摘要：水電站中對機(jī)組的在線監(jiān)測，已經(jīng)是中大型水電站中必備系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，提供機(jī)組檢修的數(shù)據(jù)支持，還能對機(jī)組故障進(jìn)行分析。本文通過機(jī)組在線監(jiān)測經(jīng)典配置，淺談其在水電站中的使用。
關(guān)鍵字：在線監(jiān)測 振動傳感器 擺度傳感器 空氣間隙
Abstract: On-line monitoring of units in hydropower stations is already an essential system for medium and large-scale hydropower stations. This system can not only monitor the operating status of the units in real time, but also provide data support for unit maintenance, and can also analyze unit failures. This paper discusses the classic configuration of the unit online and discusses its use in hydropower stations.
Keywords: Online monitoring Vibration sensor Swing sensor Air gap
【中圖分類號】TV547+.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 文章編號1606-5123（2019）11-0069-04
1 引言
隨著水電站的自動化程度越來越高，大部分中大型水電站都實(shí)現(xiàn)了“無人值班，少人值守”，水電站的檢修方式也慢慢由以前的計(jì)劃檢修逐漸轉(zhuǎn)為狀態(tài)檢修。機(jī)組在線監(jiān)測就是一個(gè)為狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)支撐的系統(tǒng)，它不僅可以提供檢修數(shù)據(jù)支撐，還可以對水電安全穩(wěn)定運(yùn)行提供數(shù)據(jù)監(jiān)測。從近幾年來已經(jīng)安裝了機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)的電站實(shí)際運(yùn)行效果來看，機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)在電站的安全穩(wěn)定運(yùn)作中發(fā)揮了重要作用。它能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，能夠分析機(jī)組運(yùn)行的狀態(tài)，對機(jī)組檢修提供指導(dǎo)。
2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
機(jī)組在線監(jiān)測的內(nèi)容包括機(jī)組的振動、擺度、壓力脈動、能力與效率、發(fā)電機(jī)氣隙、局部放電、磁通量、線棒振動。水電站機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般采用單星型網(wǎng)絡(luò)，由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)地工控機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、工程師工作站以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。通常數(shù)據(jù)采集單元和現(xiàn)地工控機(jī)被布置在發(fā)電機(jī)層，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備布置在計(jì)算機(jī)房和中控室。水電站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參見圖1所示。
圖1 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
3 傳感器測點(diǎn)配置
傳感器安裝在被測裝置上，將采集的信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號傳送給數(shù)據(jù)采集單元。數(shù)據(jù)采集單元對機(jī)組的振動，擺度，壓力脈動，氣隙，磁通量進(jìn)行處理分析匯總，再分別送給現(xiàn)地工控機(jī)和上位機(jī)，由他們進(jìn)行圖形、圖表、曲線等直觀的方式在人機(jī)界面上顯示。
在線監(jiān)測系統(tǒng)中一般會設(shè)置：狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲數(shù)據(jù)；工程師工作站提供給運(yùn)行人員隨時(shí)監(jiān)測和分析機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息。由于在線監(jiān)測系統(tǒng)在水電站中屬于安全II區(qū)設(shè)備，通常在線監(jiān)測系統(tǒng)為了與監(jiān)控系統(tǒng)互取數(shù)據(jù)，還需要配置防火墻，向III區(qū)管理系統(tǒng)發(fā)布數(shù)據(jù)需要配置橫向隔離。水電站典型測點(diǎn)配置參見圖2所示。
圖2 傳感器測點(diǎn)配置
根據(jù)《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》，以混流式水輪發(fā)電機(jī)組為例，通常機(jī)組設(shè)置上導(dǎo)，下導(dǎo)，水導(dǎo)三處擺度測點(diǎn)，每處在水平X、Y兩個(gè)方向上各安裝一只傳感器。設(shè)置上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋處振動測點(diǎn)，按照+X、-Y、Z方向分別安裝一只傳感器。在定子機(jī)座位置設(shè)置1-2個(gè)水平振動測點(diǎn)，1個(gè)垂直振動測點(diǎn)，定子鐵芯部位設(shè)置1-3組發(fā)電機(jī)定子鐵芯振動測點(diǎn)，每組1垂直、1水平。以及機(jī)組軸向位移一個(gè)測點(diǎn)。
由于尾水管窩帶引起的水壓脈動是水輪機(jī)普片存在的現(xiàn)象，并且會直接影響到水輪機(jī)的穩(wěn)定性。所以在蝸殼進(jìn)口、尾水管錐管、尾水管肘管、轉(zhuǎn)輪前導(dǎo)葉處安裝壓力脈動傳感器。
電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙會由于電磁力，離心力的作用下發(fā)生變化。不均勻的氣隙會影響發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過檢測發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙，可以及時(shí)掌握轉(zhuǎn)子磁極松動情況，定子的變形趨勢。另外，空氣間隙不均勻會導(dǎo)致磁拉力不平衡，而磁拉力不平衡時(shí)會引起振動，所以監(jiān)測氣隙又可以給機(jī)組振動數(shù)據(jù)做輔助分析。氣隙傳感器的配置一般根據(jù)轉(zhuǎn)子直徑和高度來確定。轉(zhuǎn)子直徑小于7.5米時(shí)安裝4個(gè)傳感器，大于7.5米時(shí)安裝8個(gè)傳感器，轉(zhuǎn)子高度大于2.7米時(shí)安裝兩層傳感器。
通常一臺機(jī)組需要配置一個(gè)磁通量測點(diǎn)。通過檢測磁通量，可以精確的定位某一磁極發(fā)生匝間短路，分析磁通量變化規(guī)律可以判斷定子線棒有無放電，短路現(xiàn)象，磁極是否有松動現(xiàn)象。磁通量監(jiān)測還可以與氣隙監(jiān)測配合起來，判斷不平衡是有電氣故障產(chǎn)生，還是空氣間隙不均勻產(chǎn)生的。
狀態(tài)監(jiān)測層除了監(jiān)測傳感器，最重要得部分就是數(shù)據(jù)采集單元，基于MB系列智能PLC基礎(chǔ)研發(fā)的SJ-90B模塊化狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集裝置，采用工業(yè)測控領(lǐng)域的一系列最新成果和設(shè)計(jì)理念，獨(dú)立的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、先進(jìn)的生產(chǎn)加工工藝和精致的外觀設(shè)計(jì)、GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘分同步接口等多項(xiàng)業(yè)內(nèi)獨(dú)有技術(shù)，是大中型水電機(jī)組實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測分析的理想設(shè)備。
4 SJ-9000水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測分析系統(tǒng)
“SJ-9000水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測分析系統(tǒng)”通過對水電機(jī)組運(yùn)行過程中的振動、擺度、壓力脈動、空氣間隙、磁場強(qiáng)度、局部放電等狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行長期連續(xù)的實(shí)時(shí)采集和在線監(jiān)測，采取多種手段進(jìn)行分析診斷，自動記錄設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)并生成設(shè)備狀態(tài)報(bào)表，同時(shí)對故障早期征兆進(jìn)行自動報(bào)警，并對故障原因、嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢做出判斷，從而及時(shí)消除機(jī)組故障隱患，減少破壞性事故的發(fā)生，指導(dǎo)機(jī)組安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測工具
實(shí)時(shí)監(jiān)測功能是監(jiān)測分析程序的基本功能，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測，判斷監(jiān)測信號是否正常：告警、危險(xiǎn)。同時(shí)，通過機(jī)組主監(jiān)視圖、波形、頻譜、相位、軸心軌跡、軸線姿態(tài)等可了解傳感器的整體布局、具體通道名稱、通道監(jiān)測數(shù)據(jù)值，機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測的工具參見圖3、圖4所示。
圖3 實(shí)時(shí)監(jiān)測工具
圖4 實(shí)時(shí)監(jiān)測工具
4.2 趨勢分析
趨勢分析是分析、預(yù)測狀態(tài)趨勢走向的工具，是數(shù)據(jù)分析的重要方法。它以時(shí)間或工況量為橫坐標(biāo)，以各通道的均值、峰峰值為縱坐標(biāo)，顯示其隨時(shí)間或工況的變化趨勢。趨勢分析工具在橫坐標(biāo)選擇、通道選擇、工況分段的選擇和劃分上具有較大的靈活性，可以滿足精密趨勢分析的需要。趨勢分析參見圖5、圖6所示。
圖5 趨勢分析
圖6 趨勢分析
4.3 軸心軌跡
軸心軌跡是指軸心相對于軸承座，在與軸線垂直的平面內(nèi)的運(yùn)動軌跡。獲取軸心軌跡信息，需要在轉(zhuǎn)軸軸承座相互垂直的方向上安裝兩個(gè)電渦流位移傳感器來測量。根據(jù)軸心軌跡的形狀可以判別軸心的運(yùn)動狀態(tài)，如軸上預(yù)載荷是否有變化，軸與軸承是否同心、軸間隙正常否等。通過觀察、監(jiān)視轉(zhuǎn)子的軸心軌跡可以得到：軸與軸承的同心度問題；軸徑向預(yù)載或外力的變化，以及碰磨情形等功能：利用各導(dǎo)軸承X、Y方向的擺度信號的幅值平均值，求出軸心相對于軸承中心的偏心距及角度，從而確定出三個(gè)導(dǎo)軸承處軸徑中心的位置，把這三個(gè)中心連接起來，就得到軸心線的空間姿態(tài)。分析軸線姿態(tài)，可以判別盤車質(zhì)量、瓦和機(jī)架的動態(tài)變形、轉(zhuǎn)子的變形和受力情況等。可以用來指導(dǎo)盤車、配重等。軸心軌跡參見圖7、圖8所示。
圖7 軸心軌跡
圖8 軸心軌跡
4.4 起/停機(jī)過程
（1）起/停機(jī)過程時(shí)間短，包含豐富的機(jī)組狀態(tài)信息。過程曲線回放，是將開、停機(jī)過程短時(shí)間采集存儲的高密度數(shù)據(jù)，以原始波形的方式播放，從中可以發(fā)現(xiàn)機(jī)組在開、停機(jī)過程中出現(xiàn)的細(xì)微異常信息。起、停機(jī)過程參見圖9所示。
圖9 起/停機(jī)過程
（2）相關(guān)趨勢分析是分析開、停機(jī)過程趨勢走向的工具。它以可選工況參數(shù)為橫坐標(biāo)，以各通道的峰峰值為縱坐標(biāo)，顯示其在開、停機(jī)過程中隨時(shí)間的變化趨勢。相關(guān)趨勢分析參見圖10所示。
圖10 啟停機(jī)相關(guān)趨勢分析
4.5 機(jī)組振動和壓力脈動
機(jī)組振動和壓力脈動選取的是負(fù)載穩(wěn)定工況下所選時(shí)間間隔內(nèi)的最大值，并且排除了機(jī)組處于振動區(qū)時(shí)的情況，能夠較好地反映機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀況，通過數(shù)據(jù)擬合、設(shè)定閾值、最終輸出達(dá)到閾值時(shí)間，完全智能化判斷查詢擬合測點(diǎn)趨勢，避免了人為觀察主觀帶來的不確定性，簡化工作流程。機(jī)組振動和壓力脈動參見圖11所示。
圖11 機(jī)組振動和壓力脈動
5 結(jié)束語
通過對機(jī)組這樣的在線監(jiān)測與分析，能明顯提高水電機(jī)組運(yùn)行的可靠性，延長機(jī)組維修周期，降低水電機(jī)組檢修費(fèi)用，對保障機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)（略）
作者簡介
程征 工學(xué)學(xué)士 工程師 研究方向?yàn)?span>水電工程