淺析尼爾基發(fā)電廠機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

寇立國，吳希華，姚 遠(yuǎn)

（1.松遼水利委員會(huì)水文局，吉林 長(zhǎng)春130021；2.松遼水利委員，吉林 長(zhǎng)春130021；3.嫩江尼爾基水利水電有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 116000）

1 樞紐概述

尼爾基水利樞紐具有防洪、工農(nóng)業(yè)供水、發(fā)電、航運(yùn)、環(huán)境保護(hù)、魚葦養(yǎng)殖等綜合效益，是嫩江流域水資源開發(fā)利用、防治水旱災(zāi)害的控制性工程，也是實(shí)現(xiàn)“北水南調(diào)”的重要水源工程。尼爾基水利樞紐水庫總庫容86.11億m3。尼爾基發(fā)電廠采用河床式電站廠房，廠內(nèi)裝有4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量62.5MW，總裝機(jī)容量250MW；發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組由哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)，水輪機(jī)為軸流轉(zhuǎn)槳式，立軸布置。發(fā)電機(jī)為立軸半傘式密閉自循環(huán)空氣冷卻三相凸極同步發(fā)電機(jī)。額定容量62.5MW，額定電壓13.8kV，額定電流2988A，額定轉(zhuǎn)速107.1r/min，額定頻率50Hz。

2 機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

尼爾基發(fā)電廠采用的是目前國內(nèi)較為先進(jìn)的TN8000系統(tǒng)，是由北京華科同安公司自主研發(fā)。該系統(tǒng)充分利用目前國內(nèi)最先進(jìn)的技術(shù)建立系統(tǒng)平臺(tái)，通過對(duì)水輪機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)聯(lián)合計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息，針對(duì)尼爾基發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行參數(shù)建立功能完備的監(jiān)測(cè)分析診斷系統(tǒng)，提供報(bào)警、預(yù)警、狀態(tài)分析、性能評(píng)價(jià)、故障診斷等一系列工具和手段，并可以方便地形成機(jī)組穩(wěn)定性性能曲線、水力參數(shù)性能曲線、過渡過程性能曲線，為用戶了解機(jī)組的運(yùn)行性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷和故障，狀態(tài)檢修提供系統(tǒng)的、直接的技術(shù)數(shù)據(jù)和報(bào)告。為機(jī)組的安全運(yùn)行、優(yōu)化調(diào)度和檢修指導(dǎo)提供有力的技術(shù)支持。系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集站、上位機(jī)設(shè)備等組成。

按照現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)分布情況，該系統(tǒng)可分為空氣間隙狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、振動(dòng)擺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.1 空氣間隙狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由安裝在發(fā)電機(jī)定子內(nèi)壁的4個(gè)LS121空氣間隙傳感器（分別位于±X、±Y方向）和ILS731信號(hào)調(diào)理器組成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)最小氣隙、最大氣隙、平均氣隙及其發(fā)生的準(zhǔn)確角度和磁極號(hào)，給出轉(zhuǎn)子中心和定子中心的偏移量，并模擬磁極周向形貌，真實(shí)地描述發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)情況，以及在機(jī)械和電氣影響下的運(yùn)動(dòng)情況。通過氣隙變化趨勢(shì)以及定子熱變形和磁極結(jié)構(gòu)的蠕變等數(shù)據(jù)分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和鑒別異常情況，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析定子圓度蠕變、磁拉力不平衡、定子合縫與定子鐵心松動(dòng)等故障。

傳感器安裝在定子的內(nèi)壁上，周向均勻分布，信號(hào)調(diào)理器輸出信號(hào)供TN8000數(shù)據(jù)采集箱，由TN8000系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、分析和故障診斷。

2.2 局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

局部放電是發(fā)生在高壓定子繞組絕緣中的小電火花。通常情況下，質(zhì)量良好的定子繞組在良好的工作條件下僅有少量的局部放電發(fā)生。然而，由于繞組振動(dòng)和工作在高溫環(huán)境下、或者由于油污、潮濕和化學(xué)物質(zhì)的作用，隨著定子繞組絕緣的不斷惡化，局部放電將呈10倍或10倍以上的速率增長(zhǎng)。因此，在線局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)繞組絕緣故障的主要根源。采用在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的情況下進(jìn)行局部放電監(jiān)測(cè)，通常會(huì)給出提前兩年或兩年以上的故障風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)。

根據(jù)尼爾基電廠實(shí)際情況，采用PAD監(jiān)測(cè)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該方法由加拿大Ontaio Hydro公司于20世紀(jì)70年代首先提出，主要用于在線監(jiān)測(cè)水輪發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的局部放電。主要利用繞組內(nèi)放電信號(hào)和外部噪聲信號(hào)在繞組中傳播時(shí)具有不同特點(diǎn)來抑制噪聲，提取放電信號(hào)。該監(jiān)測(cè)法在國外水輪發(fā)電機(jī)組的在線監(jiān)測(cè)中已被大量采用。尼爾基電廠成為國內(nèi)少數(shù)采用該監(jiān)測(cè)法的電廠之一。

尼爾基發(fā)電廠每臺(tái)機(jī)組配置6個(gè)傳感器，采用IRIS公司PDA電容耦合器，該耦合器可以探測(cè)定子線圈的局部放電信號(hào),并能將無用的噪音濾掉。耦合器通常與定子線棒的環(huán)狀匯流排跨接線相連。

2.3 振動(dòng)擺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

振動(dòng)是水輪發(fā)電機(jī)組較為常見的問題，在機(jī)組各部位均易發(fā)生，各種類型的水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中都存在著不同程度的振動(dòng)。強(qiáng)烈的振動(dòng)將影響電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定，因而振動(dòng)成為評(píng)價(jià)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)，振動(dòng)擺度也是機(jī)組穩(wěn)定性的直接信號(hào)和判斷依據(jù)之一。

針對(duì)尼爾基發(fā)電廠實(shí)際情況，TN8000數(shù)據(jù)采集箱對(duì)機(jī)組的振動(dòng)、擺度以及相關(guān)的過程量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、并行、整周期采樣，并進(jìn)行相應(yīng)的處理、計(jì)算和特征提取，在數(shù)據(jù)采集站液晶顯示器、工程師站顯示器以及網(wǎng)絡(luò)所聯(lián)的有關(guān)工作終端上以結(jié)構(gòu)示意圖、棒圖、數(shù)據(jù)表格、曲線等形式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)以位移形式（mm或μm）顯示所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

根據(jù)尼爾基發(fā)電廠機(jī)組的特性，每臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組在不同的位置設(shè)置測(cè)點(diǎn)，并針對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要，機(jī)組上還配置了一個(gè)鍵相傳感器對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行同步。在導(dǎo)軸承部分的測(cè)點(diǎn)以及鍵相傳感器均采用IN-081一體化渦流傳感器，該傳感器利用電渦流原理測(cè)量轉(zhuǎn)子表面相對(duì)于傳感器頭部距離的變化，由探頭、延伸電纜、前置器等三部分組成，特別適合于測(cè)量轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)；上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋部分的測(cè)點(diǎn)采用MLS-9振動(dòng)傳感器，其中水平向MLS-9H有6個(gè)，垂直向MLS-9V有4個(gè)。該傳感器具有工作頻率低、長(zhǎng)期運(yùn)行可靠、互換性好的特點(diǎn)。

2.4 壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

壓力脈動(dòng)是水輪機(jī)最普遍的不穩(wěn)定因素，是導(dǎo)致水電機(jī)組振動(dòng)的主要原因之一，流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)周期性地作用在流道壁面上和轉(zhuǎn)輪上，引起結(jié)構(gòu)和部件的振動(dòng)。壓力脈動(dòng)過大時(shí)會(huì)引起水輪機(jī)和廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)、葉片裂紋和斷裂、機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定和軸承損壞，當(dāng)壓力為負(fù)壓時(shí)，可能造成空化和空蝕，伴隨較強(qiáng)烈的噪音。

壓力脈動(dòng)的測(cè)量采用壓力變送器。當(dāng)機(jī)組壓力脈動(dòng)出現(xiàn)異常時(shí)，壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過壓力脈動(dòng)的變化趨勢(shì)、壓力脈動(dòng)的頻譜特征和壓力脈動(dòng)隨工況變化的特征，自動(dòng)判斷引起壓力脈動(dòng)異常的可能原因，并結(jié)合振動(dòng)擺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該原因進(jìn)行深入分析。通過一定時(shí)間的數(shù)據(jù)積累，該系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各個(gè)工況下的壓力脈動(dòng)參數(shù)，逐步得到機(jī)組運(yùn)行的壓力脈動(dòng)良好工況區(qū)域，明確危險(xiǎn)或不良工況區(qū)，從而指導(dǎo)機(jī)組盡可能避開壓力脈動(dòng)危險(xiǎn)工況區(qū)運(yùn)行。

根據(jù)尼爾基發(fā)電廠實(shí)際情況，每臺(tái)機(jī)組安裝5臺(tái)壓力變送器，分別用于測(cè)量蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)、尾水管進(jìn)口壓力脈動(dòng)和活動(dòng)導(dǎo)葉前后壓力脈動(dòng)。采用PR—21S/81400壓力傳感器。

3 結(jié)語

（1）該系統(tǒng)在尼爾基發(fā)電廠安全運(yùn)行近3年，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求,提供數(shù)據(jù)真實(shí)、準(zhǔn)確，為尼爾基發(fā)電廠機(jī)組正常運(yùn)行提供了保障。

（2）尼爾基發(fā)電廠技術(shù)人員經(jīng)過深入研究，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，添加了輔助生產(chǎn)的機(jī)組各部溫度巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用為運(yùn)行人員監(jiān)視機(jī)組狀態(tài)提供了更為直觀的參考依據(jù)。