亭子口水電站機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成與功能

鄧家東

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

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亭子口水電站機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成與功能

鄧家東

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

介紹亭子口水電站機組在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成，通過機組在線監(jiān)測系統(tǒng)及時掌握機組當(dāng)前運行狀況，提前發(fā)現(xiàn)機組缺陷或故障，確保機組安全穩(wěn)定，為電站實現(xiàn)無人值班，少人值守打下堅實基礎(chǔ)。

在線監(jiān)測 測點布置 振動擺度 機組狀態(tài)評估 亭子口水電站

1 概述

在水輪發(fā)電機組運行過程中，有很多原因都可能造成機組振動和擺度過大甚至超標(biāo)，有時還可能誘發(fā)共振而導(dǎo)致某些部件振動加劇，影響電廠的安全經(jīng)濟運行。對機組運行中的振動情況進行實時的監(jiān)視、測量與分析是減少機組事故，提高維修效率的有效途徑。水輪發(fā)電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)視水輪發(fā)電機組的運行狀態(tài)，有助于準(zhǔn)確診斷異常狀況、及早發(fā)現(xiàn)故障隱患、科學(xué)制定檢修維護計劃，避免被迫停機而造成損失。

亭子口水電站總裝機規(guī)模為1100MW，安裝有4臺單機額定功率為275MW的混流式水輪發(fā)電機組。由于亭子口水電站全年水頭變化較大，且機組的振動區(qū)域大，所以機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運行及采集數(shù)據(jù)的真實性顯得尤為重要。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

亭子口水電站機組振動擺度在線監(jiān)測分析系統(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。整套系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)。

每臺機設(shè)一個機組現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集站，每個數(shù)據(jù)采集站設(shè)備集中組屏，安裝在一標(biāo)準(zhǔn)機柜內(nèi)。數(shù)據(jù)采集站負責(zé)對機組的振動、擺度、壓力脈動、抬機量、彈性油箱下沉量、機組工況參數(shù)等信號進行數(shù)據(jù)采集、處理、分析，以圖形、圖表、曲線等直觀的方式在計算機屏幕顯示器上顯示；同時對相關(guān)數(shù)據(jù)進行特征參數(shù)提取，得到機組狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成機組故障的預(yù)警和報警；并將數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳至狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器，供進一步的狀態(tài)監(jiān)測分析和診斷。

狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲和管理從各數(shù)據(jù)采集箱傳送過來的機組實時狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)及各特征數(shù)據(jù)。由于全廠所監(jiān)測機組的所有狀態(tài)數(shù)據(jù)均需存儲在狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器中，因此狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)該選用高性能大容量的服務(wù)器。狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器還負責(zé)與計算機監(jiān)控系統(tǒng)和GPS的通訊。在狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器上可實現(xiàn)對機組狀態(tài)的監(jiān)測、分析與診斷，并可實現(xiàn)對系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

3 系統(tǒng)組成與功能

3.1 測點布置

3.1.1 機組振動擺度測點布置

根據(jù)亭子口水電站機組特點，其振動擺度在線監(jiān)測分析系統(tǒng)的測點包括機組的振動、擺度、壓力脈動等。測點布置如圖1所示。

圖1 機組測點布置

3.1.2 發(fā)電機氣隙測點布置

發(fā)電機氣隙測點的選擇和布置，取決于機組設(shè)計運行性能、設(shè)備結(jié)構(gòu)特點和機組運行規(guī)律。根據(jù)亭子口水電站機組特點，配置8個氣隙傳感器，在定子上部和下部分別安裝，布置在+X、+Y、-X、-Y方位。其測點布置如圖2所示。

圖2 發(fā)電機氣隙測點布置

3.2TN8000數(shù)據(jù)采集箱配置

TN8000數(shù)據(jù)采集箱是數(shù)據(jù)采集站的核心設(shè)備，主要負責(zé)各種信號的采集、存儲和數(shù)據(jù)處理，并進行實時監(jiān)測和分析；同時對相關(guān)數(shù)據(jù)進行特征參數(shù)提取，得到機組狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成機組故障的預(yù)警；并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器，供進一步的狀態(tài)監(jiān)測分析和診斷。

根據(jù)亭子口水電站機組的測點配置情況，可確定TN8001振動擺度壓力脈動數(shù)據(jù)采集箱的測量模塊配置。包括鍵相模塊1塊(1通道/塊)，擺度模塊1塊(8通道/塊)，振動模塊3塊(8通道/塊)，壓力脈動模塊1塊(8通道/塊)，繼電器輸出模塊1塊(16路/塊)，模擬量輸出模塊1塊(24路/塊)，系統(tǒng)板與存儲板各1塊。

氣隙智能數(shù)據(jù)采集單元為TN8000數(shù)據(jù)采集箱，采集模塊采用空氣間隙測量模塊(2通道/塊)，采集模塊數(shù)量可根據(jù)發(fā)電機空氣間隙的測點配置情況確定。為了監(jiān)測相位及對應(yīng)的磁極位置，系統(tǒng)還需引入一路鍵相信號(同步探頭)，故采集箱還需配置1塊鍵相模塊(1通道/塊)，同時還需配置1塊系統(tǒng)板、1塊存儲板、1塊模擬量輸出模塊、1塊繼電器輸出模塊。

3.3 基于工況的報警和預(yù)警功能

系統(tǒng)報警是一般監(jiān)測系統(tǒng)都具有的功能，即當(dāng)測量得到的參數(shù)超過設(shè)定限值后發(fā)出報警信號。由于水輪發(fā)電機組的運行工況比較復(fù)雜，不同工況下各參數(shù)變化很大，用一個限值來判斷是否報警顯然欠妥，容易產(chǎn)生誤報警和漏報警。本系統(tǒng)將根據(jù)水輪發(fā)電機組的實際運行工況，根據(jù)水頭、負荷、導(dǎo)葉開度等工況將機組運行狀態(tài)分成不同工況，各工況單獨設(shè)定報警值，為機組提供準(zhǔn)確的報警信息。

預(yù)警是指狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測到的有關(guān)參數(shù)的變化，在報警之前提前發(fā)現(xiàn)機組缺陷或故障，給出預(yù)警提示。本系統(tǒng)將采用趨勢預(yù)警和樣本預(yù)警技術(shù)，趨勢預(yù)警指當(dāng)某一參數(shù)在同一工況下變化趨勢大于設(shè)定值后發(fā)出預(yù)警提示，樣本預(yù)警技術(shù)采用海量數(shù)據(jù)比較技術(shù)，將當(dāng)前數(shù)據(jù)與該工況下樣本數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)異常發(fā)出預(yù)警提示。

基于工況的報警和預(yù)警技術(shù)可充分滿足水輪發(fā)電機組運行工況變化頻繁的特點，可以有效實現(xiàn)機組異?，F(xiàn)象的早期預(yù)警提示和故障報警。

TN8000系統(tǒng)自動建立機組在各個運行工況(不同水頭和負荷)下的標(biāo)準(zhǔn)樣本頻譜圖和矢量圖，在通常的一級報警和二級報警的基礎(chǔ)上增加了靈敏的頻譜靶圖報警和矢量靶圖報警，可以及時發(fā)現(xiàn)故障的前期征兆。TN8000提供實時的機組報警信息一覽表，從中可方便瀏覽到機組的報警信息。

所有報警和預(yù)警信息都可以通過系統(tǒng)提供的空接點輸出信號發(fā)送給其它系統(tǒng)。

TN8000系統(tǒng)開發(fā)了報警/預(yù)警平臺，當(dāng)機組出現(xiàn)報警/預(yù)警或系統(tǒng)模塊出現(xiàn)故障時，報警平臺窗口將自動彈出，并以醒目的顏色變化提示相關(guān)人員注意，同時系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)報警信息提供相應(yīng)的處理意見和可能的故障。系統(tǒng)所有報警事件均會自動存儲，用戶可以通過事件列表調(diào)取事件記錄。

發(fā)生報警預(yù)警時，TN8000系統(tǒng)自動對機組進行診斷，并給出處理意見。

3.4 數(shù)據(jù)管理和事故追憶

對狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)存儲和管理策略是需解決的核心技術(shù)。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理通常采用Oracle、SQLServer等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來進行管理，但由于這些關(guān)系型數(shù)據(jù)庫設(shè)計重點在于解決并發(fā)查詢性能上，且數(shù)據(jù)不經(jīng)任何壓縮手段，因此用于存儲狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的大容量數(shù)據(jù)將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫可靠性降低、數(shù)據(jù)讀取、存儲速度較慢及數(shù)據(jù)存儲量較少。實時數(shù)據(jù)庫適合工業(yè)現(xiàn)場擁有大量測點，實時性存儲要求較高場合，因而適用于狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲管理。本系統(tǒng)針對邏輯數(shù)據(jù)庫和進口實時數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點，自主開發(fā)了具有高效壓縮比的InterBase實時數(shù)據(jù)庫，適用于水電機組振動擺度在線監(jiān)測分析系統(tǒng)的大容量數(shù)據(jù)存儲和管理。

TN8000系統(tǒng)提供強大和完備的數(shù)據(jù)庫管理功能,可存儲所有參數(shù)的原始數(shù)據(jù)、特征數(shù)據(jù)及樣本數(shù)據(jù)。由于TN8000系統(tǒng)采用的實時數(shù)據(jù)庫具有高效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，可以長期存儲機組穩(wěn)態(tài)、過渡過程數(shù)據(jù)及高密度錄波數(shù)據(jù)，提供黑匣子記錄功能，可以毫秒級速度記錄機組出現(xiàn)異常信息前后的完整數(shù)據(jù)，確保機組發(fā)生事故時能提供完整、詳盡的數(shù)據(jù)供分析診斷。

由于采用了高效壓縮技術(shù)，TN8000系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可保留最近2個月內(nèi)的所有原始數(shù)據(jù)以及最近4年內(nèi)經(jīng)過壓縮的原始數(shù)據(jù)，存儲間隔為不間斷存儲，可最大限度地保證機組所有歷史信息不丟失。上述歷史數(shù)據(jù)的保存時間，還可以根據(jù)現(xiàn)地服務(wù)器的硬盤容量和機組運行特性定制。

黑匣子數(shù)據(jù)庫記錄最新1000次事故前后的詳細原始數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)，存儲間隔為不間斷存儲，存儲數(shù)據(jù)時間為事件發(fā)生前后30分鐘。另外，在歷史數(shù)據(jù)庫中，用戶還可以找到一個月內(nèi)所有異常數(shù)據(jù)的連續(xù)記錄，從而可以分析更長時間段內(nèi)事故數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

在開停機過程、變負荷/甩負荷過程、系統(tǒng)波動過程和勵磁試驗過程中，過渡過程數(shù)據(jù)庫存儲機組的所有原始數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)，系統(tǒng)均可連續(xù)高密度采集過渡，并可進行回放和分析。

樣本數(shù)據(jù)庫用于存儲機組大修前后的原始數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)、機組發(fā)生典型故障前后的原始數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)、在不同工況下機組正常運行時的標(biāo)準(zhǔn)原始數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)，供機組狀態(tài)評估和故障診斷使用。

3.5 故障診斷專家系統(tǒng)

針對水輪發(fā)電機組的運行狀態(tài)，TN8000系統(tǒng)提供了一套分析診斷的專家系統(tǒng)，能對水輪機、發(fā)電機和主變等多設(shè)備進行故障診斷。該系統(tǒng)是在總結(jié)華北電科院幾十年來在水輪機、發(fā)電機、變壓器等設(shè)備故障的研究和現(xiàn)場經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合清華大學(xué)流體機械與工程研究所(原水輪機教研室)、各大電機制造廠及部分水機專家長期以來在水電機組故障診斷方面的研究成果，開發(fā)研制的。當(dāng)機組發(fā)生預(yù)警報警時，系統(tǒng)自動調(diào)用故障診斷系統(tǒng)進行診斷，并形成故障診斷分析報告。

對水輪機組的故障診斷來說，除了要建立一套先進完備的診斷模型外，更重要的是要建立一套有針對性的故障診斷知識庫。我們提供的故障診斷知識庫融合了ISO、IEC、GB等國內(nèi)外有關(guān)水輪發(fā)電機組性能指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)。同時，我們還將把電站主設(shè)備供貨廠商在合同中提供的性能保證值融入故障診斷知識庫中，充分發(fā)揮項目組成員長期以來從事水輪機組研究的理論知識和實踐經(jīng)驗，廣泛吸收國內(nèi)外專家的智慧和經(jīng)驗。特別是亭子口水電站實際運行的寶貴經(jīng)驗，建立一套適合亭子口水電站機組特點的故障診斷知識庫，為亭子口水電站機組狀態(tài)檢修創(chuàng)造條件。根據(jù)亭子口水電站實際運行的情況，以及各種針對機組性能的試驗結(jié)果，不斷補充和完善我們的知識庫。

TN8000系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)知識庫涵蓋下列故障：發(fā)電機質(zhì)量不平衡；磁拉力不平衡；水力不平衡；渦帶激振；壓力脈動過大；大軸彎曲或不對中；三導(dǎo)軸承同心；支撐部件松動或剛度不足；導(dǎo)軸承間隙調(diào)整不當(dāng)；導(dǎo)軸承軸瓦磨損；推力軸承潤滑不良；導(dǎo)軸承潤滑不良；轉(zhuǎn)動部件摩擦；彈性油箱下沉；導(dǎo)水部件故障；發(fā)電機定子鐵芯松動；發(fā)電機線棒松動；發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路；發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極伸長；發(fā)電機定子絕緣惡化；發(fā)電機定轉(zhuǎn)子不圓；發(fā)電機三相電流不平衡等。

4 小結(jié)

在水輪發(fā)電機運行過程中，有很多原因都可能造成機組振動和擺度過大甚至超標(biāo)，嚴(yán)重時危及機組甚至電站的安全。在目前尚無法徹底解決水力機組振動的問題的情況下，水輪發(fā)電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)可以對機組振動情況進行實時監(jiān)測，利用專門的信號分析與處理軟件對所測數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，可以為我們尋找和研究機組振動的原因，對機組故障進行及時預(yù)測和故障診斷提供可靠的分析依據(jù)，從而避免故障的發(fā)生或?qū)崿F(xiàn)機組的安全可靠運行。

〔1〕魏 然.水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究[D].西安理工大學(xué)，2001.

〔2〕潘羅乎，桂中華.水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2008.

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2095-1809(2015)06-0054-03

鄧家東(1984-)，男，廣西上林縣人，本科，助理工程師，從事水電站機組檢修與維護。