機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在抽水蓄能電廠的應(yīng)用

楊夢起，李政柯

（1.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000）

機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在抽水蓄能電廠的應(yīng)用

楊夢起1，李政柯2

（1.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000）

分別介紹了兩個(gè)抽水蓄能電廠機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)瑞士Vibro-Meter公司的VM600系統(tǒng)和丹麥ROVSING Dynamics A/S公司開發(fā)的OPENpredictorTM故障預(yù)警系統(tǒng)，首先對兩套系統(tǒng)的基本情況進(jìn)行了介紹，然后從測點(diǎn)布置、硬件性能、軟件功能以及人機(jī)交互界面等共4個(gè)方面對兩套系統(tǒng)進(jìn)行了比較，希望對其他電廠選擇振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)有所幫助。

振動；狀態(tài)監(jiān)測；VM600系統(tǒng)；OPENpredictorTM系統(tǒng)

1 概述

隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，由于受地區(qū)水力資源的限制，電網(wǎng)缺少經(jīng)濟(jì)的調(diào)峰手段，電網(wǎng)調(diào)峰矛盾日益突出，建設(shè)抽水蓄能電站以解決火電為主電網(wǎng)的調(diào)峰問題逐步形成共識。抽水蓄能機(jī)組具有起停頻繁、水頭高、工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜及輸水系統(tǒng)中存在雙向水流等特點(diǎn)，故對其運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測尤為重要。反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的物理量除了溫度、轉(zhuǎn)速、定子電壓電流和勵(lì)磁電壓電流之外，還包括振動、擺度和壓力脈動等，同其他大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械一樣，振動也是蓄能機(jī)組最常見的故障表現(xiàn)形式，是影響設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，約有60%以上的設(shè)備故障或事故都在振動信息上有所反映，而在水電機(jī)組故障或事故處理中此種誘因約為80%，如果能在機(jī)組出現(xiàn)早期故障征兆時(shí)立即采取果斷措施，防止故障或者事故的發(fā)生，則可避免造成重大的設(shè)備破壞和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，主機(jī)設(shè)備作為蓄能電站最關(guān)鍵的重大設(shè)備，選用切實(shí)有效的振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對保障發(fā)電機(jī)組設(shè)備安全及穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有積極的意義。

2 蓄能電廠振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)介紹

A、B兩個(gè)蓄能電廠都非常重視機(jī)組振動的監(jiān)測和分析。A蓄能電廠自20世紀(jì)90年代就與高校、科研機(jī)構(gòu)合作研發(fā)了機(jī)組軸系振動監(jiān)測系統(tǒng)，隨后選用瑞士Vibro-Meter公司的VM600系統(tǒng)作為機(jī)組振動保護(hù)裝置并使用至今，在確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行方面效果顯著。B蓄能電廠采用了丹麥ROVSING Dynamics A/S公司開發(fā)的OPENpredictorTM故障預(yù)警系統(tǒng)，既可查看測量各部位的分析圖譜，也可在報(bào)警列表中查看報(bào)警的位置、級別、類型和圖譜等信息。

2.1 A蓄能電廠

A蓄能電廠Ⅰ期、Ⅱ期機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)采用的瑞士Vibro-Meter公司VM600機(jī)器保護(hù)、狀態(tài)和性能監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱“VM600系統(tǒng)”），主要包括機(jī)器保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測等兩大功能，其拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 A蓄能電廠VM600狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱D

每臺機(jī)組VM600系統(tǒng)硬件組成主要包括框架（用于安裝、連接模塊卡件等）1個(gè)、機(jī)器保護(hù)模塊MPC4+IOC4T模塊4對、狀態(tài)監(jiān)測模塊CMC16+IOC16T模塊1對、中央處理單元CPU M+IOC N模塊1對以及電源2個(gè)。

VM600系統(tǒng)提供了3種數(shù)據(jù)分析模式，即實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、歷史數(shù)據(jù)分析和瞬態(tài)分析。

2.1.1 A蓄能電廠Ⅰ期

Ⅰ期4臺機(jī)組分別配備一套VM600振動監(jiān)測子系統(tǒng)，通過交換機(jī)將進(jìn)行初級處理過的數(shù)據(jù)送至廠房中控室內(nèi)一臺服務(wù)器，使用VM600上位機(jī)軟件可查看數(shù)據(jù)波形、圖譜等。Ⅰ期機(jī)組測點(diǎn)布置如表1所示，使用兩種類型傳感器：Vibro-Meter電渦流位移傳感器和加速度傳感器，傳感器與其前置器成套使用，即電渦流位移傳感器TQ 402與其前置器IQS 452、加速度傳感器CA201與其前置器IPC 704。表1給出了Ⅰ期機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)布置說明。

表1 A蓄能電廠Ⅰ期機(jī)組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)布置

2.1.2 A蓄能電廠Ⅱ期

同樣，Ⅱ期4臺機(jī)組分別配備了一套VM600振動監(jiān)測子系統(tǒng)。Ⅱ期使用的振動傳感器為Vibro-Meter電渦流位移傳感器（TQ402、TQ407）和加速度傳感器（CE310、CE680）。表2給出了Ⅱ期機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)布置說明。

表2 A蓄能電廠Ⅱ期機(jī)組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)布置

A蓄能電廠Ⅰ期、Ⅱ期振動監(jiān)測系統(tǒng)中鍵相傳感器采用TQ402電渦流傳感器，主要通過檢測焊接在發(fā)電機(jī)上端軸圓周上的一塊凸片，發(fā)出脈沖信號到振動分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組鍵相的測量。表3給出了A蓄能電廠機(jī)組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)傳感器主要參數(shù)及配套。

表3 A蓄能電廠機(jī)組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)傳感器參數(shù)及配套

2.2 B蓄能電廠

B蓄能電廠采用丹麥ROVSING Dynamics A/S公司開發(fā)的OPENpredictorTM故障預(yù)警系統(tǒng)對機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，其控制盤柜布置在發(fā)電機(jī)層，與機(jī)組RTU盤柜放置在一起。每臺機(jī)組分別配備一套振動監(jiān)測子系統(tǒng)。

OPENpredictorTM系統(tǒng)硬件組成單元包括信號處理單元SPU、通訊處理模塊、通信處理器串口工具、8通道信號處理模塊、電源適配器模塊、UPS單元、交換機(jī)和現(xiàn)地工作站。其拓?fù)鋱D如圖2所示，由此可以看出其結(jié)構(gòu)與A蓄能電廠AVM600系統(tǒng)基本一樣。

圖2 B蓄能電廠OPENpredictorTM故障預(yù)警系統(tǒng)拓?fù)鋱D

除對機(jī)組軸系振動量進(jìn)行監(jiān)測之外，OPENpredictorTM系統(tǒng)中寄存器還從機(jī)組Alspa系統(tǒng)中接入了28個(gè)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，分別為機(jī)組狀態(tài)、流量（水泵和水輪機(jī)工況）、導(dǎo)葉開度、上下游水位、有功、無功、定子電壓與電流、勵(lì)磁電壓與電流、功率因數(shù)、推力軸承瓦溫、上導(dǎo)軸承瓦溫、下導(dǎo)軸承瓦溫、水導(dǎo)軸承瓦溫、上導(dǎo)/推力軸承冷卻水溫度、下導(dǎo)軸承冷卻水溫度、上導(dǎo)/推力軸承油溫、下導(dǎo)軸承油溫、水導(dǎo)軸承油溫、水導(dǎo)軸承油位等。

B蓄能電廠8臺OPENpredictorTM狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的測點(diǎn)布置（表4）完全相同，共使用2種類型振動傳感器，分別是Vibro-Meter電渦流位移傳感器和速度型傳感器，傳感器與其前置器配套使用，即電渦流位移傳感器TQ402及其前置器IQS452和速度傳感器CV210及其前置器IVC632。

表4 B蓄能電廠機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)布置

在OPENpredictorTM系統(tǒng)軟件模擬圖中可實(shí)時(shí)查看機(jī)組運(yùn)行過程中的各種狀態(tài)參數(shù)以及各監(jiān)測部位的振動值，而且可以利用系統(tǒng)工具條中的瀏覽器或者模擬圖將希望查看的測點(diǎn)加載到繪圖管理器中，查看測點(diǎn)的波形圖、趨勢圖、SMAX圖、散點(diǎn)圖、軸心軌跡、自頻譜分析圖、OTA圖、CPB圖以及瀑布圖。

根據(jù)每個(gè)測點(diǎn)組態(tài)的分析方法不同，各通道對數(shù)據(jù)采集與處理的參數(shù)配置也不相同。在OPENpredictorTM系統(tǒng)中，信號分析與處理的算法都被固化在SPU硬件中，所有的傳感器信號在SPU中進(jìn)行處理和計(jì)算，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過處理之后的帶有故障特征的信號，所以數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)或者信號也叫特征信號。數(shù)據(jù)分析并不是一個(gè)實(shí)時(shí)的過程，而是每隔一定時(shí)間分析一次，這個(gè)時(shí)間間隔是精調(diào)時(shí)根據(jù)綜合數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)效果來確定的。

3 振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的比較

3.1 測點(diǎn)布置

與常規(guī)水電機(jī)組一樣，抽水蓄能機(jī)組振動監(jiān)測也分為絕對振動和相對振動監(jiān)測，也稱為軸向振動（瓦振）和軸承座振動（殼振），A蓄能電廠Ⅰ、Ⅱ期和B蓄能電廠振動傳感器的布置基本相同，均兼顧到重要部位相對振動和絕對振動的測量，對各導(dǎo)軸承擺度和軸承座振動、承重機(jī)架的垂直方向進(jìn)行了全面的監(jiān)測。

GB/T 7894-2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》表13中規(guī)定了在定子機(jī)座和定子鐵芯處設(shè)置傳感器，分別用以監(jiān)測定子機(jī)座和定子鐵芯的水平、垂直方向振動。此外，可考慮將壓力脈動（蝸殼進(jìn)口、頂蓋與轉(zhuǎn)輪間、無葉區(qū)、尾水管錐管出口）和發(fā)電機(jī)空氣間隙等內(nèi)容納入監(jiān)測范圍，以便更全面地對機(jī)組的健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測與評估。

3.2 硬件性能

一套振動監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)劣關(guān)鍵在于信號采集和處理系統(tǒng)的采樣速度、分辨率、精度、信號處理速度和抗干擾能力等指標(biāo)。兩套系統(tǒng)都采用模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高速、并行、同步數(shù)據(jù)采樣，信號采集和處理都在硬件中實(shí)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)處理精度和計(jì)算速度都很優(yōu)秀。VM600系統(tǒng)和OPENpredictorTM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊的基本參數(shù)如表5所示。

表5 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊性能[2，3]

3.3 軟件功能

3.3.1 頻率和幅值范圍

GB/T 11348.5-2008《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組》4.3中規(guī)定了測量設(shè)備應(yīng)該達(dá)到的頻率范圍和幅值范圍：

測量設(shè)備的頻率范圍應(yīng)該適合水力機(jī)械轉(zhuǎn)軸振動較寬的激勵(lì)譜。它應(yīng)該從機(jī)器額定轉(zhuǎn)速頻率的1/4到水斗或葉片過流頻率的2倍。

測量系統(tǒng)的幅值范圍至少應(yīng)該是主要區(qū)域A-B和區(qū)域C-D之間界限值的4倍，以便能精確檢測瞬態(tài)運(yùn)行工況下的振動。

A、B蓄能電廠機(jī)組額定轉(zhuǎn)速均為500r/min（轉(zhuǎn)頻8.133Hz），其中，A電廠Ⅰ期轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為7，Ⅱ期轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9；B電廠轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9。各狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)頻率和幅值范圍設(shè)置見表6。

表6 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)頻率和幅值范圍設(shè)置

3.3.2 瞬態(tài)分析功能

A蓄能電廠VM600系統(tǒng)可以直接查看機(jī)組啟停機(jī)過程中各通道信號的數(shù)據(jù)分析圖譜，且啟機(jī)（RUN UP）和停機(jī)（RUN DOWN）過程數(shù)據(jù)已經(jīng)由系統(tǒng)自動進(jìn)行截取和存儲，用戶只需選擇感興趣的時(shí)刻，即可直接查看相應(yīng)的圖譜。

B蓄能電廠OPENpredictorTM系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)數(shù)據(jù)（機(jī)組啟停機(jī)過程等）查看，可在對機(jī)組狀態(tài)（或工況）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析參數(shù)配置時(shí)，設(shè)置有效的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔以看到信息完整、內(nèi)容豐富的圖譜。

3.3.3 與其他監(jiān)測系統(tǒng)的整合

A蓄能電廠VM600系統(tǒng)僅包括振動量的監(jiān)測，B蓄能電廠OPENpredictorTM系統(tǒng)除對機(jī)組軸系振動量進(jìn)行監(jiān)測之外，還引入了機(jī)組狀態(tài)參數(shù)、定轉(zhuǎn)子電壓與電流量、有功功率與無功功率、上下游水位以及軸承溫度量等物理量，對進(jìn)行機(jī)組振動特性分析來說更加方便。實(shí)際上，VM600系統(tǒng)具備引入其他量的模塊和功能，現(xiàn)階段A蓄能電廠僅引入了有功功率過程量。

3.4 人機(jī)交互界面

VM600系統(tǒng)、OPENpredictorTM系統(tǒng)都具有比較友善的人機(jī)交互界面，都能實(shí)時(shí)查看各測量部位的振動值，并能及時(shí)查詢機(jī)組歷史報(bào)警信息。

對于VM600系統(tǒng)，只需依次選擇數(shù)據(jù)分析模式、測點(diǎn)與分析方法，導(dǎo)入并選擇所需的時(shí)間段即可繪制出時(shí)域波形和頻譜圖，對各種工況下機(jī)組重要部位表現(xiàn)出來的頻譜特性展開研究。VM600系統(tǒng)事件查看器可以直接定位到VM600卡件代碼以及某臺機(jī)組的某個(gè)測點(diǎn)輸出。

OPENpredictorTM系統(tǒng)可以通過樹狀瀏覽器根據(jù)需要選定某些測點(diǎn)的分析方法，在自動打開的繪圖管理器中對顯示模式、時(shí)段和機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，在快捷工具欄中選擇相應(yīng)的分析圖標(biāo)即可顯示對應(yīng)的圖譜。利用其系統(tǒng)工具條中的運(yùn)行和維護(hù)查看器可以查看報(bào)警信息，幫助運(yùn)行人員判斷報(bào)警產(chǎn)生的位置和危害級別，及時(shí)通知維護(hù)人員，利用狀態(tài)監(jiān)測手段在設(shè)備缺陷和故障發(fā)展前期做出干預(yù)，提高機(jī)組的可靠性和可利用率。

4 結(jié)語

結(jié)合多年的運(yùn)行情況來看，VM600系統(tǒng)和OPENpredictorTM系統(tǒng)在機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測與保護(hù)、軸承間隙監(jiān)測等方面發(fā)揮了重要的作用，有助于振動工程師或機(jī)械技術(shù)人員掌握機(jī)組的振動擺度變化趨勢和起因，有助于判斷并查找出機(jī)組異常或故障情況，對保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行有十分積極的意義。

[1]彭文季.水電機(jī)組振動故障的智能診斷方法研究[D].西安:西安理工大學(xué),2007.

[2]北京韋伯瑞華測控技術(shù)有限公司（Vibro-China）.VM600Software&Hardware維護(hù)手冊[Z],2011.

[3]SHERETA D.Turbine-generator unit monitoring system as built document[Z],France,Alstom Hydropower Environment,2007.

TV736

B

1672-5387（2015）S-0066-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.020

2015-10-26

楊夢起（1984-），男，工程師，從事水電站機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究工作。