機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)在清遠(yuǎn)抽水蓄能電站的應(yīng)用

鄭松遠(yuǎn)，陳泓宇，季懷杰，李 華，楊小龍

（1.北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司，北京市 100041；2.清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東省廣州市 510630；3.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510640）

0 引言

廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站安裝有4臺320MW可逆式水輪發(fā)電機組，分別于2015年11月以及2016年3月、6月和8月入商業(yè)運行。在機組安裝階段，清遠(yuǎn)抽水蓄能電站同步配置了北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司的TN8000機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對機組振動、擺度、壓力脈動和發(fā)電電動機空氣間隙的監(jiān)測和分析診斷。TN8000系統(tǒng)自投運以來，為分析評價機組穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性起到了重要作用。本文重點闡述了機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)在清遠(yuǎn)蓄能電站在機組不穩(wěn)定運行工況分析、四機甩負(fù)荷試驗、評價發(fā)電電動機空氣間隙特性、分析處理下導(dǎo)擺度異常問題等方面的應(yīng)用情況。

1 系統(tǒng)配置

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站TN8000機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(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。系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，按層次劃分為電站層（上位機系統(tǒng)）和現(xiàn)地層兩級。電站層設(shè)備包括：狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，全廠4臺機組共用1套。現(xiàn)地層設(shè)備包括：機組現(xiàn)地在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集單元、各種傳感器、通信接口、附件設(shè)備等。電站級設(shè)備和現(xiàn)地級設(shè)備之間采用光纖傳輸。

每臺機組現(xiàn)地層設(shè)備設(shè)一個數(shù)據(jù)采集站，布置在地下廠房發(fā)電機層機旁。數(shù)據(jù)采集站內(nèi)配置1套TN8001穩(wěn)定性數(shù)據(jù)采集箱、1套TN8002氣隙數(shù)據(jù)采集箱、傳感器電源、工業(yè)液晶屏等設(shè)備，集中組屏。數(shù)據(jù)采集站負(fù)責(zé)對機組的狀態(tài)監(jiān)測信號進(jìn)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(jìn)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)通過網(wǎng)絡(luò)傳至狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器，供進(jìn)一步的狀態(tài)監(jiān)測分析和診斷。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站每臺機組測點包括機組的鍵相、振動、擺度、壓力脈動、軸向位移和空氣間隙，測點配置如圖1。除上述測點外，為了分析判斷機組的運行工況并對機組的運行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測分析和評價，機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)還通過硬接線方式引入機組有功、無功、勵磁電流、勵磁電壓、導(dǎo)葉開度、水頭等4～20mA信號和發(fā)電機出口開關(guān)、滅磁開關(guān)、發(fā)電工況開關(guān)、抽水工況開關(guān)等開關(guān)信號，以及通過RS-485通信方式從監(jiān)控系統(tǒng)獲取各導(dǎo)軸承和推力軸承的瓦溫、油溫數(shù)據(jù)。

圖1 測點配置圖Fig.1 Measurement configuration diagram

為保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定可靠運行，清遠(yuǎn)抽水蓄能電站機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)傳感器均采用國內(nèi)外著名廠商生產(chǎn)的、具有較多應(yīng)用業(yè)績并經(jīng)過長期生產(chǎn)實踐考驗的產(chǎn)品。擺度和鍵相傳感器采用德國B&K Vibro公司的IN-081一體化電渦流傳感器，軸向位移傳感器采用湖南天瑞的TR-81大量程電渦流傳感器，氣隙傳感器采用加拿大Vibrosystm公司的VM5平板電容傳感器，壓力脈動傳感器采用瑞士Keller公司的21Y壓力脈動傳感器。1號機組振動傳感器采用瑞士Vibrometer公司的CV210低頻速度傳感器，2、3、4號機組振動傳感器采用北京豪瑞斯公司的MLV-9速度型低頻振動傳感器，從實際應(yīng)用效果看，兩種傳感器監(jiān)測性能和長期運行可靠性均能較好地滿足實際監(jiān)測需要。

針對上機架、下機架、定子鐵芯和頂蓋等固定部件的監(jiān)測和評價[1]，振動量綱有位移量（單位μm）和速度量Vrms（單位mm/s）。對采用速度量還是位移量，國內(nèi)外存在很多爭議，國內(nèi)習(xí)慣采用位移量，原ISO標(biāo)準(zhǔn)建議額定轉(zhuǎn)速300r/min以下機組采用位移量，300r/min以上機組采用速度量，GB/T 32584—2016建議采用速度量。從振動評價來說，位移量對低頻振動較敏感，速度量對高頻量較敏感。為更全面地監(jiān)測分析機組各固定部件的振動狀況，清遠(yuǎn)抽水蓄能電站機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)同時監(jiān)測振動的速度量和位移量。

2 不穩(wěn)定工況區(qū)分析

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)通過一定時間的數(shù)據(jù)積累，自動統(tǒng)計各個工況下的參數(shù)，明確機組不穩(wěn)定運行工況區(qū)，從而指導(dǎo)機組盡可能避開危險工況區(qū)實際優(yōu)化運行。圖2和圖3為利用1號機組在線監(jiān)測系統(tǒng)自動統(tǒng)計的變負(fù)荷過程數(shù)據(jù)形成的水導(dǎo)擺度和尾水管進(jìn)口壓力脈動隨負(fù)荷瀑布圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在有功功率小于220MW時，水導(dǎo)擺度和尾水管壓力脈動信號均存在一定的低頻成分，但絕對值均不大，220MW以上水導(dǎo)擺度和尾水管壓力脈動值均較小，其余穩(wěn)定性監(jiān)測參數(shù)存在類似特征。

圖2 水導(dǎo)擺度隨負(fù)荷瀑布圖Fig.2 Waterfall of turbine guide bearing runout

圖3 尾水管進(jìn)口壓力脈動隨負(fù)荷瀑布圖Fig.3 Waterfall of pressure pulsation of inlet pipe

圖4為1號機組178MW時的水導(dǎo)擺度波形和頻譜圖。從圖中可以看出，水導(dǎo)擺度信號中低頻信號為主要成分，其頻率約為0.38倍頻（2.71Hz），可以判斷該頻率為尾水管渦帶脈動頻率，和其他電站同類機組相比，該渦帶影響量對機組振動擺度影響相對較小。圖5為水導(dǎo) X/Y向、轉(zhuǎn)輪與底環(huán)間壓力脈動、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間壓力脈動渦帶頻率成分隨負(fù)荷的變化趨勢，可見負(fù)荷160～200MW區(qū)間存在渦帶頻率成分。綜合以上分析，清遠(yuǎn)抽水蓄能電站1號機組160～200MW區(qū)間為渦帶不穩(wěn)定工況區(qū)，但渦帶影響量不是很大，可短暫運行；0～160MW和200～220MW為可長期運行區(qū)，220MW以上區(qū)間為最優(yōu)運行工況區(qū)。

圖4 渦帶工況下水導(dǎo)擺度波形頻譜Fig.4 Run-out of turbine guide bearing

圖5 渦帶頻率成分隨負(fù)荷相關(guān)趨勢圖Fig.5 Vortex frequency value trend with active power

3 甩負(fù)荷試驗特性分析

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站采用一洞四機布置方式，在機組投運階段分別進(jìn)行了單甩、雙甩、三甩和四甩試驗。機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)自動根據(jù)負(fù)荷、發(fā)電機出口開關(guān)、機組轉(zhuǎn)速判斷機組甩負(fù)荷狀態(tài)，快速記錄甩負(fù)荷過程數(shù)據(jù)，自動計算甩負(fù)荷過程相關(guān)量化數(shù)據(jù)，為評價一洞多機甩負(fù)荷對機組的影響程度提供直觀量化數(shù)據(jù)。

圖6為四機甩100%負(fù)荷過程機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)自動生成的1號機組和4號機組甩負(fù)荷過程各參數(shù)波形，4臺機組各參數(shù)變化規(guī)律基本一致，未見有異常情況。表1為四機甩100% 負(fù)荷過程機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)自動生成的部分特征數(shù)據(jù)，4臺機組最高轉(zhuǎn)速、最大蝸殼壓力和最小尾水壓力基本一致，均滿足設(shè)計要求，發(fā)電機轉(zhuǎn)子各磁極甩負(fù)荷前后間隙基本沒有變化，轉(zhuǎn)子相關(guān)剛度和強度滿足長期運行要求。

圖6 四機甩100%負(fù)荷過程1、4號機部分參數(shù)波形Fig.6 1，4 unit 100% load rejection measurement waveform

表1 四機甩100% 負(fù)荷過程部分特征數(shù)據(jù)Tab.1 Characteristic parameter in 4 machine rejection 100% Load

圖7為2號機單甩、雙甩、三甩和四甩時擺度振動最大值對照圖。從圖上可以看出，單甩、雙甩、三甩和四甩時上導(dǎo)和下導(dǎo)擺度、上機架和下機架振動有逐漸增大趨勢，可見多次多機甩負(fù)荷對機組不利。表2為2號機單甩、雙甩、三甩和四甩時最高轉(zhuǎn)速、最大軸向位移和最大壓力脈動對照表，從表上可以看出四甩時最高轉(zhuǎn)速較單甩時高出33.2r/min，但距離發(fā)電機飛逸轉(zhuǎn)速690r/min還有較高安全裕度。單甩、雙甩、三甩和四甩時大軸軸向位移有逐漸增大趨勢，說明軸向水推力逐漸增大，轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間和尾水管進(jìn)口壓力脈動增大明顯，說明同一輸水系統(tǒng)多機同時甩負(fù)荷機組臺數(shù)越多，水力脈動越大[2]。

圖7 多機甩負(fù)荷時2號機組擺度振動對照圖Fig.7 Unit 2 vibration contrast of multi unit load rejection

表2 多機甩負(fù)荷時2號機組轉(zhuǎn)速、軸向位移和脈動對照表Tab.2 Unit 2 speed，shaft axial and pressure contrast of multi unit load rejection

4 發(fā)電電動機空氣間隙監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站考慮高轉(zhuǎn)速的剛強度要求，發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁軛采用環(huán)形浮動磁軛結(jié)構(gòu)[3]。為分析轉(zhuǎn)子磁軛動穩(wěn)態(tài)特性，每臺機組配置了8個空氣間隙測點，分上下兩層周向均勻布置。TN8000機組在線監(jiān)測可快速記錄抽水蓄能機組穩(wěn)定運行過程和瞬態(tài)過程的氣隙變化數(shù)據(jù)，利用趨勢圖、磁極形貌比較圖等相關(guān)分析工具，自動計算氣隙量化特征數(shù)據(jù)，分析發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子機械強度和磁軛緊固狀態(tài)，了解發(fā)電電動機穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程的氣隙變化特性。從下面清遠(yuǎn)抽水蓄能電站4臺機組甩負(fù)荷過程和長期運行過程的氣隙特性變化數(shù)據(jù)分析可知，各機組發(fā)電機轉(zhuǎn)子剛度良好，轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高。

在甩負(fù)荷過程中，由于作用于轉(zhuǎn)子磁軛和磁極的離心力影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子膨脹，定轉(zhuǎn)子間氣隙減小。分析甩負(fù)荷過程最大氣隙變化量和甩負(fù)荷前后穩(wěn)定工況的氣隙數(shù)據(jù)變化，可以評價轉(zhuǎn)子磁極的機械特性。圖8為1號機組甩負(fù)荷過程氣隙變化曲線，隨轉(zhuǎn)速升高氣隙迅速減小。圖9為甩負(fù)荷前后轉(zhuǎn)子磁極形貌比較圖，反映甩負(fù)荷過程對各磁極氣隙特性的永久影響。從圖9上可以看出，各磁極氣隙變化量較小，最大變化量僅為0.06mm，說明甩負(fù)荷過程對發(fā)電電動機各磁極氣隙特性沒有造成影響，轉(zhuǎn)子機械強度和磁軛狀態(tài)良好。4臺機組甩負(fù)荷過程中最大氣隙變化量和永久變化量見表3。

圖8 甩負(fù)荷過程氣隙變化趨勢Fig.8 Air gap trend of load rejection

圖9 甩負(fù)荷前后轉(zhuǎn)子磁極形貌比較圖Fig.9 Pole shape comparison before and after load rejection

表3 甩負(fù)荷過程氣隙氣隙特征數(shù)據(jù)變化量Tab.3 Air gap characteristic parameter in load rejection

在日常機組開停機過程中，由于作用于轉(zhuǎn)子磁軛和磁極的離心力的影響，也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子膨脹，定轉(zhuǎn)子間氣隙將發(fā)生變化，在開機過程中氣隙逐漸減小，而在停機過程中氣隙則會逐漸增大。開停機過程中轉(zhuǎn)子磁極氣隙的變化幅度與發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計和機械強度有關(guān)。圖10為停機過程中各通道平均氣隙的變化趨勢，圖11為額定轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子磁極形貌比較圖，從圖11可以看出，停機過程中各磁極氣隙均有明顯增大。4臺機組開停機過程氣隙變化量見表4。

圖10 停機過程氣隙變化趨勢Fig.10 Air gap trend in stopping process

圖11 低轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速時磁極形貌比較Fig.11 Pole shape comparison for speed

表4 開停機過程氣隙變化量Tab.4 Air gap change value in stopping and starting process

通過比較相同工況下當(dāng)前發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子磁極形貌和一年前的轉(zhuǎn)子磁極形貌，可判斷磁極是否存在伸長現(xiàn)象，評價長期運行轉(zhuǎn)子磁極穩(wěn)定性。TN8000系統(tǒng)可自動計算上述兩個轉(zhuǎn)子磁極形貌的偏差，獲取各磁極氣隙變化量，當(dāng)某一磁極氣隙數(shù)據(jù)減小超過一定量時，說明該磁極存在伸長傾向，需要嚴(yán)重關(guān)注。圖12為2號機組最近1年的各磁極氣隙變化量圖，最大磁極變化量為-0.09mm，基本沒有變化，說明該發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子磁極機械特性良好，不存在磁極松動故障。

圖12 最近2年各磁極氣隙變化量Fig.12 Air gap change value in recent 2 years

5 下導(dǎo)擺度異常變化原因分析及處理

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站1、2號機組投產(chǎn)后，下導(dǎo)擺度均存在不斷爬升的趨勢，初步分析是下導(dǎo)瓦隙結(jié)構(gòu)存在問題，但對下導(dǎo)軸瓦進(jìn)行檢查未見異常，下導(dǎo)瓦間隙也未見變化。通過分析機組在線監(jiān)測的長期歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1、2號機組下導(dǎo)擺度均存在季節(jié)性變化趨勢。結(jié)合機組在線監(jiān)測從監(jiān)控系統(tǒng)集成過來的下導(dǎo)瓦溫和油溫數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，下導(dǎo)擺度和下導(dǎo)油溫的長期變化趨勢基本一致。

抽水蓄能機組在不同運行工況下擺度變化較大，即使在相同工況下，隨著運行時間增大瓦溫逐漸趨勢穩(wěn)定，擺度也會逐漸變小然后穩(wěn)定。為客觀評價比較擺度的變化趨勢，TN8000機組在線監(jiān)測系統(tǒng)提供了按運行時間、負(fù)荷和水頭篩選歷史數(shù)據(jù)的功能，圖13為發(fā)電工況和抽水工況時開機穩(wěn)定運行30min后、同樣水頭下的額定負(fù)荷下的歷史數(shù)據(jù)趨勢，從圖13可以明顯看出，下導(dǎo)油溫、瓦溫和下導(dǎo)擺度季節(jié)性變化比較明顯，其中7～10月擺度最大，12～4月擺度最小，春天到夏天逐漸增大，秋天到冬天逐漸減小。3號機組和4號機組的下導(dǎo)擺度存在同樣的變化趨勢，但下導(dǎo)絕對值相對較小。圖14為1號機組相同工況下的下導(dǎo)擺度和油溫長期趨勢，和2號機組具有同樣的季節(jié)性變化趨勢。

圖13 2號機組發(fā)電工況和抽水工況下導(dǎo)擺度和油溫長期趨勢Fig.13 Unit 2 runout and temperature trend in generator and pump operation condition

圖14 1號機組發(fā)電工況和抽水工況下導(dǎo)擺度和油溫長期趨勢Fig.14 Unit 1 run-out and temperature trend in generator and pump operation condition

圖15 下導(dǎo)擺度波形頻譜軌跡Fig.15 Run-out of lower guide bearing

由于下導(dǎo)油溫的升高，將導(dǎo)致下導(dǎo)軸承油膜的約束力減小，在相同振源下，擺度顯然會增大。從2號機組下導(dǎo)擺度波形頻譜和軸心軌跡（圖15）可以看出，擺度基本以轉(zhuǎn)頻為主，結(jié)合開停機過程數(shù)據(jù)可以初步判斷機組存在較大的轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站1號機組和2號機組投運時處于油溫相對低的時段，軸承油膜約束力高，對質(zhì)量不平衡不敏感，即使存在一定的質(zhì)量不平衡下導(dǎo)擺度也能很好，但在油溫處于相對高的時段，該質(zhì)量不平衡可能會導(dǎo)致較高的下導(dǎo)擺度。根據(jù)以上分析結(jié)果，結(jié)合機組檢修進(jìn)度，2017年10月在油溫處于相對高時段，利用TN8000機組在線數(shù)據(jù)對2號機組重新進(jìn)行了動平衡試驗，動平衡后效果良好。表5為動平衡前后下導(dǎo)油溫相對低和相對高時段，發(fā)電和抽水工況穩(wěn)定運行工況擺度數(shù)據(jù)對照表。

6 結(jié)束語

抽水蓄能機組具有水頭高、轉(zhuǎn)速高、運行工況復(fù)雜且轉(zhuǎn)換頻繁等特點，因此對抽水蓄能機組實施狀態(tài)監(jiān)測是必然的選擇。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站在建設(shè)階段同步安裝了TN8000機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，并在機組投產(chǎn)試運階段利用該系統(tǒng)完成了相關(guān)性能試驗和機組性能評估，在運行階段利用該系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并解決了下導(dǎo)擺度異常變化問題。實踐證明，機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)可在掌握和評價抽水蓄能機組動穩(wěn)態(tài)特性、進(jìn)行機組性能試驗、及時發(fā)現(xiàn)和分析異常狀態(tài)方面發(fā)揮有效作用。

表5 動平衡前后擺度數(shù)據(jù)對照表Tab.5 Run-out comparison before and after dynamic balance