水電站機組智能盤車系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

劉潤根，楊 虹，李 輝，白 亮，張宇飛

（1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計院，江西 南昌 330029；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；4.西安拓銳電氣技術(shù)有限公司，陜西 西安 710075）

水電站機組智能盤車系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

劉潤根1，楊 虹2，李 輝3，白 亮3，張宇飛4

（1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計院，江西 南昌 330029；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；4.西安拓銳電氣技術(shù)有限公司，陜西 西安 710075）

針對傳統(tǒng)人工盤車精度差、耗時長、缺乏精確調(diào)整方法的缺陷，提出了一種能夠自動連續(xù)測量、智能生成盤車調(diào)整方案的水電機組智能盤車系統(tǒng)。隨后論述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理以及其數(shù)據(jù)處理平臺的功能。在白云山水電站以國家標準進行了盤車試驗，結(jié)果證明該系統(tǒng)具有通用性好、方便靈活、智能化高的特點，適合在水電站及檢修公司推廣應(yīng)用。

盤車系統(tǒng)；水電機組；檢修

中國水電系統(tǒng)經(jīng)過近20年的快速發(fā)展，現(xiàn)在水電裝機總?cè)萘恳呀?jīng)超過了2億kW，建成大中小水電站超過了4.5萬座［1］。水電機組是水電廠的關(guān)鍵設(shè)備，機組運行狀態(tài)的好壞直接影響水電廠的安全運行［2］。水電機組盤車是調(diào)整水輪機軸與發(fā)電機軸軸線的過程，在水電站大修過程中，盤車的時間和精度對于大修質(zhì)量和大修時間影響巨大。隨著越來越多水電機組的投運，自動化盤車系統(tǒng)［3-4］大量應(yīng)用于機組檢修。但這些盤車系統(tǒng)僅解決了自動轉(zhuǎn)動問題，并不能提高盤車的速度與工藝，且已有自動化盤車系統(tǒng)造價高、維護復(fù)雜，無法得到很好應(yīng)用［5-7］。

為了提高盤車的準確與適用性，文獻［8］提出了一種基于改進遺傳算法提取正弦信號參數(shù)的求解方法。該方法通過遺傳算法實現(xiàn)了連續(xù)采樣數(shù)據(jù)的正弦擬合，突破了傳統(tǒng)等角8點盤車的局限，但在實際盤車中并非所有盤車數(shù)據(jù)都能呈現(xiàn)正弦曲線，通過數(shù)據(jù)擬合可能出現(xiàn)對盤車中高點位置判斷不準的情況。文獻［9］建立了任意角盤車擺度公式，通過計算機對盤車數(shù)據(jù)進行處理及擬合，并在云峰發(fā)電廠進行了應(yīng)用。該方法不依靠8點定位，而是通過連續(xù)測量擬合構(gòu)成正弦曲線，多次測量后選擇1條接近正弦曲線的實測值作為盤車數(shù)據(jù)。但該方法在實際盤車中需多次測量，忽略了盤車實際條件且無法指導(dǎo)盤車的調(diào)整，現(xiàn)場適應(yīng)性較差。

本文從水電站機組盤車的實際情況出發(fā)，研究了自動測量以及自動出具調(diào)整方案的方法，開發(fā)出一種實用的智能盤車系統(tǒng)。系統(tǒng)采用先進的傳感器與快速采集裝置完成不停點盤車測量，計算機自動記錄數(shù)據(jù)并自動出具盤車調(diào)整方案。通過白云山水電站1號機組盤車試驗，效果良好，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

1 機組盤車軸線處理調(diào)整方式與計算

1.1 軸線調(diào)整方式水輪發(fā)電機組軸線的調(diào)整通常采用在推力頭與鏡板之間加銅或鋼墊、刮削推力頭與鏡板之間絕緣墊、中間聯(lián)軸法蘭面之間加銅或鋼墊和刮削中間聯(lián)軸法蘭接觸面四種方式［10］。（1）推力頭與鏡板之間加墊。此種調(diào)整方式操作簡單、易行，速度快，修正量易掌握，反復(fù)調(diào)整次數(shù)少，節(jié)省調(diào)整時間。但在推力頭與鏡板之間加金屬墊，易破壞推力頭與鏡板之間的絕緣，當發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣下降時，推力瓦與鏡板之間極易形成軸電流，造成推力瓦燒蝕或潤滑油變質(zhì)。另外，金屬墊與鏡板之間接觸面小，易引起鏡板變形。（2）刮削推力頭與鏡板之間絕緣墊。此種調(diào)整方式安全、可靠、易行。但調(diào)整速度慢，修正量不易掌握，需反復(fù)多次調(diào)整，對調(diào)整人員業(yè)務(wù)素質(zhì)要求高。此種調(diào)整方式較為常見。（3）中間聯(lián)軸法蘭面之間加銅或鋼墊。此種調(diào)整方式操作簡單、易行，速度快，修正量易掌握，反復(fù)調(diào)整次數(shù)少，節(jié)省調(diào)整時間。此種調(diào)整方式也較常見。（4）刮削中間聯(lián)軸法蘭接觸面。此種調(diào)整方式操作難度大，速度慢，需專用設(shè)備，修正量不易掌握。一般不采用此種調(diào)整方式。

1.2 軸線調(diào)整計算不論總軸線曲折情況如何，只要法蘭及水導(dǎo)處擺度均符合規(guī)定即可。如果軸線曲折小，而擺度較大，可采用刮削推力頭底面或絕緣墊的方法綜合調(diào)整；若采用上述方法調(diào)整仍達不到要求時，才處理法蘭結(jié)合面［11-12］。

水導(dǎo)軸頸處的傾斜值:

式中：Jca為水導(dǎo)軸頸處的傾斜值，mm；Φc為水導(dǎo)處的全擺度值，mm；Φa為上導(dǎo)處的全擺度值，mm；Φca為水導(dǎo)處的凈擺度值，mm。

（1）刮削推力頭或絕緣墊底面的最大厚度：

式中：δ為推力頭或絕緣墊最大刮削厚度，mm；L為上導(dǎo)測點至法蘭測點的距離，mm；L1為水導(dǎo)測點至法蘭測點的距離，mm；L2為上導(dǎo)測點至水導(dǎo)測點的距離，mm。

（2）處理法蘭結(jié)合面時，需刮削或加墊的最大厚度：

式中：δφ為法蘭結(jié)合面應(yīng)刮削或墊入的最大厚度，mm；Jc為由法蘭結(jié)合面與軸線不垂直造成水導(dǎo)處的曲折傾斜值，mm；Dφ為法蘭盤直徑，mm；Jcba為按法蘭處傾斜值成比例放大至水導(dǎo)處的傾斜值，mm；Jca為法蘭處實際傾斜值，mm。

δφ為正值時，該點法蘭處應(yīng)加金屬墊，或在它對側(cè)刮削法蘭面；δφ為負值時，則相反。

2 智能盤車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦組成。傳感器是測量部件，用以替換傳統(tǒng)盤車的百分表，一般選用非接觸式電渦流傳感器；采集裝置主要用于將傳感器信號變成數(shù)字信號，完成信號的調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換。筆記本電腦是系統(tǒng)的控制中樞和分析計算中樞，用于盤車數(shù)據(jù)的分析計算，仿真模擬，以及出具調(diào)整方案等。

2.1 傳感器布置傳感器采用電渦流傳感器，該根據(jù)檢測線圈與被測導(dǎo)體之間的渦流效應(yīng)原理進行測量，和傳統(tǒng)百分表測量相比，具有非接觸測量、精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點。

在系統(tǒng)中需要配置7只電渦流傳感器，其中6只為測量傳感器，1只為角度傳感器。6只傳感器中3只作為X方向傳感器，放置軸瓦軸頸處并在機組1點方向，另外3只作為對照，并設(shè)置為Y方向，發(fā)安置放置軸瓦軸頸處并在機組3點方向。

2.2 數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用8通道數(shù)據(jù)同步采樣系統(tǒng)，保證被測部位數(shù)據(jù)同步，采樣精度為16位AD采樣，同時使用差分輸入方式減少干擾信號對采集系統(tǒng)的干擾，采集系統(tǒng)通過軟件定時采樣，采樣頻率為512 Hz，這樣既保證了實時性又保證了CPU采樣的準確性。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括放大器、濾波器等在內(nèi)的信號調(diào)理電路和包括多路模擬開關(guān)、采樣/保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及接口控制邏輯電路的數(shù)據(jù)采集卡組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多路模擬開關(guān)可以分時選通來自多個輸入通道中的某一路通道，讓這些信號共享采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換等器件。多路模擬開關(guān)在控制信號作用下，按指定的次序把各路模擬信號分時地送到A/D轉(zhuǎn)換（ADC）成數(shù)字信號。

該系統(tǒng)要求采集傳感器時應(yīng)采用同步采樣，但是用同步采樣需要8塊AD采樣芯片，同時控制電路也很復(fù)雜。在實現(xiàn)時有較大難度，本文采用一塊AD采樣芯片，兼顧同步性采用了分組采集（偽同步采集）方式。

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理平臺數(shù)據(jù)分析與處理平臺安裝在現(xiàn)場筆記本中，是整個系統(tǒng)的核心。該平臺主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果計算、報表輸出，同時可以配置單盤、連盤、手動與自動盤車。

數(shù)據(jù)分析與處理平臺采用DELPHI2006系統(tǒng)編制，該系統(tǒng)主要有如下功能：

盤車圖功能。盤車圖功能是主界面，它表達了原始盤車數(shù)據(jù)記錄情況與盤車時的配置信息，在盤車過程中起到監(jiān)視數(shù)據(jù)作用。它具備實時顯示傳感器數(shù)據(jù)，加載和保存盤車數(shù)據(jù)功能，其界面如圖2所示。

圖2 盤車圖功能

盤車表功能。盤車表主要用于配合電廠記錄數(shù)據(jù)的習(xí)慣，對盤車后數(shù)據(jù)進行表格化處理，與電廠盤車記錄表格一致，界面如圖3所示。

圖3 盤車表功能

（3）盤車軸線圖顯示。盤車軸線圖主要用于將測量數(shù)據(jù)通過計算繪制成空間軸線圖，用于表達機組軸線傾斜方向與傾斜程度，為軸線調(diào)整提供依據(jù)。其程序截圖如圖4所示。

圖4 盤車軸線圖

（4）調(diào)整方案功能。通過數(shù)據(jù)與式（2）、式（3），可以計算出本次推力頭和法蘭的調(diào)整方位以及調(diào)整量，該功能主要用于軸線調(diào)整決策以及刮削絕緣墊的方法和大小，其界面如圖5所示。

（5）仿真調(diào)整功能。由于在以上調(diào)整方案中是通過理論計算得到的調(diào)整量，其目的是將機組發(fā)電機軸與水輪機軸調(diào)整為一條直線，并與中軸線重合，但在實際盤車中很難達到這種理想的狀態(tài)，在盤車國家標準中只要求法蘭擺度與水導(dǎo)擺度在合理的范圍之內(nèi)即可，該系統(tǒng)開發(fā)了仿真調(diào)整功能，通過軟件進行模擬仿真盤車，在軟件上進行盤車調(diào)整模擬以代替實際的盤車調(diào)整嘗試，這樣可以減少盤車次數(shù)與大量的人工勞動，界面如下圖6所示。

3 白云山一級水電站智能盤車應(yīng)用

圖5 調(diào)整方案界面

圖6 仿真調(diào)整功能

3.1 電站及機組盤車參數(shù)簡介白云山一級水電站位于江西省吉安市青原區(qū)富田鎮(zhèn)，屬長隧洞引水式發(fā)電站，電站安裝有兩臺單機容量6.5 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機組，裝機容量 13 MW，機組設(shè)計流量 15.8 m3/s，電站首臺機組 1978年并網(wǎng)發(fā)電。其1號機組盤車參數(shù)如表1所示。

3.2 盤車準備在上導(dǎo)軸頸及下導(dǎo)處沿著圓周劃8等分線，并順次標好對應(yīng)標號。調(diào)整推力瓦受力，使鏡板處于水平狀態(tài)。在上導(dǎo)軸頸、下導(dǎo)軸頸，水導(dǎo)軸頸處，X方向和Y方向各安裝一只傳感器。系統(tǒng)在使用傳感器前，要進行率定，將率定值配置到采集系統(tǒng)中。

3.2 第1次盤車數(shù)據(jù)與調(diào)整盤車數(shù)據(jù)如表2所示。系統(tǒng)自動給出的機組總軸線如圖7所示。系統(tǒng)自動給出的調(diào)整方案如圖8所示。

3.3 第2次盤車數(shù)據(jù)與調(diào)整在第1次盤車測量中發(fā)現(xiàn)發(fā)電機軸嚴重不合格（標準值為8絲），水輪機軸合格，系統(tǒng)建議調(diào)整方案為在3點調(diào)整2.8，2點調(diào)整2.5，1點調(diào)整1.3。通過系統(tǒng)手工模擬并結(jié)合建議調(diào)整方案，決定在2、3點推力頭刮削1.5絲，進行第2次盤車。此次盤車結(jié)果并不理想，僅僅比第1次盤車法蘭最大值小5絲，從數(shù)據(jù)來看下導(dǎo)全擺度數(shù)據(jù)都為正值，說明機組鏡板并不水平，造成推力頭刮削效果不好。因此對推力瓦進行調(diào)整，由于數(shù)據(jù)根據(jù)X方向得出，且為正值，說明機組在盤車過程中偏向X方向，故提高X方向推力瓦高度2絲，之后進行第3次盤車。

表1 白云山一級水電站1號機組盤車參數(shù)

表2 第一次盤車數(shù)據(jù)

圖7 盤車機組軸線圖

圖8 調(diào)整方案

3.4 第3次盤車數(shù)據(jù)與調(diào)整第3次盤車結(jié)果水導(dǎo)軸頸處最大傾斜值為21，法蘭實際最大值為8，均合乎國標。從本次盤車的結(jié)果來看，雖然鏡板的水平仍然有一定的傾斜，但盤車結(jié)果已經(jīng)滿足了國標的要求。

4 結(jié)論

本文著重論述了智能盤車系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并通過對白云山一級水電站1號機組盤車試驗驗證了系統(tǒng)的適用性，準確性和有效性。通過本系統(tǒng)可迅速準確的得到盤車數(shù)據(jù)，自動提供機組盤車調(diào)整方案，減少了盤車工作量，提高工作效率。本文有如下結(jié)論：（1）傳感器采用電渦流傳感器，該根據(jù)檢測線圈與被測導(dǎo)體之間的渦流效應(yīng)原理進行測量，和傳統(tǒng)百分表測量相比，具有非接觸測量、精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點。（2）傳統(tǒng)盤車采用8點百分表測量方式，要求機組在測量周期內(nèi)必須一點一停記錄數(shù)據(jù)，頻繁停啟尤其是采用機械絞盤或電動盤車時，較大的沖擊力矩會使機組產(chǎn)生瞬時位移導(dǎo)致機組盤車測量的誤差。本系統(tǒng)由于采用了自動測量，在機組大軸上標記了8鍵相塊，這樣機組在盤車測量過程中不需要每點一停，當通過機組轉(zhuǎn)動通過鍵相塊時，系統(tǒng)會自動采集并記錄數(shù)據(jù)，避免了以上問題。（3）本系統(tǒng)同時給出理想盤車方案，目的是將發(fā)電機軸和水輪機軸調(diào)成一條直線，但在現(xiàn)場使用過程中發(fā)現(xiàn)此方法雖然計算準確但無法將水輪機組盤至一條直線的效果，尤其在盤車后期調(diào)整幅度不大的情況下，可能會出現(xiàn)調(diào)整過頭的情況。因此結(jié)合盤車國家標準，開發(fā)了手動模擬盤車，通過在軟件上的拖拉的方式將水輪機軸和發(fā)電機軸拉至國家標準，同時系統(tǒng)可以自動輸出調(diào)整的方位和調(diào)整幅度，這樣可以減少不必要的調(diào)整。（4）盤車前機組條件應(yīng)滿足檢修要求，尤其是推力瓦水平要求，該系統(tǒng)在盤車過程中能通過測量計算全擺度發(fā)現(xiàn)推力瓦不水平的情況，并在本次盤車試驗中得到的驗證。

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Design and application of intelligent barring system for hydro-generating unit

LIU Rungeng1，YANG Hong2，LI Hui3，BAI Liang3，ZHANG Yufei4
（1.Jiangxi Provincial Water Conservancy Planning and Design Institute，Nanchang 330029，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；3.Institute of Water Resources＆Hydropower Engineering，Xi'an University of Technology，Xi’an 710048，China；4.Xi’an Tuorui Electrical Tecnology Co.，Ltd，Xi’an 710075，China；）

For the existing problems such as poor measuring precision，long time consumption and lack of precise adjustment ways in the traditional manual barring method.An intelligent barring system is pro?posed，which is capable of measuring automatically and continuously，and generating adjustment plan by it?self.In this paper，the structure，the principle and the function of data-processing platform are discussed. A relevant test has been implemented in Baiyunshan hydropower station.The result shows that this pro?posed barring system has the features of high generality，flexibility，convenience and high intelligence，practical proofs that the system is suitable for the hydropower station and maintenance company.

barring system；hydro-generating unit；maintenance

TV738

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.01.012

1672-3031（2015）01-0074-07

（責任編輯：韓 昆）

2014-10-28

國家自然科學(xué)基金項目（51209172）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（2010JK730）

劉潤根（1963-），男，江西人，高級工程師，主要從事水力機械設(shè)計研究。E-mail：jsjzx@jxsly.com