水輪機振動在線監(jiān)測系統(tǒng)的分析與設計

葛笑寒，尤向陽

（三門峽職業(yè)技術學院，河南 三門峽 472000）

0 引言

水輪機振動監(jiān)測分析系統(tǒng)通過對機組振動的周期性檢測，能夠不斷地在線監(jiān)測機組振動的變化情況，以盡早發(fā)現潛伏性故障，提出預警，避免發(fā)生嚴重事故，為機組安全運行和系統(tǒng)調度提供科學依據[1]。 近年來，國內外開發(fā)出的比較典型的在線監(jiān)測分析系統(tǒng)相繼面世，并在實際應用中取得了顯著的經濟效益和社會效益。 如： 德國申克公司的Vibrocontrol 4000 系統(tǒng)已在我國水口、沙溪口、天生橋、萬家寨水電廠應用，但該系統(tǒng)局限于水輪機組振動信號的測量與分析，不具備診斷功能[2]；德國Simens 公司的Scada 系統(tǒng)也是常規(guī)的監(jiān)測系統(tǒng)[3]，可用于機組的振動保護，但不能獲得水力振動特性的狀態(tài)參數； 國內的PSTA2003 系統(tǒng)能進行在線監(jiān)測診斷和分析，已經在五強溪電廠應用[4]，但主要是針對振動和擺度進行分析，不太全面。 本文提出基于C++的在線監(jiān)測系統(tǒng)，能滿足監(jiān)測機組技術狀況和故障診斷的要求，比較全面地實現參數實時動態(tài)監(jiān)測。

1 方案總體分析

1.1 系統(tǒng)功能

據水力機組的運行特征，在實際監(jiān)測中，表征水輪機組穩(wěn)定運行的參數主要有振動、擺度和壓力脈動[5]。 為滿足監(jiān)測機組技術狀況和故障診斷的要求， 水力機組振動在線監(jiān)測的設置應有如下功能：基本量的測量功能，基本的波形采集功能，對監(jiān)測量的時域、頻域分析等功能，特殊工況下的瞬態(tài)過程記錄及波形記錄功能，通訊功能等。 實際上,在線監(jiān)測就是監(jiān)測振動信號動態(tài)記錄的過程，它應包括波形監(jiān)測、軸心軌跡監(jiān)測、峰值監(jiān)測和軸系結構監(jiān)測等。

1.2 總體結構

該系統(tǒng)以信號采集模塊為主體，以振動實時監(jiān)測和振動信號分析處理軟件為核心，并與安裝在被測部位的振動、擺度、壓力脈動傳感器和輸出設備相連。 其總體結構框圖如圖1 所示。

圖1 水輪機振動在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結構框圖Fig.1 Hydroturbine vibration on-line monitoring system overall structure

1.3 系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)總體工作過程為：將由傳感器或其他監(jiān)測儀表輸出的信號，經信號采集單元的放大、隔離、濾波等預處理后， 按照分析要求轉化為數字信號，傳給微機， 從而進行大量的在線信號操作、 處理和加工。 系統(tǒng)可以對機組進行振動值的實時監(jiān)測、振動值的在線分析、歷史趨勢分析、數據實時瀏覽和查詢、數據保存和轉換等，還可以根據反映機組穩(wěn)定性狀態(tài)的各種特征參數和原始數據，進行故障預警、報警，以及對機組狀態(tài)進行監(jiān)測分析和診斷等。

2 水輪機振動監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計

硬件部分主要由傳感器檢測模塊，數據采集模塊，數據處理模塊三大部分組成，其總體結構框架如圖2 所示。 其中，傳感器檢測模塊中的擺度傳感器裝于上導、下導、水導、勵磁機和發(fā)電機集電環(huán)處的大軸處，用來測擺度。 振動傳感器裝于發(fā)電機組機架、水輪機頂蓋、上導、下導、水導和支架上，用來測頂蓋振動。 壓力傳感器裝于尾水管、轉輪上、下密封，蝸殼和導流錐中，用來測壓力脈動[6]。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結構框圖Fig.2 System hardware overall structure

2.1 傳感器檢測模塊

2.1.1 振動測量傳感器

由于大多數水輪發(fā)電機組的轉速頻率較低，而且壓力脈動形成的振動也大都是低、中頻的，所以，對振動參量的測定宜選擇適于測低頻振動的速度型振動傳感器。 本系統(tǒng)選擇清華大學精密儀器及機械學院生產的DP 型地震式低頻振動傳感器（水平振動型和垂直振動型）。 這種傳感器既有抗振、耐沖擊和高穩(wěn)定的特點，又有良好的低頻輸出特性，適用于大型水輪發(fā)電機組和低速回轉機械的振動監(jiān)測。

2.1.2 擺度測量傳感器

水輪發(fā)電機擺度的測量屬于小位移動態(tài)非接觸測量，所以，一般應選擇電渦流位移傳感器CWYDO-20 系列。 該傳感器由探頭、殼體、固定電纜和接頭等4 部分組成。 在實際測量時，傳感器和與其相匹配的延長電纜、前置器組成傳感器系統(tǒng)。 當帶有高頻電流的探頭內線圈靠近被測金屬時，線圈上的高頻電流所產生的高頻電磁場便在金屬表面上產生感應電流。 通過電路，可將被測金屬相對于傳感器探頭之間的距離變化轉換成電壓或電流變化。 電渦流傳感器就是根據這一原理，實現對金屬物體的位移、振動等參數的測量。

2.1.3 壓力脈動測量傳感器

尾水管的壓力脈動往往是機組振動加劇的主要誘因，這種振動的特點是頻率較低，估算式為

式中：fn為機組轉動頻率。

因此，選用ST3088 壓力變送器對尾水管的壓力脈動進行測量。 其工作過程是，當被測金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時，探頭中線圈的電感量發(fā)生變化，從而引起了振蕩器的振蕩電壓幅度變化。 這個隨距離變化的振蕩電壓經檢波、濾波和線性校正后，就變成與位移成正比的電壓量。

2.2 數據采集模塊

采集電路由8 個中速ADC 并行工作，時序控制由8 個循環(huán)計數器實現。 由振蕩器送來100MHz 時鐘經8 個循環(huán)計數器輸出， 然后由8 個RAM 對數據進行存儲，并通過接口電路傳送給計算機。 這就完成了對傳感器提供的交變電信號進行采集及處理，并得到振動的峰值和傳感器間隙電壓值。 本設計所選用的采集模塊的內部框圖如圖3 所示。

數據采集是指將模擬量采集、轉換成數字量，再由計算機進行存儲、處理、顯示或打印的過程。 一般數據采集包括模擬量、開關量和數字量3 種數據類型。 模擬量類型是數據通過A/D 轉換裝置輸入計算機；開關量類型是數據通過開關量輸入裝置輸入計算機；數字量類型是數據通過計算機(串、并口)通訊方式輸入計算機，其數據采集的流程如圖4 所示。

圖3 采集模塊流程圖Fig.3 Acquisition module process

圖4 數據采集的流程圖Fig.4 Data acquisition process

2.3 數據預處理模塊

在經數據采集模塊得到的信號中，總有干擾成分，即所謂的噪聲，噪聲過大，有用的信號就不突出，因而就難以做出準確的判斷。 因此，必須通過數據預處理模塊設法使噪聲與有用信號分離，并予以抑制和消除，改善信號質量，減少后續(xù)數據處理的工作量和難度。 通濾除干擾通常采用時域平均和濾波兩種方法。 濾波法有模擬濾波和數字濾波兩種方式，低通、高通、帶通和帶阻等4 種基本類型。 數字濾波法的實質是對采集到的離散數據進行運算，增強或提升所需要的信號，壓低或濾掉干擾成分。 數據預處理模塊的流程如圖5 所示。由于發(fā)電機組(包括汽輪機和水輪機)的重要特征頻率一般都在1kHz以下[7],故采用1kHz 的低通濾波器完全可以達到濾波效果[8]。

圖5 數據預處理模塊流程圖Fig.5 Data preprocessing module process

3 水輪機振動監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計與調試

3.1 軟件設計

系統(tǒng)采用Borland C++ Builder6 作為開發(fā)工具對頂層軟件進行編程[9]。 頂層軟件采用模塊化編程，各個模塊之間用數據庫SQL sever 連接起來。 系統(tǒng)由系統(tǒng)設置、實時監(jiān)測、振動分析、歷史趨勢、數據管理以及幫助等模塊組成。 其中，實時監(jiān)測模塊、振動分析模塊是軟件的主要功能模塊。 實時監(jiān)測模塊可連續(xù)在線監(jiān)測和顯示機組各導軸承處的擺度情況、機架和頂蓋的振動情況，以及尾水管壓力脈動情況，并能以圖形的方式實時顯示幅值。 振動分析模塊可以對機組各工況進行時域分析、頻域分析、相關分析， 并以圖形方式顯示分析結果。 系統(tǒng)構建如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)架構圖Fig.6 System architecture

3.2 系統(tǒng)調試

利用前面所介紹的振動監(jiān)測系統(tǒng)，對使用軟件進行監(jiān)測， 獲得了機組實時振動波形圖和棒狀圖，具體如圖7、圖8 所示。從圖7 可以看出其振動位移與時間變化的關系，圖8 變化動態(tài)顯示各個通道隨時間變化所測的振動值，可比較同一時刻各通道的振幅的大??；而且可以通過數字來實時顯示棒狀現在所處的位置(振幅)。

圖7 實時波形顯示圖Fig.7 Real-time waveform display

圖8 實時波形棒狀圖Fig.8 Real-time waveform stick diagram

4 結語

綜上所述，本文對水輪機振動在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了方案設計， 選取影響系統(tǒng)穩(wěn)定的最關鍵參數：振動、擺度、壓力，并且選擇能夠最接近系統(tǒng)運行狀態(tài)的點作為系統(tǒng)信號采集點， 對系統(tǒng)硬件進行設計、配置、選擇，對軟件進行調試分析。 結果表明，該系統(tǒng)可直觀地了解機組的運行狀態(tài)，并能對常見的運行故障做出判斷，具有狀態(tài)預測功能，能夠比較全面地實現參數實時動態(tài)監(jiān)測，對保證設備維護的準確性、及時性起到關鍵作用。

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