水電廠實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)

1、水電廠實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)鄭松遠(yuǎn)（北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司）摘要： 狀態(tài)監(jiān)測作為狀態(tài)檢修的技術(shù)核心，在很多水電廠得到了推廣應(yīng)用，但由于缺乏對(duì)水電站狀態(tài)監(jiān)測的深入認(rèn)識(shí)，使得狀態(tài)監(jiān)測無法滿足狀態(tài)檢修的需要。本文結(jié)合筆者多年積累的經(jīng)驗(yàn)，從監(jiān)測參數(shù)選取、傳感器選擇、特征信號(hào)提取、監(jiān)測系統(tǒng)功能定位及監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成等方面詳細(xì)闡述了水電廠實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，供水電站在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、選型和實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)提供借鑒作用。主題詞： 水電機(jī)組 狀態(tài)監(jiān)測 狀態(tài)檢修1、概述隨著電力體制改革的不斷深入，“網(wǎng)廠分開、競價(jià)上網(wǎng)”工作的推行，發(fā)電企業(yè)正面臨前所未有的挑戰(zhàn)，如何轉(zhuǎn)變觀念，切實(shí)加強(qiáng)管理、降本增效、提高企業(yè)的

2、競爭力成為發(fā)電企業(yè)所要解決的緊迫任務(wù)和重要課題，而推行狀態(tài)檢修就是一種有效途徑。要實(shí)施狀態(tài)檢修，首先必須實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測。因此，狀態(tài)監(jiān)測作為狀態(tài)檢修的技術(shù)核心，在很多水電廠得到了推廣應(yīng)用，更多水電廠正在規(guī)劃實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測，越來越多的新建電站在設(shè)計(jì)時(shí)就包含了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。但由于缺乏對(duì)水電站狀態(tài)監(jiān)測的深入認(rèn)識(shí)，很多水電站盡管安裝了很多監(jiān)測系統(tǒng)，但仍然無法全面掌握電廠主設(shè)備的運(yùn)行狀況，顯然無法滿足狀態(tài)檢修的需要。本文結(jié)合筆者多年積累的經(jīng)驗(yàn)，從監(jiān)測參數(shù)選取、傳感器選擇、特征信號(hào)提取、監(jiān)測系統(tǒng)功能定位及監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成等方面闡述水電廠實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，希望在水電站規(guī)劃、設(shè)計(jì)、選型和實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)能提供借

3、鑒作用。2、監(jiān)測參數(shù)選取隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息檢測與處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、故障診斷技術(shù)的快速發(fā)展和現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，水電廠設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容從最早的水輪機(jī)組的振動(dòng)、擺度和脈動(dòng)監(jiān)測分析，推廣到發(fā)電機(jī)氣隙監(jiān)測分析、磁場強(qiáng)度監(jiān)測分析、局部放電監(jiān)測分析、油色譜監(jiān)測分析、汽蝕監(jiān)測分析，監(jiān)測對(duì)象涉及到水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、主變等水電廠主要設(shè)備和各種輔助設(shè)備，為狀態(tài)檢修奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。監(jiān)測參數(shù)的選擇與布置是獲取機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的重要環(huán)節(jié)，其選擇和布置是否合理將直接影響信號(hào)采集的真實(shí)性以及數(shù)據(jù)分析和故障診斷的可信度。一般來講，測點(diǎn)的選擇和布置取決于機(jī)組的設(shè)計(jì)運(yùn)行性能、設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和機(jī)組的運(yùn)行規(guī)律本身機(jī)組

4、的特點(diǎn)。 在進(jìn)行測點(diǎn)的選擇和配置時(shí)，應(yīng)該對(duì)測點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。這是測點(diǎn)選擇和布置的基本原則。從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，測點(diǎn)應(yīng)盡可能的少，但同時(shí)也必須充分考慮狀態(tài)監(jiān)測、分析以及故障診斷地需要。在進(jìn)行測點(diǎn)的選擇時(shí)，應(yīng)在滿足狀態(tài)監(jiān)測、分析和故障診斷的基礎(chǔ)上，選擇最有代表性、最能準(zhǔn)確捕捉運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測點(diǎn)。測點(diǎn)的選擇和布置要符合水電機(jī)組運(yùn)行的四個(gè)特性，即水力特性、機(jī)械特性、設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及電氣特性。機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測參數(shù)機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測參數(shù)包括：機(jī)架振動(dòng)、大軸擺度、壓力脈動(dòng)、抬機(jī)量、瓦溫、油溫、油位等。典型的機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)側(cè)點(diǎn)配置圖：擺 度上導(dǎo)X向擺度、上導(dǎo)Y向擺度、下導(dǎo)X向擺度、下導(dǎo)Y向擺度、水導(dǎo)X向擺度、水導(dǎo)Y向

5、擺度、振 動(dòng)上機(jī)架水平X/Y振動(dòng)、上機(jī)架垂直振動(dòng)、下機(jī)架水平X/Y振動(dòng)、下機(jī)架垂直振動(dòng)、頂蓋水平X/Y振動(dòng)、頂蓋垂直振動(dòng)壓力脈動(dòng)蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)出口壓力脈動(dòng)、頂蓋下壓力脈動(dòng)、活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)出口壓力抬機(jī)量、鍵相來自監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)各導(dǎo)軸承瓦溫、油溫、油位、冷卻水溫等工況參數(shù)有功功率、無功功率、勵(lì)磁電壓/電流、導(dǎo)葉/漿葉開度、水頭能量監(jiān)測參數(shù)包括水輪機(jī)有效出力（功率）、蝸殼測流斷面上的壓差水頭、水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口水頭、水輪機(jī)尾水管出口水頭、水輪機(jī)有效水頭。通過上述參數(shù)可以計(jì)算得到水輪機(jī)過機(jī)流量、水輪機(jī)效率、水輪機(jī)扭矩、水輪機(jī)單位流量等參數(shù)。發(fā)電機(jī)空氣間隙與磁場強(qiáng)度監(jiān)測參數(shù)各磁極實(shí)時(shí)空氣間隙、最小空氣間隙

6、及其磁極號(hào)、發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子不圓度、轉(zhuǎn)子中心與定子中心偏移量。各磁極磁場強(qiáng)度實(shí)時(shí)波形及最大磁場強(qiáng)度。各磁極空氣間隙及磁場強(qiáng)度變化曲線。發(fā)電機(jī)局部放電監(jiān)測參數(shù)各相放電量、放電相位、放電次數(shù)主變油色譜監(jiān)測參數(shù)監(jiān)測六種故障氣體（包括氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔和一氧化碳）的濃度（PPM）。3、傳感器選型傳感器的可靠、準(zhǔn)確與否，將直接影響到狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的可信度。所以，在選擇傳感器時(shí)在充分考慮水電機(jī)組特點(diǎn)的基礎(chǔ)上選擇可靠的產(chǎn)品，使得傳感器具有針對(duì)性和適用性。選擇和使用一次傳感元件（包含傳感器和變換器）時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：根據(jù)水電站機(jī)組運(yùn)行設(shè)備信號(hào)輸出的特點(diǎn)，即低頻隨機(jī)信號(hào)的特點(diǎn)，選擇高精度高輸出性能優(yōu)的

7、低頻傳感器。由于機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速較低，傳感器的頻響范圍一般應(yīng)控制在02KHz。在篩選傳感器時(shí)，盡量選擇符合要求的性能好的傳感器（精度、重復(fù)性、線性度、遲滯、靈敏度、零漂）。根據(jù)使用條件及周圍環(huán)境選擇傳感器。機(jī)組運(yùn)行設(shè)備在線監(jiān)測要求傳感器在使用時(shí)安全穩(wěn)定，長久耐用、準(zhǔn)確可靠地反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。水電廠狀態(tài)監(jiān)測最主要的傳感器有擺度傳感器、機(jī)架振動(dòng)傳感器、壓力脈動(dòng)傳感器、氣隙傳感器。根據(jù)美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)、軸向位置和軸承溫度監(jiān)測系統(tǒng)（API670）和我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測裝置設(shè)置導(dǎo)則（DL/T556-94）的要求，測量大軸擺度的傳感器一般應(yīng)采用電渦流傳感器。實(shí)際上，世界上從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)

8、測的著名公司無一例外均采用渦流傳感器來測量軸的徑向振動(dòng)，在中國電力行業(yè)都有大量的應(yīng)用業(yè)績。但對(duì)于某些機(jī)組，上導(dǎo)擺度的測量由于受到上導(dǎo)測量部位勵(lì)磁引線的影響，電渦流傳感器輸出信號(hào)存在嚴(yán)重失真現(xiàn)象，為此在該部位擺度的測量必須采用抗電磁干擾強(qiáng)的電容傳感器。擺度傳感器建議采用國外高性能的傳感器，同比國內(nèi)或國外雜牌傳感器，其具有精度高、互換性好、線性度高、零漂溫漂小和可靠耐用的優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于水輪機(jī)組來說，低頻振動(dòng)是其固有的特性，所以，水輪機(jī)組的固定部件的低頻振動(dòng)測量一直是個(gè)難點(diǎn)，其傳感元件選擇不當(dāng)將直接影響到測量效果。用于測量水輪機(jī)組固定部件振動(dòng)的傳感器有加速度傳感器合速度傳感器兩種。加速度傳感器盡管其頻

9、響下限很低，但是由于水輪機(jī)組固定部件振動(dòng)的加速度很小，導(dǎo)致加速度傳感器的信號(hào)輸出極其微小，導(dǎo)致無法分辨信號(hào)與干擾，造成很大測量誤差，從很多采用加速度測量機(jī)架振動(dòng)的水電廠反饋信息來看也基本如此，故水電廠一般不宜采用加速度傳感器來測量機(jī)架振動(dòng)。加速度傳感器一般應(yīng)用于頻率較高或有較大沖擊的地方，如定子鐵芯振動(dòng)的測量。因此機(jī)架振動(dòng)測量一般需采用速度傳感器，而國外從事機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測的幾家主流廠家生產(chǎn)的速度傳感器，其頻響下限都比較高，一般在4Hz以上，不能滿足低頻測量的要求，國內(nèi)部分廠家針對(duì)水電機(jī)組特點(diǎn)生產(chǎn)的低頻振動(dòng)傳感器，其低頻特性較好，并且已在國內(nèi)眾多的水電工程上應(yīng)用，實(shí)踐證明其性能穩(wěn)定可靠。因此，機(jī)架

10、振動(dòng)的測量建議采用國產(chǎn)低頻速度傳感器，而不能一味強(qiáng)求采用進(jìn)口傳感器。壓力脈動(dòng)傳感器通常采用壓力變送器，不同于一般的壓力測量，壓力脈動(dòng)的測量不僅要求所選變送器具有很高的測量精度，而且要求具有良好的動(dòng)態(tài)特性以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求。同時(shí)，由于部分測點(diǎn)存在負(fù)壓，所選變送器必須滿足負(fù)壓區(qū)的壓力及脈動(dòng)測量。氣隙傳感器通常采用平板電容傳感器，不同廠家不同性能的傳感器價(jià)格相差很大，由于氣隙傳感器價(jià)格昂貴，部分水電廠從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)采用價(jià)格較低的傳感器；部分狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)生產(chǎn)廠家在投標(biāo)時(shí)為了降低投標(biāo)額也喜歡推薦價(jià)格較低的傳感器。由于氣隙傳感器是粘貼在定子內(nèi)壁上，粘貼后不易拆卸，且大量機(jī)組安裝時(shí)只能在大修轉(zhuǎn)子吊出后才能

11、進(jìn)行，因此，一旦某個(gè)傳感器出現(xiàn)故障，基本上就無法更換，因此，筆者建議在氣隙傳感器的選型時(shí)要盡量采用高性能的且在國內(nèi)有廣泛應(yīng)用業(yè)績的傳感器。4、特征信號(hào)提取機(jī)組運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)特征信號(hào)的獲取是反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)，特征信號(hào)獲取的正確與否，直接影響到預(yù)測診斷的效果。實(shí)施機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與診斷就是通過監(jiān)測機(jī)組運(yùn)行設(shè)備各種運(yùn)行方式下的信號(hào)和各種狀態(tài)參數(shù)來識(shí)別機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，獲取和分析機(jī)組運(yùn)行的特征信號(hào)，提取征兆，才能對(duì)機(jī)組運(yùn)行設(shè)備和性能進(jìn)行診斷、維護(hù)與管理。機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)特征信號(hào)一般有兩種表現(xiàn)形式，一是以能量方式表現(xiàn)出來的特征信號(hào)，另一種是物態(tài)形式表現(xiàn)出來的特征信號(hào)。對(duì)于能量形式的特征信號(hào)（含振動(dòng)、擺度、壓力、

12、溫度、位移、電壓、電流等），可以在時(shí)域中提取征兆，也可以在頻域、幅值域或相位域提取征兆；對(duì)于物態(tài)形式的特征信號(hào)裂紋、煙霧、油質(zhì)等，可以采用特定的物理或化學(xué)分析方法（臺(tái)探傷分析、超譜分析等）提取征兆。通常水輪發(fā)電機(jī)組特征信號(hào)是以能量形式表現(xiàn)為主的，以頻率作為運(yùn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)的重要特征的。水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)信號(hào)是由周期信號(hào)、非周期信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)組成的，其中低頻隨機(jī)信號(hào)是機(jī)組運(yùn)行的固有特性，由于水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的這一特性，加上反映機(jī)組運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)周期性較長，在信號(hào)采集和處理上既有它的難度又有它的特殊性。例如，應(yīng)合理選擇采樣周期，提高采樣數(shù)據(jù)精度，以數(shù)量經(jīng)濟(jì)的時(shí)域數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確可靠的譜分析數(shù)據(jù)，盡量減少

13、譜線泄漏，避免柵欄效益。為此應(yīng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行整周期采樣。為了分析到較低次諧波，需在軟件上實(shí)現(xiàn)整周期細(xì)化功能，來提高譜分析范圍;在數(shù)據(jù)采集速度上，在提高A/D板數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸速度的基礎(chǔ)上要采取先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)；在信號(hào)處理上，應(yīng)注意低頻隨機(jī)信號(hào)的處理，同時(shí)還要采用和加強(qiáng)低頻濾波、相關(guān)濾波以及混合濾波技術(shù)。水電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測涉及機(jī)組的水力特性、機(jī)械特性、設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和電氣特性，是多學(xué)科多系統(tǒng)的知識(shí)綜合，對(duì)水電機(jī)組的有關(guān)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測時(shí)，必然涉及到國內(nèi)外各種不同專業(yè)公司的監(jiān)測系統(tǒng)，因此要實(shí)現(xiàn)設(shè)備特征信號(hào)的提取，首先必須將各種系統(tǒng)進(jìn)行集成，使之成為一個(gè)有機(jī)的整體，才能綜合提取

14、反映機(jī)組狀態(tài)的信息，以滿足水電廠實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測乃至狀態(tài)檢修的需要。在提取機(jī)組特征信號(hào)時(shí)，考慮到水電機(jī)組運(yùn)行的特點(diǎn)和故障特征必須引入機(jī)組工況分析方法。機(jī)組工況分析是水力發(fā)電機(jī)組的固有特性，也是機(jī)組運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)分析的重要環(huán)節(jié)。通過機(jī)組工況分析，不但能準(zhǔn)確為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的信號(hào)數(shù)據(jù)，而且有利于對(duì)機(jī)組運(yùn)行的故障類型和失效原因進(jìn)行有效地分析。通常機(jī)組運(yùn)行時(shí)（或運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)），可進(jìn)行以下工況分析：空載無勵(lì)變轉(zhuǎn)速工況、空載額定轉(zhuǎn)速變勵(lì)磁工況、變負(fù)荷工況、甩負(fù)荷工況、調(diào)相工況和穩(wěn)定工況。5、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能定位狀態(tài)監(jiān)測作為狀態(tài)檢修的技術(shù)核心，其最終目的是為狀態(tài)檢修服務(wù)，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)獲得的機(jī)組特征信

15、號(hào)，實(shí)時(shí)了解機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)變化，確定機(jī)組是否存在異常，發(fā)生異常時(shí)輔助分析異常原因并指導(dǎo)檢修。但需要指出的是，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)不是萬能工具，不是部分水電廠想象中的理想化的全智能診斷系統(tǒng)，機(jī)組一有異常就能自動(dòng)給出準(zhǔn)確的故障定位，它僅僅是為現(xiàn)場人員進(jìn)行機(jī)組狀態(tài)分析提供分析和診斷工具。實(shí)時(shí)監(jiān)測：以各種直觀易懂的圖形或表格顯示機(jī)組各部件運(yùn)行狀態(tài)，便于運(yùn)行人員或檢修人員實(shí)時(shí)了解機(jī)組各部件運(yùn)行狀態(tài)。預(yù)警報(bào)警：狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)必須能根據(jù)ISO、IEC、GB等國內(nèi)外有關(guān)水輪發(fā)電機(jī)組性能指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、主設(shè)備供貨廠商提供的性能保證值和現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建立各工況下的報(bào)警定值和樣本數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)自動(dòng)判斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，

16、及時(shí)發(fā)出報(bào)警和預(yù)警信號(hào)，便于運(yùn)行人員第一時(shí)間掌握機(jī)組異常信息，避免異常進(jìn)一步擴(kuò)散。指導(dǎo)運(yùn)行：利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)積累的數(shù)據(jù)，建立機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況庫和不穩(wěn)定運(yùn)行工況區(qū)，指導(dǎo)機(jī)組在穩(wěn)定工況下運(yùn)行。性能評(píng)估：狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有各種試驗(yàn)功能，自動(dòng)記錄各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并形成相關(guān)試驗(yàn)曲線和報(bào)告，反映機(jī)組穩(wěn)態(tài)特性和過渡過程特性；自動(dòng)生成檢修前后各種狀態(tài)報(bào)告，以評(píng)價(jià)檢修效果；利用系統(tǒng)提供工具定期制作性能曲線，監(jiān)測各部件性能變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組異常、缺陷和故障。指導(dǎo)檢修：利用系統(tǒng)積累的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組缺陷，合理安排小修、大修和擴(kuò)修；利用系統(tǒng)提供的各種分析診斷工具，對(duì)機(jī)組異常信息進(jìn)行深入分析，輔助發(fā)現(xiàn)異常原

17、因，指導(dǎo)檢修。6、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成隨著信息檢測技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，狀態(tài)監(jiān)測對(duì)象從水輪機(jī)組發(fā)展到發(fā)電機(jī)、變壓器，從主要設(shè)備發(fā)展到輔助設(shè)備，監(jiān)測內(nèi)容從機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測，發(fā)展到發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測（氣隙監(jiān)測、磁場強(qiáng)度監(jiān)測、局部放電監(jiān)測）、水輪機(jī)汽蝕監(jiān)測、主變油色譜監(jiān)測等。電廠應(yīng)根據(jù)其設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、機(jī)組的運(yùn)行規(guī)律和自身經(jīng)濟(jì)承受能力，選擇監(jiān)測項(xiàng)目。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的監(jiān)測單元，如機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測單元、發(fā)電機(jī)氣隙監(jiān)測單元，也可以是全廠網(wǎng)絡(luò)化的集成監(jiān)測系統(tǒng)（如圖1）。電廠可以一次性投資安裝所有監(jiān)測項(xiàng)目，也可以統(tǒng)籌規(guī)劃，實(shí)施時(shí)根據(jù)經(jīng)濟(jì)狀況由小到大進(jìn)行逐漸擴(kuò)展。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成7 結(jié)語水電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測作為