智能遠程運維與機組在線監測系統的融合應用

付向濤

（1.五凌電力有限公司掛治電廠，貴州 錦屏 556700；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 概述

發電機定轉子空氣間隙（簡稱“氣隙”）是一項重要的電磁參數，它對發電機的運行性能及技術指標有著直接的影響。運行中的發電機氣隙的均勻性直接影響著發電機的電氣、機械性能的穩定，氣隙不均勻一是會導致電磁不平衡力作用于機組導軸承上，引起機組振動增大和導軸承溫度升高，二是會引起發電機電勢中諧波分量的增加，造成磁極阻尼條過熱，嚴重時造成設備損壞。

水輪機空化特性是研究水輪機效率、噪音和振動的一項重要指標，它是造成水輪機效率下降的重要因素，也是造成過流部件的侵蝕與破壞（特別是轉輪葉片表面快速損壞）并產生噪聲和劇烈振動的主要原因，由此引起的事故往往是災難性的，會造成巨大的損失。

螺紋連接在水電廠金屬結構上廣泛應用，其預緊力是否合適將直接關系到設備的可靠性和安全性。預緊力過大易導致螺栓疲勞破壞，預緊力不夠則會引起振動松弛、滑移。國內外已有出現因頂蓋螺栓斷裂導致的水淹廠房重大安全事故。

對于上述重要的狀態參數，電廠現有的機組在線監測系統尚缺乏有效的監測手段和完善的算法，而五凌公司現有的智能遠程運維系統具有強大的計算能力和算法模型，恰好可以與電廠監測系統相輔相成。因此，有必要完善發電機氣隙、水輪機空化和螺栓預緊力監測手段，并將數據傳輸至公司智能遠程運維系統，以其強大的計算能力和算法為依托，指導電廠設備維護和狀態檢修。

2 主要做法

2.1 可行性研究

五凌公司水電智能遠程運維系統充分利用了大數據和人工智能等新技術，成為水電提質增效的利器，圖像、聲音、氣味等先進智能感知分析技術和故障信號征兆提取技術的應用和完善，為機組在線監測系統和故障診斷技術數據接入，創造了無限可能。

對于機組狀態監測而言，只重視大軸擺度、竄動量和機組振動指標，是在水電行業普遍存在的現象，而對發電機氣隙、水輪機空化等同樣重要的運行指標，均無有效的監測手段或足夠的重視程度，導致定子變形、轉子偏移、磁極伸長、輪葉空蝕、金結連接松動等故障或惡化趨勢均無法及時發現。因常規的機組在線監測系統尚缺乏有效的監測手段和完善的算法，而五凌公司智能遠程運維系統強大的計算能力和算法模型恰好可以與之相輔相成。

2.2 方法探索

電廠以3號機A級檢修為契機，積極探索基于智能遠程運維系統的機組在線監測和故障診斷技術，一是探究擴展開發氣隙、空化、軸力監測功能以及服務器端開發故障診斷算法和模型的可行性，二是向設計單位和制造廠家求證傳感器安裝方式的安全性，三是向水電創新中心提出發電機氣隙、水輪機空化、頂蓋螺栓預緊力監測數據接入訴求。

2.3 發電機氣隙監測系統

2.3.1 設備原理

北京奧技異定制開發PSTA2100/G 發電機氣隙監測與故障診斷系統，由傳感器、現地單元和上位機三部分組成，通過測量發電機定、轉子間的空氣間隙，全面了解機組發電機定、轉子初始形貌以及運行過程中定、轉子發生蠕變等情況。基于先進的指標量化評價技術，可以在線準確預診斷13+種故障或缺陷。系統組成如圖1所示。

圖1 氣隙監測系統圖

每種故障（缺陷）與診斷指標一一對應。當診斷指標越限時，系統會提示相應的故障原因和檢修策略。

表1 診斷指標及意義

2.3.2 現場應用

氣隙傳感器安裝之前進行通電測試，方法為：連接模塊通+24V DC電，用鋼板接近和遠離傳感器，根據距離變化，觀察輸出在4～20 mA內變化。

4支空氣間隙傳感器分別安裝在+X向、+Y向、-X向、-Y向，一支磁通量傳感器安裝在-X向，安裝位置如圖2所示。

圖2 氣隙傳感器等安裝位置

氣隙和磁通量傳感器上端沿與第四個通風槽平行，傳感器粘貼處定子相應部位接觸面需用砂紙清理干凈并形成一定的粗糙度，再用酒精擦拭干凈，防止損壞硅鋼片外表絕緣漆。

清理干凈后，把傳感器背部朝上放平，以S形狀抹上適量的傳感器專用膠330（針管狀的），用刮板涂抹均勻，然后用配套的催化劑7387均勻噴灑一遍。

把傳感器貼在清理干凈的地方，用手持續按壓3～5 min，使上面的膠分布更加均勻，延長電纜用專用膠進行固定。

固定后，使用樂泰330專用膠，沿傳感器四周、引出線兩側和定位導線保護管捆扎處，補膠粘貼，以加強粘貼效果，確保安裝強度。

把傳感器與延長電纜連接，并用熱縮套管把傳感器與延長電纜連接地方的金屬部分包住，用吹風機烘烤使其包緊。

把傳感器端的電纜拉緊使其貼緊定子，用綁扎帶或玻璃絲帶等把電纜固定，然后用玻璃膠330膠配合催化劑固定傳感器端在定子內部的電纜部分。次日用玻璃膠對電纜部分及傳感器進行加固。

安裝實例如圖3所示。

圖3 磁通量（左）和氣隙貼片（右）

在傳感器上方定子齒壓板處焊接接地螺絲，保證地線與螺釘連接牢固，如圖4所示。

圖4 延長電纜包裹及接地

安裝6個定子鐵心振動傳感器，分A、B、C共3組，每組包括一個水平與一個垂直傳感器，作為氣隙監測輔助手段；3組按間隔120°布置，在定子齒壓板焊接6個傳感器底板，并使用水平儀保證底座水平和垂直度，傳感器固定在傳感器底板上，端子箱及傳感器安裝位置如圖1所示。

振動傳感器安裝時必須保證傳感器的水平度和垂直度，不應有斜度，傳感器底端固定螺絲不能突出底座，并用硅膠密封，傳感器固定螺栓不得與傳感器殼體短接。

氣隙數據采集箱安裝在機旁小室儀表控制柜，部署于機組在線監測系統振擺采集箱旁邊。

從原在線監測系統轉速端子處分一路轉速信號接入氣隙采集箱。

在監控機房安裝一臺KKM算法服務器，并與機組在線監測系統數據服務器連接，用于氣隙等數據分析計算使用。

實現發電機氣隙狀態分析、磁場強度分析、鐵芯振動監測和趨勢分析功能，預警機組相關故障，提示管理人員。

2.4 水輪機空化監測

2.4.1 設備原理

通過對水力機械對象進行不間斷的數據測量，并對監測數據的歷史運行狀態、變化做記錄、存儲、分析，來判斷設備空化狀態。

采用高靈敏度、高速同步數據采集器與嵌入式高性能計算機運算系統相結合，通過對水力機械相應部位的振動數據進行實時采集，并開創性的運用高頻數據分析算法、存儲、檢索、實時分析等技術對水力機械設備空化狀態進行監測。

可根據實際需要，對空化歷史數據和累計發生率進行檢索和研判，以及時掌握設備因空化造成的傷害程度，從而決定是否維修、維護、保養和更換相關備件。

系統基本原理圖（圖5）：

圖5 水輪機空化監測裝置原理圖

流體機械空化噪聲是流體動力學中的重要聲源之一，在空泡的發生、發展到潰滅的過程中都伴隨著聲能的輻射，尤其是潰滅的過程中噪聲能量尤為集中。形成聲能的原理是由于其體積的劇烈變化而形成的單極子聲源，是典型的輻射發聲。

根據空化聲學理論，空泡發生、發展到潰滅的過程中輻射的噪聲信號與空泡的尺寸有關。尺寸越小，輻射的噪聲頻率信號越高，尺寸越大則輻射噪聲的信號頻率越低。

該設備采用哈爾濱澤級源碼大數據公司自主研發的嵌入式空化分析報警系統，空化噪聲信號頻譜如圖6所示。

圖6 水輪機空化監測裝置原理圖

2.4.2 現場應用

傳感器安裝位置為操作廊道尾水進人門上方管壁。

安裝方式為磁力吸附，采用磁力座固定傳感器，并將磁力座緊緊吸附在尾水進人門表面，確保傳感器磁力座與尾水進人門表面緊密貼合。安裝前需在選定的位置將防銹漆去除并打磨平滑。

為保證機箱內設備長期安全穩定運行，在機箱內安裝智能除濕裝置，安裝位置選擇在柜內電氣設備下方，排水口應密封無泄漏，排水管經機箱進出線孔鋪設至廊道排水槽。從進人門附近照明燈至機箱鋪設供電電源線纜。

根據現場網絡覆蓋情況，采用“DTU+中繼器”的4G物聯網接入方式，采用MODBUS RTU通信協議將數據上傳至遠程運維系統大數據平臺。

2.5 螺栓預緊力監測

2.5.1 設備原理

現階段，螺栓的檢測主要通過離線狀態下，人工復檢的方式進行。一方面，實施難度大，特別是針對大預緊力和安裝空間緊張的重要螺栓；另一方面，人工檢查的覆蓋率底，容易出現漏檢。更為重要的是，現有檢測手段為多為螺栓扭矩、液壓拉伸測長、超聲無損探傷等間接方式，無法精確獲知螺栓預緊力大小，更無法對服役狀態下的螺栓進行實時在線監測。因此，需開展頂蓋螺栓軸力在線監測工作，單臺機組監測24個頂蓋與座環連接螺栓，分析是否發生松動、斷裂，并進行預警。

此系統采用北京艾法斯特縱波超聲測量技術，流程圖如圖7。

圖7 縱波超聲測量流程

系統構架如圖8。

圖8 系統構架

2.5.2 現場應用

在圖9位置焊接安裝控制箱+220 V供電，包括超聲波螺栓預緊力監測系統主機+DTU模塊位置。

圖9 安裝位置

對頂蓋螺栓端面進行適當打磨，利用雙波測量當前螺栓軸力后，進行貼片。利用樂泰680高強度固持膠，粘接超聲晶片（壓電陶瓷片）選用激勵頻率2MΦ10。打磨圖層恢復-噴鋅或者涂刷恢復螺栓圖層保證防腐。

頂蓋與座環連接螺栓為雙頭螺柱，材質為40Cr，強度等級為8.8，每臺機組共96個，均勻分布在直徑Φ8 000 mm的圓周上，在頂蓋均布24個點，每隔4個布一個測量點。

使用4G DTU通過ModbusTCP將主機接入智能遠程運維系統。網絡拓撲圖如圖10所示。

圖10 網絡拓撲圖

3 推廣展望

發電機氣隙、水輪機空化、頂蓋螺栓預緊力監測及故障診斷技術的研究和應用，可在原有監測手段的基礎上，為水輪發電機組安全穩定運行提供更有力的保障。以氣隙傳感器為主要監測手段、磁場傳感器和振動傳感器及鍵相轉速測量為輔助監測手段的在線監測和故障診斷技術以及基于聲學和振動測量學原理，對空泡發生、發展到潰滅的過程中輻射的噪聲信號進行監測的空化在線監測和故障診斷技術，已在掛治電廠3號機初步安裝和應用，給電廠安全穩定運行帶來了良好的安全效益，對同類型機組而言具有寶貴的推廣意義和參考價值。

4 總結

基于水電智能遠程運維系統的機組在線監測和故障診斷技術研究和應用，一是為電廠提供定子變形、轉子偏移、磁極伸長、水輪機空化、頂蓋螺栓松動在內的多種故障和缺陷判斷；二是以智能遠程運維系統為依托，通過數據分析和故障診斷模型為電廠機組狀態檢修提供更準確、有力的支撐，提高電廠設備管理水平；三是為電廠自動發電控制運行控制策略優化研究和重要部件損壞機理研究提供思路。