機(jī)組在線監(jiān)測的組成與實現(xiàn)

1、水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組成及應(yīng)用作者：汪曉兵單位：長沙華能自控集團(tuán)有限公司摘要：本文通過對水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的各子系統(tǒng)的介紹，提出分布式、漸進(jìn)式實現(xiàn)對機(jī)組安全監(jiān)測的配置及功能實現(xiàn)的觀點，并就其實際應(yīng)用做了一些探討。關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)組；振動；擺度；汽蝕；局部放電一、概述水輪發(fā)電機(jī)組故障的發(fā)生總是從量變發(fā)展到質(zhì)變，目前機(jī)組配備的保護(hù)主要是機(jī)組故障發(fā)生后采取緊急停機(jī)的措施，如過電流、過電壓、過速、過溫等。但機(jī)組的故障已經(jīng)發(fā)展到質(zhì)變階段時，為了防止故障的產(chǎn)生，常用的辦法就是計劃檢修。也就是“到期必修”，這樣做經(jīng)常需要大拆大裝，不但造成了人、材、物的大量浪費(fèi)，有時還會出現(xiàn)設(shè)備拆修損壞，造成“

2、勞而有罪”。隨著科學(xué)技術(shù)特別是監(jiān)測技術(shù)的迅速發(fā)展，使我們能準(zhǔn)確監(jiān)測機(jī)組的各種信息，為機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了非常有利的條件。機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)包括如下幾方面的內(nèi)容：機(jī)組振擺狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)、機(jī)組效率狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)、機(jī)組汽蝕狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)、機(jī)組電氣狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)。并且包括將這些系統(tǒng)整合起來進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、診斷及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的狀態(tài)診斷網(wǎng)絡(luò)，通過這一網(wǎng)絡(luò)，可使電廠各生產(chǎn)單位及管理部門隨時靈活地管理機(jī)組狀態(tài)信息，從而達(dá)到為生產(chǎn)和檢修服務(wù)的目的。二、水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組成水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由五個子系統(tǒng)組成，如圖機(jī)組振國弒志監(jiān)浦廣系統(tǒng)執(zhí)鈕效率狀態(tài)監(jiān)測了泵境機(jī)維汽獨(dú)袱忠監(jiān)網(wǎng)系統(tǒng)圈玲通跳f賽統(tǒng)

3、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)商系統(tǒng)圖1水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組成1 .機(jī)組振擺狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組的振動是以水輪機(jī)為原動力，水的勢能是激發(fā)或維持機(jī)組振動的最根本能源。從結(jié)構(gòu)上講，水輪發(fā)電機(jī)組可以分成兩大部分：轉(zhuǎn)動部分和固定、支持部分。它們中任何一個部件存在機(jī)械缺陷時都可能引起機(jī)組的振動，而這些缺陷可能是由設(shè)計、加工、安裝等任何一個環(huán)節(jié)所引起。因此，一般來說水輪發(fā)電機(jī)組有四大振動部件：上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋、轉(zhuǎn)動部分；異常情況下還有其他振動部件，如定子鐵心等。振動一般分為以下幾類：(1)機(jī)械類振動機(jī)械部分的平衡力引起的振動稱為機(jī)械類振動。例如，轉(zhuǎn)動部分重量不平衡、軸線偏差、擺動過大等。其主要特點是振動頻率

4、與機(jī)組轉(zhuǎn)速一致，有時振幅與轉(zhuǎn)速成正比。(2)電氣類振動由于電氣方面的原因造成發(fā)電機(jī)磁場不平衡而引起的振動稱為電氣振動。例如，發(fā)電機(jī)在三相電流不對稱情況下運(yùn)行磁場不均勻，發(fā)電機(jī)短路故障等。其主要特點是振幅與勵磁電流大小成正比。(3)水施類振動由于某些原因引起水輪機(jī)蝸殼內(nèi)受力不平衡而造成的振動稱為水施類振動。例如，尾水渦帶、葉片水卡門渦列、轉(zhuǎn)輪圓圈邊間隙不均勻、轉(zhuǎn)輪汽蝕等。其特點是振幅與導(dǎo)葉開度有關(guān),往往開度愈大，振幅愈大。圖2、圖3是目前監(jiān)測振動用低頻速度傳感器，監(jiān)測擺度用電渦流傳感器圖2低頻速度傳感器圖3電涵流傳限器探頭及前費(fèi)器2 .機(jī)組效率狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)水輪機(jī)效率因機(jī)型、設(shè)計制造水平的不同而

5、不同。在已投入運(yùn)行的機(jī)組中，有的由于設(shè)計選型不合理或在制造安裝中存在著缺陷和遺留問題，使水輪機(jī)效率不高。特別是有的機(jī)組由于長期處在低效率區(qū)或在低水頭下運(yùn)行，嚴(yán)重影響著機(jī)組效率的發(fā)揮，同時還會造成嚴(yán)重的振動和汽蝕破壞。在線監(jiān)測機(jī)組效率同機(jī)組效率測試是不同的要求,因為水頭在生產(chǎn)過程中不可能人為很好地控制,所以在線監(jiān)測強(qiáng)調(diào)的是在實際運(yùn)行工況下機(jī)組不同效率性能的比較和擇優(yōu)。也就是說，在線效率監(jiān)測并非是為了測得機(jī)組的某一確定效率值，而是評價機(jī)組在當(dāng)前蓄水條件和生產(chǎn)條件的約束下，應(yīng)該采用何種運(yùn)行方式最為經(jīng)濟(jì)，甚至可以實現(xiàn)多臺機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)。這些效益及顯著的優(yōu)點如果不進(jìn)行機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測是不可能得到

6、的。另外，效率監(jiān)測對于機(jī)組振擺監(jiān)測、汽蝕監(jiān)測及故障診斷是非常好的映證和補(bǔ)充，可以降低誤判斷的幾率，縮短積累經(jīng)驗的周期。3 .機(jī)組汽蝕狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)水輪機(jī)氣蝕監(jiān)測能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測水輪機(jī)的汽蝕強(qiáng)度，使機(jī)組能夠在高效率區(qū)運(yùn)行，減少水輪機(jī)葉片的汽蝕破壞，通過對汽蝕量歷史數(shù)據(jù)的累積測量，可以標(biāo)定水輪機(jī)的汽蝕破壞程度，準(zhǔn)確決策機(jī)組的檢修間隔，為機(jī)組由計劃檢修向狀態(tài)檢修過渡奠定基礎(chǔ)。水輪機(jī)在其運(yùn)行時，在轉(zhuǎn)輪出口和尾水管進(jìn)口處往往形成負(fù)壓，當(dāng)壓力降低到小于汽化壓力時，水就汽化，在水流中產(chǎn)生許多氣泡，氣泡隨著水流移動到壓力較高處，便驟然消失。在此瞬間，水流質(zhì)點以高速度向氣泡中心撞擊，水流質(zhì)點這種高速度的碰撞會引起

7、水壓力的增高（有時達(dá)幾十到幾百個大氣壓），然后被強(qiáng)烈碰撞而壓縮的水流質(zhì)點，又向相反的方向擴(kuò)散，從而造成氣泡處的壓力急驟降低。這樣就形成氣泡中心的壓力，在一段時間內(nèi)周期性的波動。這種由氣泡的產(chǎn)生和消失過程中引起的一系列現(xiàn)象稱為汽蝕現(xiàn)象。除上述周期性的壓力波動外，還有下列現(xiàn)象：當(dāng)壓力降低到飽和蒸汽壓時，水流不僅產(chǎn)生氣泡，溶解在水中的氣體也以氣泡形式選出，這種空氣泡會隨著水流排出。當(dāng)氣泡的產(chǎn)生和消失發(fā)生在固體表面時，水流質(zhì)點高速度的周期性沖擊像銳利的刀尖一樣劇烈地打擊著固體表面，造成固體表面的機(jī)械破壞，稱為剝蝕。如果固體表面粗糙，則剝蝕更嚴(yán)重。此外，氣泡受壓縮時，由于體積縮小而溫度升高，再加上水流質(zhì)

8、點相互高速度的撞擊和對固體的撞擊也產(chǎn)生熱量。實驗證明，當(dāng)氣泡凝結(jié)時，所引起的局部溫升可達(dá)300c左右，使得冷熱固體形成了熱電偶，彼此間產(chǎn)生了電流，這是固體表面遭受侵蝕的電化學(xué)原因。汽蝕是一個綜合的物理現(xiàn)象的而非單一的物理量，只能通過綜合的分析和診斷得到一個評價性的描述。例如:某轉(zhuǎn)輪汽蝕嚴(yán)重，在不改變轉(zhuǎn)輪尺寸的情況下僅僅替換轉(zhuǎn)輪的材質(zhì)，就有可能完全消除汽蝕產(chǎn)生的破壞，但這時的水力及機(jī)械作用量的測量結(jié)果將和原先有汽蝕破壞時完全一樣，所以汽蝕監(jiān)測的意義就在于評估這種破壞能力的大小或效應(yīng)，而非測定其破壞后果。根據(jù)汽蝕發(fā)生的條件，水輪機(jī)中的汽蝕一般可分為三類：翼型（葉型）汽蝕、空腔汽蝕、間隙汽蝕。三種汽

9、蝕對效率和穩(wěn)定性影響最大的當(dāng)屬空腔汽蝕。目前，對空腔汽蝕和間隙汽蝕均可采用綜合分析法準(zhǔn)確的判斷和監(jiān)測，即通過測量尾水管壓力脈動、尾水管振動、頂蓋振動、水導(dǎo)軸承渦動、止漏裝置水壓脈動、導(dǎo)葉后水壓脈動等等這些量的綜合分析，可以評估空腔汽蝕及間隙氣蝕效應(yīng)的強(qiáng)弱。對于翼型（葉型）汽蝕，其產(chǎn)生的效應(yīng)頻率寬廣，必須用涵蓋整個音頻范圍的分析設(shè)備和儀器來加以控制和分析，造價昂貴，而且由于翼型汽蝕發(fā)生的位置對監(jiān)測效果影響較大，對于翼型汽蝕僅限于發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生，很難評估其破壞能力，因此可知絕大多數(shù)可以采用低廉的綜合分析法，避免空腔汽蝕和間隙汽蝕，可以產(chǎn)生非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益。4 .機(jī)組電氣狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)機(jī)組電氣狀態(tài)監(jiān)測

10、系統(tǒng)在線監(jiān)測發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子空氣間隙，可以直接測量出經(jīng)過長期運(yùn)行后定子的變形趨勢及大小；轉(zhuǎn)子磁極的松動和結(jié)構(gòu)變形；定轉(zhuǎn)子同心度的定位偏差和改變傾向，以及在正常運(yùn)行和電氣事故沖擊過程中動態(tài)氣隙是否滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，對于評估發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性有著不可替代的和十分重要的作用。具體的檢測過程采用在定子內(nèi)部貼裝薄片狀氣隙傳感器實現(xiàn)，目前已有標(biāo)準(zhǔn)的傳感器可購買，效果容易保證。一般機(jī)組運(yùn)行多年后，絕緣材料在機(jī)械、熱力、電力和環(huán)境的作用下會逐步老化，由于絕緣隱患所引起的局部放電，起因于發(fā)電機(jī)的絕緣老化、放電，定于槽楔中綁線松動造成的斷股和槽放電等。大部分絕緣老化都會造成局部放電（電暈），即高壓絕緣層中的小火花，都可以通

11、過局部放電測試來檢測。這種方法是通過檢測局部放電脈沖的頻率、幅值、極性和相位來評估絕緣系統(tǒng)的老化程度。以往發(fā)電機(jī)局部放電測試被高強(qiáng)度電子噪聲干擾，使得測試結(jié)果很難分析，需要高度的專業(yè)水平才能做出正確的分析。但是，隨著近期高新技術(shù)的不斷發(fā)展，可以消除噪聲干擾并將局部放電量化的儀器和傳感器被開發(fā)出來，使得測試過程的進(jìn)行和結(jié)果分析可以由電站的一般非專業(yè)工作人員在機(jī)組運(yùn)行的情況下完成，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實用性。致力于通過檢測局部放電來診斷和測試絕緣質(zhì)量和老化程度，有利于延長檢修周期，降低檢修和生產(chǎn)成本，保證設(shè)備的良好狀態(tài)和提高設(shè)備的利用率。比較廉價的方式可以直接監(jiān)視和分析定子中絕緣監(jiān)測的實用技術(shù)是基于對局部

12、放電產(chǎn)生的放電脈沖的監(jiān)測,性點的接地電流或者更完備的增加各相電流及轉(zhuǎn)子電流的波形監(jiān)測，可以定性的評估出絕緣老化的狀態(tài)。對于典型的放電能夠根據(jù)繞組的電氣長度精確定位，昂貴的方案是采用電容式檢測法也能達(dá)到同樣效果，其分析技術(shù)要求較低。5 .網(wǎng)絡(luò)通訊子系統(tǒng)(1)狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器提供整個網(wǎng)絡(luò)訪問的數(shù)據(jù)源，即所有用戶均可以在網(wǎng)上實時查看狀態(tài)監(jiān)測的結(jié)果報告，專門的用戶還可以實時的分析和診斷當(dāng)前的機(jī)組狀態(tài)。所以，此數(shù)據(jù)服務(wù)器為全自動的冗余數(shù)據(jù)庫，并且具有完全的開放性和擴(kuò)張能力。(2)Web服務(wù)器提供整個網(wǎng)絡(luò)的訪問服務(wù)及防火墻，在用戶規(guī)模和用戶訪問量較小時也可省略(但性能降低了)，主要是完成狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)和用戶局域

13、網(wǎng)的物理連接，采用瀏覽服務(wù)和TCP-IP通道技術(shù)，阻止病毒和破壞性程序的迅速感染。(3)工程師工作站作為整個網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)、監(jiān)視和培訓(xùn)設(shè)備，可以由專門的值守人員使用，實時地監(jiān)視和分析整個系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)。(4)數(shù)據(jù)交換站完成其他擴(kuò)展性在線監(jiān)測系統(tǒng)向狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的開放性接入工作，并且完成計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中已測物理量在狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的共享使用，并通過單向獲取數(shù)據(jù)方式從根本上杜絕病毒的傳播，避免對監(jiān)控系統(tǒng)的影響。在狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實施計劃中，還有許多的實際工作需要分批分期循序漸進(jìn)地實施。由于機(jī)組穩(wěn)定性、機(jī)組效率、機(jī)組汽蝕及發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測等系統(tǒng)發(fā)展較早，可以較好的互相映證，達(dá)到倍增效應(yīng)，所以先期完善這些系統(tǒng)其

14、應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益更為明顯。狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在投資較少時可以先不考慮，但其構(gòu)建將使一套監(jiān)測系統(tǒng)變?yōu)槎嗳硕嗟攸c同時進(jìn)行不同工作的全新狀態(tài)監(jiān)測模式，充分發(fā)揮了投資的效益和狀態(tài)監(jiān)測的實用性，使整個的性能倍增且可以根據(jù)實際情況選擇與狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)同步發(fā)展與規(guī)劃，或者甚至優(yōu)先實施以保證實用效果的構(gòu)建方式。三、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用以PSTAK列機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為例就實際應(yīng)用簡述如下:1就Hl傳感器片弓振動傳威器點號奴度傳感存信號國4P5TA系院組成,及觸拘圖PST標(biāo)統(tǒng)（如圖4）是為了全面滿足水力機(jī)組現(xiàn)場試驗、狀態(tài)分析、故障診斷等技術(shù)需求，全新開發(fā)的集監(jiān)測、記錄、分析、報告制作為一體的便攜式信號采集和分析處理系統(tǒng)。

15、PSTA采用成熟的PC硬件平臺和Windows操作系統(tǒng)，在操作簡潔、維護(hù)方便的基礎(chǔ)上提供了強(qiáng)大監(jiān)測分析和診斷功能。它是一個多用途的系統(tǒng)，通過配置不同的傳感器測點和信號，可以實現(xiàn)多種目的的測試和分析工作。用戶可以根據(jù)自己的試驗?zāi)繕?biāo)，不斷擴(kuò)展PSTA系統(tǒng)的應(yīng)用功能。在PST粽統(tǒng)中，SPU2000信號采集處理單元是長沙華能中電控制設(shè)備有限公司與北京奧技異電氣技術(shù)研究所針對水輪發(fā)電機(jī)組特點專門研制的雙CPU型數(shù)據(jù)采集裝置。已在國內(nèi)各大中型電廠安裝了150余臺，運(yùn)行穩(wěn)定。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的大量在線信號分析計算都由SPU2000裝置完成,是PSTA系列狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。SPU2000言號采集處理單元

16、是一個可在機(jī)架上安裝的標(biāo)準(zhǔn)插箱式儀器，其內(nèi)部使用雙PC平臺和Intel處理器，集成了信號隔離，抗混濾波器，同步采樣，開關(guān)量輸入，繼電器輸出控制等多種功能，可支持鍵盤，顯示器，網(wǎng)卡等多種設(shè)備。工業(yè)級設(shè)計，高可靠性，抗干擾能力強(qiáng)，平均無故障工作時間達(dá)到30000ho利用pc機(jī)已有的網(wǎng)絡(luò)軟硬件資源實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)通信模式。采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊，采用插入式結(jié)構(gòu)，接口簡單、靈活。對各種不同測量信號系統(tǒng)設(shè)有配置方便的多種信號調(diào)理模塊，以便適應(yīng)不同種類的傳感器信號（如電壓、電流等形式），具有易換性和可熱插拔的特點。PSTA統(tǒng)軟件，采用PSTA-H監(jiān)測軟件平臺，在功能設(shè)計時充分考慮了現(xiàn)場的實際情況，具有較強(qiáng)的針對性、實

17、用性。從通用軟件功能設(shè)置和軟件實現(xiàn)技術(shù)上講，不論是監(jiān)測功能、數(shù)據(jù)分析功能、預(yù)報警功能，還是數(shù)據(jù)管理功能，PSTA-H監(jiān)測軟件的設(shè)計完全是針對水輪發(fā)電機(jī)組的，充分考慮了水力發(fā)電機(jī)組受機(jī)械、電磁、水力因素多的特點，強(qiáng)調(diào)變轉(zhuǎn)速、變勵磁、變負(fù)荷等過程的對比分析，為此提供大量過程趨勢分析和多工況（負(fù)荷、水頭、勵磁等）相關(guān)趨勢分析等，不是水輪機(jī)、汽輪機(jī)、壓縮機(jī)等通用型的在線監(jiān)測系統(tǒng)。同時它還支持現(xiàn)場手工試驗的模板化操作，簡化了系統(tǒng)的使用。PSTA-H監(jiān)測軟件提供完整的實時監(jiān)測頁面組態(tài)工具，用戶可以根據(jù)自己的監(jiān)測重點，靈活的對實時監(jiān)測內(nèi)容進(jìn)行組態(tài)編輯，構(gòu)造所有的監(jiān)測頁面，圖512為部分監(jiān)測分析畫面。m炳ra

18、文Q«X>&C9)Ult»»O®WsX呂上工4，曲讓C30熱修田.oFWH)“.y3<CD«RMEh'一、lW.Oif?1*口。0UU0M3H國Ax.in:rar新srt曲】T-:他偏rr.Q、0mrj«wri:n.x切IK”=，；nxnIHfl用6把度乂測用8鎮(zhèn)極波浪度圖9長車監(jiān)測KOOI1WC21rrcatSOOOQTWlWWC10?CW£：<0070，叫WWWVWWS/VvMz、.uS3O"Jua.c|LIII.H帆EJ1事T1周fKE而中i-.KM*dt?前且以5L，JM.

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20、1hCl“大步任TT31金nem，*wiF3mlii田一,i上我步稟而“此Ht的,VCH：RitUCWIo.nr«以上闡述的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用還將根據(jù)單機(jī)容量、用戶需求、現(xiàn)場環(huán)境等因素作為配置的適當(dāng)調(diào)整，一般而言，針對單機(jī)容量v50MW的機(jī)組，由于總投資的限制，對于機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)宜從簡配置，主要考慮的是振動、擺度的監(jiān)測，通過對水力機(jī)組的振動、擺度等物理量的在線監(jiān)測，建立功能較為完備的監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)。提供實時數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)測、實時分析、過程追憶、報警與保護(hù)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等一系列工具和手段，實現(xiàn)如下功能：對機(jī)組機(jī)械各種狀態(tài)量進(jìn)行實時準(zhǔn)確的監(jiān)測及報警，針對水電機(jī)組機(jī)械振動、擺度的特征，提供實用的數(shù)學(xué)模型及指標(biāo)先進(jìn)的信號分析技術(shù)，滿足正確提取分析狀態(tài)特征的需要。不遺漏任何重要信息地進(jìn)行在線監(jiān)測，使系統(tǒng)具有完備的機(jī)組機(jī)械運(yùn)行記錄，為機(jī)組保護(hù)與檢修提供直接的技術(shù)參數(shù)，同時也為機(jī)組積累機(jī)械設(shè)備長期運(yùn)行情況及變化趨勢建立