示。

圖5 趨勢檢查自動報告

圖6 機組振擺/壓力脈動特性評價報告

圖7 發(fā)電機質(zhì)量不平衡故障分析報告

3.4 報警保護功能和預警功能

遵循從實際出發(fā)的原則，采取多樣的報警規(guī)則設置程序，在報警限值的選擇上對不同機組采取個性設計，實現(xiàn)“一機一策”的報警策略。一旦測值發(fā)生超過閾值的變化，或者達到限定值，這時提示需要及時采取措施。

當機組振動、擺度、局部放電量等關(guān)鍵參數(shù)未達到報警級別，但是由于機組缺陷導致上述參數(shù)存在趨勢變化，可以使用趨勢預警功能及早發(fā)現(xiàn)該問題。報警狀態(tài)窗口如圖8所示。

圖8 報警狀態(tài)窗口

4 結(jié)束語

文章從傳統(tǒng)裝備制造業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中的需求出發(fā)，面向水利樞紐工程，開展了水輪發(fā)電機組無人值守狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究，強化了在自動化、實用化方面的分析診斷技術(shù)，可隨時掌握機組的運行狀況，做到應修必修，有效促進了企業(yè)信息化進程，保障水利發(fā)電工程安全平穩(wěn)運行。

通過狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)獲得運行數(shù)據(jù)，可遠程指導解決現(xiàn)場問題，有針對性地進行現(xiàn)場技術(shù)服務，有效解決售后服務力量不足以及服務力量浪費等問題。同時通過機組變化趨勢分析，能更合理地安排機組的檢修周期，有效提高企業(yè)對設備的管理能力，降低運營成本。

文章研究成果將支持對同一類型設備的相關(guān)數(shù)據(jù)進行橫向比較，統(tǒng)一分析，助力制造企業(yè)維護指導能力提升以及技術(shù)的改進。