機組振擺保護系統(tǒng)在某蓄能電站的應用

張 鑫，李甲駿，高冠群，朱海峰

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司，河北省石家莊市 050000）

機組振擺保護系統(tǒng)在某蓄能電站的應用

張 鑫，李甲駿，高冠群，朱海峰

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司，河北省石家莊市 050000）

為提高抽水蓄能機組的運行安全，某蓄能電站在每臺機組上配置了機組振擺保護系統(tǒng)。本文重點介紹了某蓄能電站機組振擺保護系統(tǒng)的配置、振動測量和評價標準、振動傳感器的選型及振擺保護可靠性措施，可為其他抽水蓄能電站和常規(guī)水電站實施機組振擺保護提供借鑒作用。

蓄能電站；振擺保護；低頻速度傳感器

0 引言

大型抽水蓄能電站廠房多數(shù)布置在地下。抽水蓄能電站由于水頭高、容量大、機組轉(zhuǎn)速高和水流雙向運行等特點，振動的能量往往較為突出，過大的振動將嚴重威脅機組的安全穩(wěn)定運行，俄羅斯薩揚水電站“8·17”事故[1]就是最慘痛的教訓。通過配置機組振擺保護裝置，可以實現(xiàn)對機組的安全保護，避免事故擴大化，以進一步滿足“無人值班、少人值守”的運行管理要求。

河北某蓄能電站安裝有4臺25萬kW的立軸單級混流可逆式水泵水輪發(fā)電機組。電站最大毛水頭/揚程346m，最小毛水頭/揚程291m，水輪機工況額定水頭305m，額定轉(zhuǎn)速為333r/min。電站于2009年建成后接入冀南電網(wǎng)，在系統(tǒng)中擔負調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用任務，對于優(yōu)化河北南部電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)、改善電網(wǎng)運行條件、提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和可靠性等具有十分重要的作用。因此，在某蓄能電站機組上配置振擺保護裝置是必然的選擇。

某蓄能電站在投產(chǎn)初期就已經(jīng)隨主機配套安裝了一套振動擺度監(jiān)測裝置，但由于設備選型問題無法滿足振擺保護的實際需要。為此，在2012～2013年對機組振擺保護系統(tǒng)進行了改造。本文從振動測量類型及評價標準、振動傳感器選型、報警策略優(yōu)化等方面介紹某蓄能電站振擺保護裝置的改造經(jīng)驗。

1 機組振擺保護系統(tǒng)配置

某蓄能電站混流可逆式水泵水輪發(fā)電機組為三導軸承半傘式結(jié)構(gòu)，下機架為承重機架。根據(jù)GB/T 6075.5《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機器的機械振動第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》、GB/T 11348.5《旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定 第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》、GB/T 28570 《水輪發(fā)電機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導則》的相關(guān)要求，結(jié)合某蓄能電站機組結(jié)構(gòu)特點和振擺保護的需要，每臺機組配置6個大軸擺度測點（上導X/Y向擺度、下導X/Y向擺度和水導X/Y向擺度）、2個抬機量測點、10個振動測點（上機架X/Y向水平振動、下機架X/Y向水平振動、下機架X/Y向垂直振動、頂蓋X/Y向水平振動、頂蓋X/Y向垂直振動）。與通常機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)配置1個垂直振動測點有區(qū)別的是，為了提高保護的可靠性，本項目每臺機組下機架和頂蓋垂直方向各配置2個振動測點，由于上位機為非承重機組，故未配置垂直振動測點。

大軸擺度傳感器采用目前在國內(nèi)有廣泛應用的德國B&K Vibro公司的IN-081一體化電渦流傳感器，抬機量傳感器采用大量程的TR-81電渦流傳感器，振動傳感器采用高可靠性的330505低頻速度傳感器（見振動傳感器選型），機組振擺保護裝置采用TN8003機組振擺保護裝置。針對某蓄能電站機組特點和實際需要，整套系統(tǒng)作了許多針對性的設計，可同時實現(xiàn)振動速度和振動位移的監(jiān)測和報警，對報警策略進行了優(yōu)化，并進行了可靠性設計。整套系統(tǒng)具備實時監(jiān)測、報警保護、邏輯組態(tài)、事故追憶等功能。

2 振動測量類型及評價標準

大軸擺度測量類型為位移量，對大軸擺度的評價標準相對簡單，結(jié)合GB/T 11348.5、《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)標準，可對相關(guān)報警定值進行設置。

振動測量類型有速度量和位移量。目前，國內(nèi)習慣采用振動位移量作為量綱進行監(jiān)測或保護，但對于高轉(zhuǎn)速的抽水蓄能機組，采用振動位移量進行振動保護有明顯的不足。

在抽水蓄能機組出現(xiàn)異常時，除轉(zhuǎn)頻信號外，還可能存在高頻信號，而對于同樣的振動位移值，頻率越高，其振動速度越大。理論已經(jīng)證明，振動部件的疲勞與振動速度成正比，振動所產(chǎn)生的能量與振動速度的平方成正比，能量傳遞的結(jié)果必然造成磨損或其他缺陷。因此，在振動判斷標準中，無論從疲勞損傷還是磨損等缺陷來說，以振動速度標準最為適宜。因此國際上許多振動標準都是采用速度值（有效值vrms）作為判別參數(shù)，振動位移量僅適用于低轉(zhuǎn)速機組。GB/T 6075.5建議對于中高速水輪發(fā)電機組（300～1800r/min），測量振動速度vrms，但同時要求，如果預計的頻譜含有低頻成分，評價一般應基于位移和速度的寬頻帶測量。可見，對于高速抽水蓄能機組，單純采用振動位移或振動速度評價均存在不足。

以某蓄能電站機組為例，額定轉(zhuǎn)速333r/min，按照GB/T 6075.5要求，如以振動速度評價，其停機值應為5mm/s（vrms），如該振動為轉(zhuǎn)頻的話，對應振動位移值約為405μm，如按位移評估的話顯然停機值過大，失去了對機組的保護作用；反之，如以振動位移評價，其停機值應為100 μm（峰峰值），如該振動頻率為100Hz的話，對應振動速度值約為22.2mm/s（vrms），顯然停機值也過大，同樣失去對機組的保護作用。因此，為了兼顧低頻振動和高頻振動信號過大對機組的損壞，某蓄能電站機組振動采用振動速度和振動位移同時監(jiān)測和報警的方式，只要其中1個參數(shù)超過停機值就進行保護，真正實現(xiàn)對機組的保護作用。

為了實現(xiàn)上述評價方式，振動傳感器采用低頻速度型傳感器，其輸出信號由振擺保護裝置直接采集獲取振動速度信號，再通過積分方式獲取振動位移信號，兩者再各自設置停機值，實現(xiàn)振動評價和保護。參照GB/T 6075.5，振動速度停機值設置為5mm/s，振動位移停機值設置為100μm。

3 振動傳感器的選型

由于傳感器安裝方式問題，振動傳感器無法用位移型傳感器來監(jiān)測，只能采用加速度傳感器或速度傳感器進行監(jiān)測。根據(jù)抽水蓄能機組的低頻振動特性，振動傳感器需滿足低頻的測量要求。機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)通常關(guān)心振動位移值，因此通常采用國產(chǎn)的低頻振動傳感器，其輸出信號直接為位移信號，也有采用加速度或速度型傳感器再通過積分轉(zhuǎn)換成位移信號。對于本項目振擺保護系統(tǒng)而言，為了兼顧采集振動位移和振動速度，只能采用速度型或加速度型傳感器。

由于加速度傳感器的頻率下限較低且價格相對便宜，部分電站采用加速度傳感器來測量水輪發(fā)電機組的低頻振動，但現(xiàn)場應用表明，實際測量效果很差，加速度傳感器不適用于水電機組的振動測量（除100Hz鐵芯振動外）。這主要是因為加速度傳感器的輸出信號范圍較小并且還需經(jīng)過一次積分轉(zhuǎn)換成速度，如要轉(zhuǎn)換成位移的話則需要二次積分，其信噪比太小。如針對某蓄能電站機組，額定轉(zhuǎn)速為333.3r/min，即使采用500mv/g的高靈敏度加速度傳感器，則按轉(zhuǎn)頻計算，轉(zhuǎn)換成速度的靈敏度為1.78mv/mm/s，而一般低頻速度傳感器靈敏度至少為20mv/mm/s，顯然這種高靈敏度的加速度傳感器信噪比要小得多，并且由于機組通常運行時，其振動加速度值較?。ㄈ绨?0μm計算，加速度為0.0062g），由于加速度傳感器測量原理原因也易造成較大的測量誤差。因此，加速度傳感器不適用于本項目的振動監(jiān)測。

因此，振動傳感器采用速度型是必然的選擇，為了滿足振擺保護可靠性的需要和低頻振動監(jiān)測的需要，本項目采用了高可靠性的美國Bently公司的330505低頻速度型振動傳感器。該傳感器靈敏度為20mv/mm/s，工作頻率為0.5～1000Hz，測量范圍為102mm/s（峰值），工作溫度-40～100℃。從實際應用來看，具有較好的測量效果。

4 可靠性措施

為保證跳機信號的準確性，本項目做了很多相應的針對性設計工作。

為避免由于傳感器故障或測量回路故障造成的誤動作，參與振擺保護的測點均采用X、Y兩個方向冗余配置，冗余測點的跳機輸出通過與邏輯組態(tài)后（見圖1）發(fā)送給機組跳機回路。

為避免由于監(jiān)測模塊故障導致誤動作，振擺保護裝置通過通道優(yōu)化配置原則將冗余測點布置在不同模塊布置上；為避免在保護裝置斷電、上電過程以及通道或傳感器故障時發(fā)出誤報警信號，在振擺保護裝置中配置了繼電器動作上電抑制電路、通道非OK抑制電路和裝置非OK抑制電路。

圖1 振擺跳機輸出邏輯組態(tài)

為避免干擾、機組經(jīng)過開停機、振動區(qū)等不穩(wěn)定工況或其他過渡工況時用于振動信號不穩(wěn)定導致機組誤動作，在控制回路還增加了延遲時間回路，延遲時間可通過軟件設置（1s至30min），只有在延遲時間內(nèi)報警輸出狀態(tài)均維持不變時，才會導致繼電器動作輸出。

5 結(jié)束語

為保證抽水蓄能機組的安全穩(wěn)定運行，配置機組振擺保護系統(tǒng)是必然的選擇。根據(jù)某蓄能電站振擺保護系統(tǒng)的改造經(jīng)驗，抽水蓄能電站進行機組振擺保護系統(tǒng)選型配置時，應結(jié)合機組的結(jié)構(gòu)特點配置振擺保護測點，振動傳感器宜采用高可靠性的低頻速度傳感器，振動參量應采用振動速度和振動位移同時監(jiān)測和報警的方式，以真正實現(xiàn)對機組的保護作用。某蓄能電站振擺保護裝置的上述改造經(jīng)驗可為其他蓄能電站或常規(guī)水電站實施機組振擺保護提供借鑒。

[1] 楊立信.俄羅斯薩揚舒申斯克水電站事故原因分析.鄭州：黃河水利出版社，2010.

張 鑫（1980—），男，工程碩士，高級工程師，副總工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站生產(chǎn)管理。E-mail:wawayu 1980@126.com

李甲駿（1984—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站生產(chǎn)管理。E-mail:lijiajun2001@163.com

高冠群（1979—)，男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站生產(chǎn)管理。E-mail:18032155115@189.com

朱海峰（1982—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站生產(chǎn)管理。E-mail:18032155086@189.com

The Application of Unit Vibration&Run-out Protection System in a Pumped Storage Power Plant

ZHANG Xin,LI Jiajun,GAO Guanqun,ZHU Haifeng
（Hebei ZhangHewan Pump Storage Power Station co.Ltd.,ShiJiazhuang, Shijiazhuang 050000, China）

In order to improve the operation safety of pumped storage unit, the power plant has configured vibration&runout protection system for each unit. The paper focused on the configuration of the unit vibration&run-out protection system,the measurement and the evaluation standard of vibration, the selection of vibration sensor and the reliability measures of vibration&run-out protection in a pumped storage power plant. It could be as a reference for the implementation of vibration&runout protection system in the other pumped storage power plant and hydro power plant.

Pumped storage power plant; Vibration&Run-out protection; Low frequency velocity sensor