燈泡貫流式水輪發電機組軸流風機智能控制系統設計

羅顯蒞，周軍長，施明星

（中國東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

0 引言

通過調研，目前貫流式水輪發電機組軸流風機具有以下問題：軸承損壞頻率高，影響機組長期穩定運行；機組長時間低負荷運行時，風機運行數量多，裕度較大[1]；風機啟停控制需要到現場操作，及時性不高；風機缺少監測手段，故障風機不能及時預警和切除。

為解決以上問題，亟需開發一套風機智能控制系統，通過在線監測、智能評估、智能調節單元，從而實現機組優化運行的目的。可大幅降低風機的連續運行時間，有效延長風機使用壽命，并實現節能降噪的目的。

1 智能在線監測方案

為定量評估風機運行指標，設置風筒振動傳感器和電流傳感器，根據振動監測標準DIN ISO 10816-3，設置風機振動閾值，對風機振動大進行報警和停機，以避免風機故障惡化影響發電機組運行安全。

風筒振動：在每臺風機風筒上增加振動傳感器，+X、+Y 方向各一只，傳感器頻率響應范圍2～1 000 Hz，量程0～30 mm/s。風筒振動傳感器布置方案示意圖如圖1 所示。

圖1 風機振動傳感器布置方案

電機電流：在每臺風機三相電源線中增加電流變送器一只，輸出標準信號到采集單元。

2 智能控制系統開發

2.1 硬件架構

智能控制系統設計了先進的智能控制技術架構，控制硬件基于PLC 的采集及過程控制技術架構設計，保證控制系統的穩定可靠；設計的智能控制柜+上位機架構，包括PLC、AI、DI、DO、24 VDC 電源、繼電器、顯示屏等硬件，通過工業通信協議對振動、電流及LCU 工況信號進行信號采集。高速數據采集模塊，采集風機振動高頻信號。取代輔控柜中PLC 模塊DO 輸出，在智能控制柜PLC 中實現控制邏輯組態，輸出每臺風機的控制信號，通過繼電器擴展驅動電機接觸器。系統硬件架構拓撲圖如圖2。

圖2 系統硬件架構拓撲圖

2.2 通信架構

設計了一套基于RS485 及以太網的MODBUS通信架構，定子溫度信號原接入了LCU（現地監控系統），采用RS485 擴展的方式接入定子溫度信號，增加串口擴展功能，對來自定子溫度儀表的定子溫度信號進行擴展后，再接入LCU 和本系統智能采集控制單元。上位機與下位機均采用穩定可靠的MODBUS TCP 通信架構。智能采集控制單元與智能風機上位機系統通信，進行監測采集數據的上送，以及上位機指令的下發。通信系統拓撲圖如圖3。

圖3 智能風機通信系統拓撲圖

2.3 軟件開發

軟件開發包括上位機軟件和下位機軟件。上位機軟件負責狀態監測、人機交互、指令下發、評估分析等功能。下位機軟件運行于PLC 控制器中，作為智能采集及風機控制輸出邏輯程序，對實時性、可靠性要求很高。下位機與上位機通信，進行監測數據的交互，控制指令的交互。

2.3.1 智能控制邏輯研究

貫流式機組軸流風機具有以下問題：軸承損壞頻率高，影響機組長期穩定運行；機組長時間低負荷運行時，風機運行數量多，裕度較大，創新性的提出風機智能運行邏輯。根據定子溫度、機組功率調節風機的智能投退，可降低風機的連續運行時間，延長風機壽命，節能降噪。同時，引入主備用風機的概念，主用風機和備用風機定時切換，輪循運行。主用風機一直運行，再根據機組的工況參數，智能調節備用風機的運行數量，控制備用風機的投退。保證機組安全運行的前提下，進行風機的智能調節。智能控制邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 智能控制邏輯框圖

（1）振動判斷及分析

對軸流風機振動信號進行故障分析，我們提出了基于風機振動信號模型來對風機故障的主因進行確認。根據振動理論，振動信號可以表示為一組包含調幅—調頻項的余弦函數，振動信號模型可以表示為：

其中，Y（t）為風機的振動信號模型；fr為風機的故障特征頻率，Hz；ɑk（t）、bk（t）分別為振動信號模型的調幅、調頻函數；Akm、Bkn分別為振動信號模型的調幅、調頻系數；c為常數；Φkm、φkn為初始相位，rɑd。

根據風機結構特點，軸流風機轉子與葉片直接連接在一起，因此，風機轉子故障特征頻率與電機轉頻相關：fr=n/60，風機的電機轉速n=2 950 r/min。結合風機振動模型可知，對于風機的振動信號，在傅里葉頻譜中，存在一系列頻率為kfr的譜線，其中以一倍頻分量占主導的振動為轉子不平衡故障。通過對電站風機的振動測試頻譜分析，發現風機振動值較大，有的風機振動值大于BS ISO 10816-3 標準中規定的4.5 mm/s 要求,并且主要表現為50 Hz 振動也就是一倍轉頻振動，而且一倍頻振動分量占到通頻振動值的80%以上，并且多次啟動振動再現性好[2]。

基于以上風機的振動的故障分析結論，我們采取風機外殼振動數據進行振動頻譜分析，根據行業標準，對風機振動的1X 幅值進行判斷，確保風機振動在正常范圍內，避免風機異常運行，對發電機組安全構成威脅[3]。

（2）風機投退判斷

根據采集獲取的發電機定子溫度數據，進行智能計算，在保證定子絕緣壽命的前提下，確定風機投入和退出的數量。同時，為保證機組安全運行，設置一定數量的主用風機，一直運行，備用風機根據工況進行投退控制。主用風機與備用風機在15 d 之后，將進行輪換，這樣就確保了各臺風機的連續運行時間相對均勻。

圖5 為發電機溫度控制流程圖，發電機定子實時溫度T與設定的溫度參數T0結合控制工況進行邏輯計算，確定當前投入的風機數量N，發送給PLC控制器，PLC 根據設定的程序，判斷啟動相應的風機M1～M6，產生風量Q，對發電機定子進行冷卻，發電機的當前溫度由損耗P、冷卻風量Q及發電機參數K決定。發電機定子運行溫度T將實時不斷返回控制器進行邏輯計算。

圖5 發電機溫度控制流程圖

由于燈泡貫流式水輪發電機定子鐵心相對較長，勵磁損耗較大，這給發電機冷卻通風系統帶來困難，不可避免會出現局部高溫點。本系統根據定子溫度高點槽位，精準控制備用風機的投入位置，控制就近的風機優先啟動，從而實現更好的通風冷卻效果，避免局部散熱不均導致的絕緣劣化。圖6 為某貫流式機組，根據定子溫度測點槽位與對應的1 號～6 號風機位置進行了分區劃分。當相應分區溫度出現高點，系統將啟動相應分區的備用風機，當相應分區備用風機已啟動的，將啟動相鄰分區的備用風機。

圖6 某機組定子溫度與風機位置分區示意圖

2.3.2 上位機軟件功能設計

選擇C++開發語言，QT 開發環境。QT 是一個跨平臺的應用程序和UI 開發框架。使用QT 只需一次性開發應用程序，無須重新編寫源代碼，便可跨不同桌面和嵌入式操作系統部署這些應用程序。可部署于Windows、Linux 等平臺系統。

主要功能如下：

（1）指令下發。通過上位機軟件界面，給下位機（智能控制單元PLC）下發每臺機組的1 號～6 號風機遠方控制指令信號、運行模式選擇指令信號等。

（2）上位機界面。包括風機運行狀態監控、風機控制狀態監控，每臺機組6 臺風機的電流、振動實時監控值、機組工況信息；遠方控制人機界面；超限報警；每臺風機累計運行時間、啟停次數等展示。

（3）振動FFT 分析、特征值提取，狀態評估及故障診斷功能。

（4）通信。與下位機（智能控制單元PLC）通信，進行實時指令下發，并實時讀取風機電流、風機振動、功率、定子溫度數據。

（5）數據存儲、查詢。數據存儲、歷史數據查詢、歷史趨勢查詢、數據導出等功能。

（6）存儲設計。上位機采用通用數據庫存儲技術，進行數據存儲。實時記錄電流、功率、溫度信號原始數據。

圖7 為上位機軟件主要的監測、控制、分析界面。

圖7 上位機軟件主要監測、控制、分析界面

3 應用效果

我們研制的貫流式水輪發電機組冷卻風機的智能風機調節系統及裝置于2022 年4 月成功部署于某貫流電站3 號機組。系統各項監測及分析功能正常運行，在各工況下風機智能投退正常動作，圖8 為運行情況及數據記錄（6 臺風機在不同工況下的投退運行情況）。實施智能運行系統，可大幅降低風機連續運行時間，延長風機壽命，同時大幅降低運行人員的勞動強度。

圖8 智能風機調節系統及裝置現場運行情況記錄

經初步測算，風機智能運行，按照每臺風機功率11～22 kW，每年每臺機組可節電約24 萬～40 萬kW·h，經濟性更優。

4 結語

燈泡貫流式水輪發電機組軸流風機智能控制系統首次在某貫流式電站進行真機部署、實施，通過對風機振動、電流的監測以及工況信號的接入，采用本智能控制算法，可實現風機的狀態評估及智能調節，在確保發電機絕緣壽命的前提下，實現機組的安全、穩定、經濟運行。相比其它風機智能控制系統，該系統的優點：實現了基于工況的備用風機精準投退位置的控制，還對風機運行狀態進行在線監測和評估，徹底解決了風機故障頻發的問題，大幅降低風機的連續運行時間，延長風機壽命，同時節能降噪，實現了發電機組更佳的運行經濟性。