錦屏二級(jí)水電站機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用探討

張宏亮

(錦屏水力發(fā)電廠，四川西昌 615012)

1 概述

水輪機(jī)是一種低轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，運(yùn)行過(guò)程中常常因?yàn)樗?、機(jī)械、電氣3個(gè)方面的原因引起振動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定［1］。利用計(jì)算機(jī)對(duì)水電站機(jī)組的狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)了解機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、當(dāng)前工況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，最大限度地延長(zhǎng)檢修間隔，降低水電廠的運(yùn)行成本，為保證安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是通過(guò)對(duì)機(jī)組的主軸擺度、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、軸向位移、壓力脈動(dòng)、空氣間隙、磁通密度、局部放電、定子線棒端部振動(dòng)、相關(guān)工況參數(shù)及過(guò)程量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、分析和診斷，及時(shí)掌握機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)故障早期征兆，避免嚴(yán)重事故的發(fā)生，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，并為優(yōu)化運(yùn)行、檢修指導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修提供有力的技術(shù)支持［2，3］。

水電站機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可將監(jiān)測(cè)信息上傳至集控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和判斷，提出機(jī)組檢修安排建議，從而大大提高對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的管控能力。筆者以錦屏二級(jí)水電站為研究對(duì)象，分析了機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，闡述了系統(tǒng)的功能。

錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山州鹽源、冕寧、木里三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河灣，工程樞紐主要由首部低閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房三大部分組成，為一低閘、長(zhǎng)隧洞、大容量引水式電站、電站總裝機(jī)容量為4800 MW，單機(jī)容量600 MW，額定水頭288 m，多年平均發(fā)電量242.3億kW·h，保證出力1972 MW，年利用小時(shí)5048 h，是雅礱江上水頭最高、裝機(jī)規(guī)模最大的水電站，與錦屏一級(jí)水電站首尾相接。

為保證機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高電站的經(jīng)濟(jì)效益，錦屏二級(jí)水電站設(shè)有機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)、故障分析、設(shè)備性能評(píng)估等工作，為電站的設(shè)備運(yùn)行、檢修、優(yōu)化改造提供生產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息。

2 錦屏二級(jí)水電站實(shí)施機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性及目標(biāo)

水輪發(fā)電機(jī)組具有運(yùn)行工況復(fù)雜、工況變化頻繁等特點(diǎn)，因此，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握機(jī)組的健康狀況，對(duì)于保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。同時(shí)，水電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已日趨成熟，并逐漸成為水電站提升自動(dòng)化管理水平和實(shí)施狀態(tài)檢修的重要技術(shù)手段，越來(lái)越受到大中型水電站的重視。錦屏二級(jí)水電站作為正在建設(shè)中的、具有當(dāng)今世界最先進(jìn)水平的水電站，對(duì)機(jī)組實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)是必然的選擇，也是保障錦屏二級(jí)水電站機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段，是開(kāi)展設(shè)備狀態(tài)檢修的重要技術(shù)基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)電廠機(jī)組實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，能及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握電廠的實(shí)際生產(chǎn)情況和機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。

錦屏二級(jí)水電站機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)是對(duì)所有機(jī)組狀態(tài)和相關(guān)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)以各種專業(yè)狀態(tài)分析表格和圖譜方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析、機(jī)組狀態(tài)報(bào)警和預(yù)警、指導(dǎo)機(jī)組檢修和優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)同臺(tái)機(jī)組歷史趨勢(shì)的分析對(duì)比，不同機(jī)組的數(shù)據(jù)對(duì)比，提高公司對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的管控能力。

錦屏二級(jí)水電站在上述目標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，針對(duì)錦屏二級(jí)水電站狀態(tài)檢修需要和機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

3 機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

3.1 錦屏二級(jí)水電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(lái)講，測(cè)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。

根據(jù)錦屏二級(jí)水電站的機(jī)組特點(diǎn)，系統(tǒng)配置了以下監(jiān)測(cè)參數(shù):

(1)鍵相(1點(diǎn));

(2)大軸擺度(6點(diǎn)):上導(dǎo)X/Y、下導(dǎo)X/Y、水導(dǎo)X/Y;

(3)機(jī)架振動(dòng)(12點(diǎn)):上機(jī)架X/Y/Z、下機(jī)架X/Y/Z、頂蓋X/Y/Z、定子機(jī)架X/Y/Z;

(4)鐵芯振動(dòng)(6點(diǎn)):3組，每組水平和垂直各1個(gè);

(5)軸向位移(2點(diǎn)):+X/-X 向;

(6)壓力脈動(dòng)(11點(diǎn)):1個(gè)蝸殼壓力脈動(dòng)、2個(gè)轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間壓力脈動(dòng)、4個(gè)錐管進(jìn)口壓力脈動(dòng)、2個(gè)肘管進(jìn)口壓力脈動(dòng)、2個(gè)肘管肘位壓力脈動(dòng);

(7)環(huán)境噪聲(2點(diǎn)):發(fā)電機(jī)運(yùn)行噪聲、水輪機(jī)運(yùn)行噪聲;

(8)空氣間隙(8點(diǎn)):周向均勻布置在發(fā)電機(jī)上部;

(9)工況參數(shù):有功/無(wú)功功率、勵(lì)磁電流/電壓、導(dǎo)葉開(kāi)度、流量、出口開(kāi)關(guān)、勵(lì)磁開(kāi)關(guān)、蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管出口壓力;

(10)過(guò)程量參數(shù)(通訊):水頭、瓦溫、油溫、油位等;

(11)其它(通訊):主變、GIS 和斷路器監(jiān)測(cè)參數(shù)。

3.2 機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

錦屏二級(jí)水電站機(jī)組狀態(tài)在線監(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。系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，按層次劃分為電站層(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，全廠6臺(tái)機(jī)組共用1套，電站層設(shè)備除工程師工作站顯示器外，其余設(shè)備組柜安裝在電站計(jì)算機(jī)室的上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi);現(xiàn)地層設(shè)備包括機(jī)組現(xiàn)地在線監(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)。電站層設(shè)備和現(xiàn)地層設(shè)備之間采用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)為光纖。

錦屏二級(jí)水電站機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

4 機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能、分析診斷功能、試驗(yàn)功能、運(yùn)行檢修維護(hù)指導(dǎo)和評(píng)價(jià)功能、預(yù)警報(bào)警功能、數(shù)據(jù)采集和管理功能、數(shù)據(jù)通信功能和網(wǎng)絡(luò)支持及系統(tǒng)安全功能。

4.1 監(jiān)測(cè)功能

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能利用鍵相信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，精確的按照整周期采樣，避免頻譜分析中的混疊和泄漏現(xiàn)象，實(shí)施準(zhǔn)確的分析。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能在上位機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集柜同步監(jiān)視和顯示機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，并以數(shù)值、曲線、圖表等各種形式和監(jiān)測(cè)畫(huà)面，從不同的角度、分層次地顯示出機(jī)組的各種狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能。

4.2 分析診斷功能

分析診斷功能指系統(tǒng)能夠使用一系列軟件工具，隨實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)任務(wù)連續(xù)、自動(dòng)地選取合適的數(shù)據(jù)，進(jìn)行自動(dòng)分析和診斷并給出分析診斷結(jié)果的功能。在線診斷過(guò)程不影響實(shí)時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行，整個(gè)分析過(guò)程系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成而無(wú)需人工操作。在線分析診斷還應(yīng)能周期性的或依賴命令起動(dòng)。分析診斷的結(jié)果應(yīng)能幫助發(fā)包人分析機(jī)組的運(yùn)行狀況以及提前發(fā)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行的異常狀態(tài)和故障。

4.3 試驗(yàn)功能

機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能滿足與本系統(tǒng)相關(guān)的各種現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)整理工作，要求系統(tǒng)應(yīng)支持至少但不限于以下試驗(yàn):甩負(fù)荷和帶負(fù)荷試驗(yàn)、啟停機(jī)試驗(yàn)、效率試驗(yàn)、穩(wěn)定性試驗(yàn)、盤車試驗(yàn)。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4.4 運(yùn)行檢修維護(hù)指導(dǎo)和評(píng)價(jià)功能

機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)機(jī)組各部件運(yùn)行狀態(tài)，利用系統(tǒng)提供的各種分析工具，可以輔助分析異常原因，并根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行檢修。系統(tǒng)還應(yīng)能對(duì)比機(jī)組檢修前后的歷史數(shù)據(jù)，可以直觀評(píng)價(jià)檢修效果，或通過(guò)檢修后的各種機(jī)組常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合評(píng)價(jià)檢修后機(jī)組各部件特性。

4.5 數(shù)據(jù)采集和管理功能

系統(tǒng)應(yīng)具備完備的數(shù)據(jù)采集功能，以保證系統(tǒng)能夠全面準(zhǔn)確地記錄機(jī)組暫態(tài)運(yùn)行和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，提供事故追憶功能，并保證機(jī)組發(fā)生事故時(shí)能夠提供全面完整的數(shù)據(jù)以供事故分析。系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)準(zhǔn)確判定機(jī)組運(yùn)行工況，包括:開(kāi)機(jī)過(guò)程、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程、負(fù)荷波動(dòng)運(yùn)行過(guò)程、停機(jī)過(guò)程、事故停機(jī)過(guò)程/甩負(fù)荷過(guò)程。

4.6 網(wǎng)絡(luò)支持及系統(tǒng)安全功能

系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)安全區(qū)之間的非網(wǎng)絡(luò)方式的安全的數(shù)據(jù)交換，并且保證安全隔離裝置內(nèi)外兩個(gè)處理系統(tǒng)不同時(shí)連通;表示層與應(yīng)用層數(shù)據(jù)完全單向傳輸，即從安全區(qū)III 到安全區(qū)I/II 的TCP 應(yīng)答禁止攜帶應(yīng)用數(shù)據(jù);防止穿透性TCP 聯(lián)接:禁止內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)的兩個(gè)應(yīng)用網(wǎng)關(guān)之間直接建立TCP 聯(lián)接。

5 結(jié)語(yǔ)

水電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)作為狀態(tài)檢修的技術(shù)基礎(chǔ)，正在越來(lái)越多的水電廠得到推廣應(yīng)用。錦屏二級(jí)水電站作為正在建設(shè)中的大型水電站，對(duì)機(jī)組實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)是必然的選擇。為此，在建設(shè)初期就把實(shí)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)納入了計(jì)劃，從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)參數(shù)選取、系統(tǒng)功能定位等方面進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)。由于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與電站建設(shè)同步進(jìn)行，有利于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)規(guī)劃的全面、完整、統(tǒng)一和具有針對(duì)性，便于現(xiàn)場(chǎng)施工安裝調(diào)試，有利于在機(jī)組投產(chǎn)試運(yùn)階段參與完成各項(xiàng)試驗(yàn)和機(jī)組性能評(píng)估，早投入早受益，并為日后的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更好地發(fā)揮作用創(chuàng)造了條件。錦屏二級(jí)水電站實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的思路，可為其它在建大中型電站規(guī)劃、設(shè)計(jì)、選型和實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)提供借鑒。

［1］張正松，傅尚新，馮冠平，等.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量及故障診斷［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1991.

［2］黃德云，漆平，何佳，等.水電廠機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集中監(jiān)控的研究［J］.云南水力發(fā)電，2011，27(6):41-43.

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