水電站警報(bào)管理的優(yōu)化

R.諾維茨基

水電站警報(bào)管理的優(yōu)化

R.諾維茨基

高水平的警報(bào)系統(tǒng)對電力行業(yè)的運(yùn)行維護(hù)至關(guān)重要。闡述了水電站警報(bào)管理情況，介紹了現(xiàn)行警報(bào)系統(tǒng)的運(yùn)行和管理模式，提出了在報(bào)警信號(hào)處理與管理中采用故障累積方法的具體思路與方法，著重對其在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備和水輪機(jī)機(jī)組上的應(yīng)用和優(yōu)缺點(diǎn)做了詳細(xì)介紹，具有一定參考價(jià)值。

水電站運(yùn)行管理；警報(bào)系統(tǒng)；旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備；水輪機(jī)機(jī)組

在電力行業(yè)，警報(bào)管理正逐漸成為維護(hù)作業(yè)中的核心關(guān)注點(diǎn)。如果是工業(yè)警報(bào)系統(tǒng)本身的問題，則都會(huì)有詳細(xì)的文字記錄，但是包括水電站在內(nèi)的發(fā)電設(shè)施發(fā)生的各種安全事故，其中的原因就有不當(dāng)警報(bào)產(chǎn)生的復(fù)雜情況以及隨之而來的不當(dāng)操作。警報(bào)一旦發(fā)出，運(yùn)行人員就應(yīng)立即響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)問題并采取行動(dòng)以防止事件升級(jí)，將緊急停機(jī)的需求降到最低。因此，警報(bào)是一道至關(guān)重要的安全屏障。

為了確保對警報(bào)的妥善管理，國際自動(dòng)化協(xié)會(huì)(ISA)于2003年最先開始編制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)最初的標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)年的研究工作，美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ANSI)和ISA頒布了ANSI/ISA-18.2-2009 《過程工業(yè)報(bào)警系統(tǒng)管理》標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)和最先進(jìn)的行業(yè)最佳實(shí)踐，應(yīng)針對警報(bào)所固有的目標(biāo)，對警報(bào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測和報(bào)告。

一個(gè)正常運(yùn)行的警報(bào)系統(tǒng)應(yīng)能執(zhí)行以下3項(xiàng)重要任務(wù)。

(1) 讓運(yùn)行人員警覺到工況已經(jīng)發(fā)生變化，或控制和/或監(jiān)控系統(tǒng)能識(shí)別到工況變化；

(2) 讓運(yùn)行人員了解變化的性質(zhì)，因?yàn)楣に嚨漠惓Ｇ闆r會(huì)觸發(fā)不同嚴(yán)重程度的警報(bào)，這些警報(bào)也有可能因生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)條件的改變而引起；

(3) 引導(dǎo)運(yùn)行人員采取應(yīng)對措施。

圖1所示為警報(bào)目標(biāo)，表1所列為運(yùn)行人員異常情況下所應(yīng)履行的主要職責(zé)。

圖1 警報(bào)目標(biāo)

監(jiān)控系統(tǒng)的功能之一是報(bào)警倍增 (TM) 功能。在許多情況下，該功能是有效進(jìn)行警報(bào)管理的關(guān)鍵

表1 異常情況下運(yùn)行人員的主要職責(zé)

組件，隨著當(dāng)今用于水輪發(fā)電機(jī)組(HTG)先進(jìn)的傳感器和狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)報(bào)警方法演變發(fā)展為TM技術(shù)，運(yùn)行人員可直接關(guān)注重要的警報(bào)而不受到其他警報(bào)噪聲的干擾。

1 高/低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的TM功能

采用TM設(shè)計(jì)臨時(shí)提高報(bào)警設(shè)置點(diǎn)，通過預(yù)置增效器確定報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)和危險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)來表示(見圖2)。這些功能主要體現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子共振頻率上，并且僅局限于轉(zhuǎn)子共振效應(yīng)和徑向振動(dòng)，當(dāng)設(shè)備急加速通過運(yùn)行區(qū)間時(shí)這種情況就會(huì)出現(xiàn)(頻帶寬度從低轉(zhuǎn)速時(shí)的頻率跨越至高轉(zhuǎn)速時(shí)的頻率)。當(dāng)轉(zhuǎn)子通過平衡共振頻率時(shí)，這種不平衡的能量會(huì)帶來較大的振動(dòng)。有些情況下，瞬態(tài)振動(dòng)會(huì)比報(bào)警門檻值要高，并且不能通過輔助的轉(zhuǎn)子平衡系統(tǒng)得到緩解。這時(shí)，配合先進(jìn)的設(shè)備，TM技術(shù)和報(bào)警延時(shí)是啟動(dòng)機(jī)組唯一有用的措施。

圖2 取決于轉(zhuǎn)速的報(bào)警級(jí)別在采用TM功能后的變化

意識(shí)到TM功能可以成功用于振動(dòng)情況而不僅僅使轉(zhuǎn)子失衡，對能源組織而言是非常重要的。例如，可以應(yīng)用該功能為低速HTG和其他未超過共振轉(zhuǎn)速速度的設(shè)備配置工況監(jiān)測(CM)和保護(hù)系統(tǒng)(PS)。就水電站而言，存在一些因水流引起的振動(dòng)問題，水流脈動(dòng)的原因同機(jī)械振動(dòng)的原因類似，兩種根本原因?yàn)槭芷日駝?dòng)和自激振動(dòng)。可以觀察到如下幾種水流脈動(dòng)現(xiàn)象。

(1) 穩(wěn)定流態(tài)。在某一時(shí)段下流量始終保持在一個(gè)點(diǎn)上，不發(fā)生改變。

(2) 周期流態(tài)。水流中的振動(dòng)以固定時(shí)間間隔的形式重復(fù)出現(xiàn)-周期流態(tài)引起自由的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)-產(chǎn)生周期性流態(tài)頻率，協(xié)同系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)頻率而導(dǎo)致自激。

(3) 不穩(wěn)定流態(tài)。在該流態(tài)下，特別是某一既定點(diǎn)的流速和壓力都隨時(shí)間而變化，因此專門的測量值也會(huì)變化。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械以遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)子共振頻率運(yùn)行時(shí)，TM功能可以提高其運(yùn)行的報(bào)警管理水平。

2 水電站警報(bào)管理不善實(shí)例

某水電站安裝了兩臺(tái)可逆混流式HTG，每臺(tái)裝機(jī)容量200 MW。在額定轉(zhuǎn)速188 r/min左右運(yùn)行，并且配備有新型的狀態(tài)管理系統(tǒng)(CMS)，該系統(tǒng)帶有振擺監(jiān)測和保護(hù)系統(tǒng)，還有診斷功能。監(jiān)視和保護(hù)系統(tǒng)用來監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，并向運(yùn)行人員發(fā)出警報(bào)。無高危報(bào)警信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)緊急停機(jī)裝置。

當(dāng)CMS投入使用，便已出臺(tái)了符合國際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的警報(bào)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中描述了從A到D的4種技術(shù)情況，這取決于主軸轉(zhuǎn)子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速(如圖3所示)。

圖3 從主軸相關(guān)的振動(dòng)和水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的角度評(píng)價(jià)HTG的技術(shù)條件

垂線表示在上述實(shí)例下HTG轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)速。此時(shí)，CMS系統(tǒng)所確定的C與D邊界上的值就是500 μm。

分析了這3臺(tái)機(jī)組24 h運(yùn)行下的XY方向的振動(dòng)趨勢，并根據(jù)圖2中所提的分類標(biāo)準(zhǔn)做了嚴(yán)重程度的評(píng)估。在HTG運(yùn)行期間，XY向振動(dòng)采集值持續(xù)高于高危報(bào)警閾值，違反了報(bào)警目標(biāo)，導(dǎo)致CMS系統(tǒng)失效。根據(jù)工程設(shè)備和材料用戶協(xié)會(huì)的第191導(dǎo)則，如果報(bào)警信號(hào)持續(xù)20 h或以上，該信號(hào)應(yīng)該被認(rèn)定為常駐信號(hào)。在所述的水電站例子中，機(jī)組無法在最大負(fù)荷下連續(xù)工作20 h。但是，在機(jī)組運(yùn)行的整個(gè)期間都存在報(bào)警信號(hào)。因此，將此信號(hào)認(rèn)定為一種典型常駐報(bào)警信號(hào)是合理的，換句話說，該信號(hào)在一段重要時(shí)間內(nèi)都處于活動(dòng)狀態(tài)。這種類型的信號(hào)可以出現(xiàn)在本身有故障或者質(zhì)量有缺陷需要維護(hù)檢修的儀器和設(shè)備上。

報(bào)警管理標(biāo)準(zhǔn)中，如果一個(gè)報(bào)警信號(hào)50%的時(shí)間都處在其所規(guī)定的范圍以外，加重了運(yùn)行人員的工作負(fù)擔(dān)，就需要進(jìn)行修正。針對本文案例，儀器設(shè)備均運(yùn)行良好，那么報(bào)警限值就需要進(jìn)行修正。

圖4為提高CMS效率的報(bào)警管理流程。應(yīng)定期對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以確定可能需要增強(qiáng)的方面，錯(cuò)誤的系統(tǒng)配置可能因以下原因造成。

圖4 報(bào)警管理的優(yōu)化方法

(1)根據(jù)“正常數(shù)據(jù)”，門檻值設(shè)定過高；

(2)采用最小值作為門檻值會(huì)導(dǎo)致頻繁出現(xiàn)警報(bào)指示；

(3)采集值一直比常駐的報(bào)警信號(hào)的門檻值要高。

在本案例中，測量值始終比高危報(bào)警信號(hào)的閾值高。因此，最直接的方法是抬高報(bào)警閾值。這雖然違背了標(biāo)準(zhǔn)推薦的辦法，但是可以明確潛在的原因，防止情況惡化。否則，運(yùn)行人員必須通過分析采集到的數(shù)據(jù)和其他維護(hù)工具依賴CMS資產(chǎn)管理，并改變資產(chǎn)管理規(guī)則。

如果不迅速采取措施優(yōu)化HTG的動(dòng)態(tài)性能，就沒有理由保留先前設(shè)置的報(bào)警規(guī)則，所以必須進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整不成功，將會(huì)導(dǎo)致報(bào)警優(yōu)化失敗，延誤運(yùn)行。

針對此案例的處理措施非常簡單。需要對監(jiān)測系統(tǒng)的報(bào)警規(guī)則進(jìn)行調(diào)整，以完善對機(jī)組的維護(hù)管理工作。改善的結(jié)果就是讓振動(dòng)值回落到ISO所規(guī)定的范圍內(nèi)。將XY的報(bào)警值由500 μm調(diào)高至600 μm或650 μm可以很大程度縮短報(bào)警信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間。

盡管新的高危報(bào)警規(guī)則可能已經(jīng)滿足了正常穩(wěn)定運(yùn)行的需求，但依然沒有解決機(jī)組開機(jī)過程中報(bào)警信號(hào)出現(xiàn)的問題。在這些初始工況下，轉(zhuǎn)子的最大振動(dòng)位移可達(dá)到800 μm，隨后伴隨著一個(gè)緩慢下降的過程。

通過引入TM功能可進(jìn)一步優(yōu)化報(bào)警規(guī)則。TM功能由機(jī)組(或電站)的控制系統(tǒng)提供(如圖5所示)?？梢酝ㄟ^由分散式控制系統(tǒng)(DCS)所驅(qū)動(dòng)的繼電器輸出的二進(jìn)制信號(hào)(圖中下方箭頭所指部分)，或者使用CMS和DCS之間的數(shù)字接口(圖中上方箭頭所指部分)啟停。

圖5 采用DCS控制的監(jiān)控系統(tǒng)的TM功能

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)控制的TM功能

圖6中所示的報(bào)警規(guī)則來源于已知的機(jī)組異常情況。報(bào)警規(guī)則的改進(jìn)必須進(jìn)行報(bào)警閾值的重新設(shè)置，并使用TM功能以應(yīng)對開機(jī)后12 min的振動(dòng)上升過程。采用這種組合的方法進(jìn)行報(bào)警管理，可以消除在運(yùn)行XY向的振動(dòng)持續(xù)報(bào)警。

3 TM功能的應(yīng)用和實(shí)施情況

并非所有的CMS都內(nèi)置了TM功能。更多的情況下，TMMAX=3，同時(shí)分辨率TMRes=1。針對水輪機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)用，這一分辨率已足夠，但還不足以應(yīng)對水輪機(jī)本身，此外，高分辨率可以確保系統(tǒng)配置精度較高。

通過DCS控制對于TM執(zhí)行系統(tǒng)并用于水電站運(yùn)行(圖5)，但有些先進(jìn)的CM和PS，可以通過監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)該功能。

4 結(jié) 語

需要運(yùn)行人員對各種警報(bào)采取措施或者引起注意。因此，報(bào)警合理化是一種經(jīng)過驗(yàn)證的報(bào)警管理技術(shù)，可以減少運(yùn)行人員的工作負(fù)擔(dān)，以提高運(yùn)行人員的反應(yīng)能力。CM和PS中的高危報(bào)警信號(hào)的調(diào)試工作必須由報(bào)警合理化工作組、維護(hù)人員以及儀表專家來主導(dǎo)完成。

最終，報(bào)警合理化能夠減輕運(yùn)行人員的工作負(fù)擔(dān)，分辨出無效的報(bào)警信息，通過提升運(yùn)行人員對報(bào)警信號(hào)的信任度來增強(qiáng)系統(tǒng)的完備性，從而降低錯(cuò)過關(guān)鍵報(bào)警信號(hào)的可能性，最重要的是運(yùn)行人員能夠更加迅速、一致并有效地作出反應(yīng)。

張卓然 鄒 瑜 譯

(編輯：朱曉紅)

1006-0081(2017)03-0028-03

2017-01-20

TV734.1

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