機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在錦屏水電站的應(yīng)用

錦屏水力發(fā)電廠 張冬生 竇學(xué)剛 顧 挺 付曉宇 楊 浩 鄭 鈺

1.引言

錦屏水電站位于四川省涼山州鹽源、木里、冕寧三縣交界處，系雅礱江流域的龍頭電站，是國(guó)家“西電東送”、“川電外送”能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。錦屏水電站包括錦屏一級(jí)、錦屏二級(jí)水電站，總裝機(jī)8400MW。錦屏一級(jí)水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，壩高305m，為世界同類壩型中第一高壩；總庫容77.6億m3，調(diào)節(jié)庫容49.1億m3；裝機(jī)6臺(tái)，總裝機(jī)容量3600MW，多年平均發(fā)電量為166.2億kW?h。錦屏二級(jí)水電站通過16.7km的引水隧洞引水發(fā)電，采用上游調(diào)壓方式，最大水頭達(dá)318.8m；總庫容1401萬m3，調(diào)節(jié)庫容為496萬m3；裝機(jī)8臺(tái)，總裝機(jī)容量4800MW，多年平均發(fā)電量為242.3億kW?h。錦屏水電站采用華科同安TN8000機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.錦屏水電站機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及測(cè)點(diǎn)布置

2.1 機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

錦屏水電站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、服務(wù)器及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、軟件等組成，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。系統(tǒng)為分層分布式結(jié)構(gòu)，按層次分為電站層（上位機(jī)系統(tǒng)）和現(xiàn)地層兩級(jí)。電站層設(shè)備包括狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器、WEB/應(yīng)用服務(wù)器、工程師工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、打印機(jī)等。

現(xiàn)地層設(shè)備包括機(jī)組現(xiàn)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集單元、各種傳感器、通訊接口、附件設(shè)備等，安裝在現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集站內(nèi)。每臺(tái)機(jī)組現(xiàn)地層設(shè)備設(shè)有一個(gè)數(shù)據(jù)采集站，數(shù)據(jù)采集站的設(shè)備集中組屏在1面布置于發(fā)電機(jī)層的控制盤內(nèi)。電站層設(shè)備和現(xiàn)地層設(shè)備之間采用環(huán)型網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)為光纖，如圖1。

圖1 錦屏一級(jí)電站機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置

錦屏水電站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集、顯示穩(wěn)定性數(shù)據(jù)（振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)、抬機(jī)量、噪聲）和氣隙數(shù)據(jù)變化，也可以顯示工況參數(shù)如機(jī)端電壓、電流、有功、無功等，該系統(tǒng)傳感器由穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)傳感器和氣隙監(jiān)測(cè)傳感器構(gòu)成。

2.2.1 穩(wěn)定性傳感器測(cè)點(diǎn)分布

第1類電渦流傳感器測(cè)點(diǎn)分布：鍵相信號(hào)，上導(dǎo)軸承X、Y向擺度，下導(dǎo)軸承X、Y向擺度，水導(dǎo)軸承X、Y向擺度，機(jī)組抬機(jī)量（測(cè)量大軸軸向位移），以上測(cè)點(diǎn)主要測(cè)量傳感器探頭相對(duì)旋轉(zhuǎn)大軸的間距。

第2類低頻振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)分布：上機(jī)架X、Y徑向水平振動(dòng)，上機(jī)架Z向垂直振動(dòng)，下機(jī)架X、Y徑向水平振動(dòng)，下機(jī)架Z向垂直振動(dòng)，頂蓋X、Y徑向水平振動(dòng)，頂蓋Z向垂直振動(dòng)，定子機(jī)座X、Y向水平振動(dòng)，定子機(jī)座Z向振動(dòng)，定子鐵芯水平振動(dòng)，定子鐵芯垂直振動(dòng)，以上測(cè)點(diǎn)主要測(cè)量水輪發(fā)電機(jī)組各固定部件低頻振動(dòng)。

第3類壓力脈動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)分布：蝸殼壓力脈動(dòng)、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間壓力脈動(dòng)、錐管進(jìn)口壓力脈動(dòng)、肘管進(jìn)口壓力脈動(dòng)、肘管肘位壓力脈動(dòng)，主要測(cè)量壓力脈動(dòng)（壓力持續(xù)波動(dòng)值）。

第4類傳聲器測(cè)點(diǎn)分布：發(fā)電機(jī)運(yùn)行噪聲監(jiān)測(cè)，水輪機(jī)運(yùn)行噪聲監(jiān)測(cè)，主要測(cè)量水輪發(fā)電機(jī)組噪聲大小，間接反映水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況，圖2為錦屏一級(jí)電站測(cè)點(diǎn)分布圖。

2.2.2 發(fā)電機(jī)氣隙傳感器測(cè)點(diǎn)分布

錦屏水電站發(fā)電機(jī)氣隙傳感器采用加拿大Vibrosystm VM5.0平板電容傳感器，8個(gè)測(cè)點(diǎn)均勻布置在發(fā)電機(jī)定子內(nèi)壁上部，主要測(cè)量發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間隙，為評(píng)價(jià)定轉(zhuǎn)子氣隙狀態(tài)提供依據(jù)。

3.機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用分析工具

3.1 機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)常用分析工具

機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)常用分析工具包括趨勢(shì)分析、時(shí)域波形分析、頻譜分析、瀑布圖分析、軸心軌跡分析、軸系圖分析、工況分析等七種工具，下面介紹其中的一種。

趨勢(shì)分析法：利用相關(guān)趨勢(shì)分析功能，用戶可制作機(jī)組的各種特性曲線，監(jiān)測(cè)機(jī)組性能變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組故障及缺陷。常見趨勢(shì)分析曲線有機(jī)架振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)隨負(fù)荷變化曲線；機(jī)架振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化曲線；機(jī)架振動(dòng)、擺度隨勵(lì)磁電流變化曲線；有功、流量、效率隨導(dǎo)葉開度變化曲線；流量、效率、耗水率隨負(fù)荷變化曲線瓦溫、油溫變化曲線；相關(guān)參數(shù)隨水頭變化曲線等。下面用趨勢(shì)分析法對(duì)一起水輪機(jī)蝸殼導(dǎo)流環(huán)板撕裂的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析。

圖3所示某電站一臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行中，蝸殼中3處導(dǎo)流環(huán)板撕裂導(dǎo)致水力嚴(yán)重不平衡，機(jī)組各導(dǎo)軸承等X向擺度峰峰值、1倍頻相位值隨時(shí)間變化的曲線圖。X軸為時(shí)間，Y軸六條曲線分別是上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)X向擺度的峰峰值和1倍頻相位值，最下邊曲線為頂蓋垂直振動(dòng)的峰峰值和1倍頻相位值。由趨勢(shì)分析法可知，突變時(shí)刻發(fā)生于02:44:42，上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)X向擺度的峰峰值和1倍頻相位值發(fā)生大幅突變，頂蓋垂直振動(dòng)的峰峰值和1倍頻相位值大幅突變，其中各部件峰峰值突變均在170μm以上且持續(xù)，1倍頻相位值突變均在100°以上且持續(xù)，嚴(yán)重超出機(jī)組正常范圍。

圖2 錦屏一級(jí)電站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)分布圖

圖3 機(jī)組各部件擺度及振動(dòng)曲線圖

表1 發(fā)電機(jī)氣隙狀態(tài)評(píng)價(jià)表

3.2 機(jī)組氣隙監(jiān)測(cè)常用分析工具

機(jī)組氣隙監(jiān)測(cè)常用分析工具包括定轉(zhuǎn)子特性評(píng)價(jià)、定轉(zhuǎn)氣隙偏差檢查、磁極伸長(zhǎng)狀態(tài)檢查、轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度檢查、過速氣隙特性分析、定子相對(duì)熱膨脹檢查、輔助分析異常擺度和開、停機(jī)過程氣隙特性分析等工具，下面介紹其中的一種。

水輪發(fā)電機(jī)定子內(nèi)圓半徑最大值與最小值之差，即兩者之間的半徑差R為定子圓度，通常定義定子圓度時(shí)將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子視為理想圓。

水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外緣半徑最大值與最小值之差，即兩者之間的半徑差r為轉(zhuǎn)子圓度，通常定義轉(zhuǎn)子圓度時(shí)將發(fā)電機(jī)定子視為理想圓。圖4為某電站利用定轉(zhuǎn)子特性評(píng)價(jià)工具，分析、評(píng)價(jià)發(fā)電機(jī)氣隙狀態(tài)水平的示意圖。

某電站機(jī)組的轉(zhuǎn)子不圓度為0.7mm(2.1%)，定子不圓度為1.4mm(4.2%)，其他指標(biāo)見圖4，氣隙狀態(tài)處于優(yōu)良水平如表1。

4.機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投產(chǎn)初期存在的不足

該系統(tǒng)電站層和現(xiàn)地層采用環(huán)型網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因此，這種結(jié)構(gòu)在機(jī)組投產(chǎn)初期主要存在以下不足：

電站層和現(xiàn)地層不能形成環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，只能以單網(wǎng)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)，此時(shí)某臺(tái)機(jī)組網(wǎng)絡(luò)故障會(huì)影響整個(gè)電站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸功能；

隨著投產(chǎn)機(jī)組臺(tái)數(shù)的增多，這種單網(wǎng)結(jié)構(gòu)可能會(huì)因傳輸數(shù)據(jù)堆積造成整個(gè)電站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障。

5.錦屏水電站開展機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義

5.1 保障機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段

錦屏水電站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過以下功能保障機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)畫面中各種自帶的直觀易懂的圖形或曲線實(shí)時(shí)顯示穩(wěn)定性數(shù)據(jù)變化、氣隙數(shù)據(jù)變化，便于運(yùn)行人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組各部件運(yùn)行狀況，時(shí)刻確保機(jī)組狀態(tài)良好。

當(dāng)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)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)，提醒值班人員避免或是縮短機(jī)組在不穩(wěn)定工況下運(yùn)行的時(shí)間，指導(dǎo)機(jī)組在穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行，優(yōu)化機(jī)組效率，指導(dǎo)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定性數(shù)據(jù)、氣隙數(shù)據(jù)曲線發(fā)生小幅或大幅突變甚至嚴(yán)重超出機(jī)組運(yùn)行極限時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警、報(bào)警信號(hào)，便于值班人員第一時(shí)間掌握機(jī)組異常信息并采取相應(yīng)措施，確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

該系統(tǒng)可以自動(dòng)生成檢修前、后各種狀態(tài)報(bào)告，通過對(duì)比歷史數(shù)據(jù)、曲線，既可以分析瞬態(tài)過程和熱穩(wěn)定過程氣隙變化數(shù)據(jù)趨勢(shì)，又可以檢驗(yàn)機(jī)組的安裝質(zhì)量、評(píng)價(jià)機(jī)組檢修效果，最終通過調(diào)整使機(jī)組在最優(yōu)狀況下運(yùn)行。

利用電廠局域網(wǎng)構(gòu)建廠級(jí)機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，設(shè)備管理工程師在網(wǎng)絡(luò)允許范圍內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)組的在線監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程分析和診斷，隨時(shí)掌握機(jī)組的狀態(tài)，確保機(jī)組處于可用的良好狀態(tài)。

5.2 值班人員判斷、評(píng)估并網(wǎng)機(jī)組可靠性最有力的分析工具

值班人員可以充分利用機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)這一平臺(tái)，準(zhǔn)確判斷、評(píng)估并網(wǎng)機(jī)組的可靠性。正常時(shí)，機(jī)組各部件的振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)、抬機(jī)量、噪聲和氣隙數(shù)據(jù)曲線均在正常的范圍內(nèi)波動(dòng)，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)上述曲線超出正常曲線范圍發(fā)生瞬時(shí)性突變且短時(shí)恢復(fù)到正常范圍內(nèi)時(shí)，該情況可能由于工況、調(diào)負(fù)荷、跨振動(dòng)區(qū)等原因引起，一般不會(huì)影響機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)機(jī)組某個(gè)部件出現(xiàn)松動(dòng)或是異常，上述曲線會(huì)發(fā)生超出正常曲線范圍的突變，突變后的曲線較穩(wěn)定且持續(xù)存在時(shí)，該情況可以判定機(jī)組某個(gè)部位出了問題。此時(shí)，值班人員根據(jù)具體的特征曲線分析、判斷是水輪機(jī)還是發(fā)電機(jī)的問題，根據(jù)異常產(chǎn)生的部位采取不同措施找出曲線發(fā)生突變的原因，恢復(fù)機(jī)組正常運(yùn)行曲線，確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

5.3 指導(dǎo)機(jī)組檢修和開展機(jī)組狀態(tài)檢修的重要技術(shù)基礎(chǔ)與依據(jù)

圖4 發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子圓度模擬圖

該系統(tǒng)可以利用自帶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)異常原因，指導(dǎo)機(jī)組檢修工作；同時(shí)，它也是未來機(jī)組狀態(tài)檢修的技術(shù)核心，充當(dāng)著設(shè)備健康狀況診斷醫(yī)生的重要角色，其最終目的是為機(jī)組狀態(tài)檢修服務(wù)提供依據(jù)、技術(shù)支持，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的機(jī)組特征信號(hào)，準(zhǔn)確掌握設(shè)備狀態(tài)情況，合理安排機(jī)組小修、大修和擴(kuò)修。

5.4 錦屏水電站實(shí)際情況的必然要求

錦屏一級(jí)額定水頭200m，最大水頭240m。錦屏二級(jí)采用上游調(diào)壓室結(jié)構(gòu)，“4洞8機(jī)”布置方式，額定水頭288.0m，最大水頭318.8m，是世界上混流式機(jī)組中水頭最高的電站。因此，錦屏水電站單機(jī)容量大、水頭高、裝機(jī)容量大等特點(diǎn)決定了機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須具有高的實(shí)用性、可靠性，尤其發(fā)生突發(fā)情況可以通過預(yù)設(shè)的振擺、氣隙數(shù)據(jù)報(bào)警信號(hào)及時(shí)提醒值班人員加強(qiáng)監(jiān)視和采取必要措施防止發(fā)生機(jī)組飛逸過速的重大事故。

錦屏水電站也是國(guó)調(diào)直調(diào)電站，送出線路通過錦屏—蘇南±800KV直流特高壓送至華東電網(wǎng)，該輸電線路起點(diǎn)位于四川省錦屏換流站，受端位于江蘇省蘇南換流站，額定輸送容量7200MW，最大連續(xù)輸送容量7600MW。因此，錦屏水電站將在國(guó)網(wǎng)中擔(dān)任重要的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)，這就要求水輪發(fā)電機(jī)組在其整個(gè)出力范圍內(nèi)具有充分的可用性，值班人員必須準(zhǔn)確了解和掌握機(jī)組的真實(shí)運(yùn)行工況和運(yùn)行性能。

5.5 錦屏水電實(shí)施“無人值班”（少人值守）高效值班模式的必然要求

錦屏兩級(jí)電站投產(chǎn)后，按照二灘公司的總體部署，投產(chǎn)后的機(jī)組將實(shí)施接入雅礱江流域集控中心（成都）調(diào)度的方案，即雅礱江流域集控中心將統(tǒng)一調(diào)度錦屏水電站14臺(tái)機(jī)組，電站現(xiàn)場(chǎng)將無人值班。

錦屏水電站作為國(guó)內(nèi)“一廠兩站”最大的電站，電站總定員190人，是國(guó)內(nèi)巨型電站中值班人數(shù)最少的電站。錦屏水電站現(xiàn)場(chǎng)將采取“少人值守、兩大班制”的值班模式，即電站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行、維護(hù)人員分為兩班，每班工作半個(gè)月，休息半個(gè)月，兩班交替上班、休息。這樣高效的值班模式使得錦屏水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)多和值班人數(shù)少的矛盾尤為突出，這就要求電站具有很高的自動(dòng)化水平、信息化水平，需要發(fā)展更加成熟、可靠的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立預(yù)測(cè)維護(hù)理論系統(tǒng)與維護(hù)實(shí)施系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水電站運(yùn)行設(shè)備監(jiān)測(cè)、維護(hù)、高效管理。

6.結(jié)語

隨著雅礱江流域水電開發(fā)事業(yè)的快速發(fā)展和國(guó)內(nèi)水電機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷成熟、可靠，錦屏水電站機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)即將投入運(yùn)行，相信將會(huì)取得良好的效果，為錦屏水電站的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]劉秋華,王漢武.基于CMMS的灘坑水電站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2009,33(2):18-21.

[2]朱浩,徐建松等.水輪機(jī)組模塊化狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置計(jì)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2011,35(3):37-39.

[3]王善永,范文等.基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的水電廠主設(shè)備檢修計(jì)劃決策系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2001,16(1):28-30.

[4]潘羅平,桂中華等.水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2008:12.

[5]馬宏忠.電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)[J].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008(3).