水電站自動(dòng)化元件與狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)

劉曉明

摘要：在水電站基礎(chǔ)自動(dòng)化工程中，自動(dòng)化元件（裝置）與輔機(jī)設(shè)備自動(dòng)控制單元的選擇，各元件與控制單元的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以及元件故障的診斷情況等皆可對(duì)其自動(dòng)化程度產(chǎn)生影響。文中就水電站自動(dòng)化元件狀態(tài)的監(jiān)測(cè)以及相關(guān)的故障診斷技術(shù)進(jìn)行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化元件;狀態(tài)監(jiān)測(cè);故障診斷

中圖分類號(hào)：TV547

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6487（2019）01-0121-02

0引言

在水電站建設(shè)與生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)中，水電站基礎(chǔ)自動(dòng)化是一項(xiàng)較為系統(tǒng)的、綜合的工程，是水電站能否實(shí)現(xiàn)無，人值班的關(guān)鍵。自動(dòng)化元件是機(jī)組開機(jī)、運(yùn)行、停機(jī)、事故停機(jī)、備用、事故報(bào)警所使用的一系列自動(dòng)化元件或裝置。從水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化元件組成來看，大致可以分為壓力測(cè)量、溫度測(cè)量、液位測(cè)量、流量測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量及過速保護(hù)裝置等。

1水電站自動(dòng)化元件概述

在水電站自動(dòng)化工程中，壓力是重要的參數(shù)之一，而液位、密度等指標(biāo)的測(cè)量也常需要通過壓力的測(cè)量實(shí)現(xiàn)，因此，與壓力測(cè)量相關(guān)的自動(dòng)化元件有著較為重要的意義“。就壓力計(jì)的安裝而言，在合理選擇壓力計(jì)的型號(hào)、量程（根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)際需求選擇）的基礎(chǔ)之，上，還應(yīng)當(dāng)明確取壓口的位置。一般而言，取壓口的位置應(yīng)當(dāng)選擇被監(jiān)測(cè)介質(zhì)流動(dòng)的直管道上，并確保開孔位置能夠使壓力信號(hào)的走向合理化。此外，為了保證壓力計(jì)在自動(dòng)化作業(yè)過程中的正常運(yùn)行，其所選擇的取壓口應(yīng)當(dāng)不存在機(jī)械振動(dòng)等情況，或者相關(guān)因素不至于影響壓力計(jì)的工作狀態(tài)。在現(xiàn)階段的壓力測(cè)量中，智能壓力顯示儀是一種較為重要的自動(dòng)化元件，該元件基于先進(jìn)的微處理器，完成了壓力、溫度、濕度等多種物理量的監(jiān)測(cè)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了智能化控制。

液位測(cè)量是測(cè)量液體介質(zhì)在容器中的液面高度的過程，其主要儀表為液位計(jì)。實(shí)際操作中，考慮到水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的不同需求，液位計(jì)的選擇也應(yīng)當(dāng)盡可能合理化。按照液位計(jì)的工作原理，現(xiàn)階段市售液位計(jì)大致可以分為直讀式、電容式、射線式、浮力式、雷達(dá)式、超聲波式等。以電容式液位變送器為例，該元件依照電容、電極面積與兩極之間的介電常數(shù)相關(guān)原理為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，在測(cè)量非導(dǎo)電液體時(shí)，通過容器壁形成電容兩極，借此測(cè)量出容器中液位的高度;測(cè)量導(dǎo)電液體時(shí)，探極線與導(dǎo)電液體構(gòu)成電容兩極，根據(jù)電容的改變情況測(cè)定液位的改變。

流量測(cè)量是水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化元件中的重要成員，其主要目的是測(cè)量明渠或者管道中的流體流量。流量測(cè)量的類型相對(duì)較多，按照測(cè)量原理進(jìn)行分類，大致可以分為力學(xué)儀表、電學(xué)儀表、熱學(xué)儀表、聲學(xué)儀表、原子物理儀表等;按照流量儀表的結(jié)構(gòu)原理分類，大致可以分為容積式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、沖量式流量計(jì)、葉輪式流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)以及電磁流量計(jì)等。從流量表的工作狀態(tài)來看，儀表自身的可靠性與準(zhǔn)確性直接關(guān)系到流量測(cè)量的精度，因此，在選擇流量儀表時(shí)，應(yīng)當(dāng)從儀表的性能、流體的特性、儀表的工作環(huán)境、安裝的具體條件以及經(jīng)濟(jì)成本等角度入手，盡可能選擇最合理的儀表。

除上述元件外，與溫度測(cè)量、位移測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量以及過速保護(hù)相關(guān)的自動(dòng)化元件，以及其他與自動(dòng)化相關(guān)的元件（軸電流監(jiān)控裝置、發(fā)電機(jī)碳刷除塵器、電磁閥、油混水控制器等），也是水電站自動(dòng)化元件的重要組成部分，但由于篇幅有限，在此不做贅述。

2水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)分析技術(shù)

在機(jī)組運(yùn)行過程中，采取相應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)異常，進(jìn)而查找相應(yīng)的元件故障，避免帶來更為嚴(yán)重的后果。尤其是在破壞性事故的預(yù)防方面，有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷與隱患，進(jìn)而指導(dǎo)機(jī)組的運(yùn)行控制與維護(hù)檢修工作。基于此，加強(qiáng)水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，即是新時(shí)期水電站自動(dòng)化的重要要求，又是保障機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要條件。

回顧在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程，雖然我國在水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究起步較晚，但得益于相關(guān)產(chǎn)品的快速開發(fā)以及政府部門給予的大力支持，水電機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)于水力發(fā)電事業(yè)中快速推廣。加之相關(guān)產(chǎn)品的實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為監(jiān)測(cè)技術(shù)的改進(jìn)與產(chǎn)品的后續(xù)開發(fā)提供的重要參考，國內(nèi)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭良好。從水電機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成來看，大致可以分為數(shù)據(jù)采集站、傳感器、狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師工作站、WEB服務(wù)器以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、系統(tǒng)軟件等組成部分（見圖1）。其中，傳感器是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)服務(wù)器完成各類狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，數(shù)據(jù)采集站負(fù)責(zé)狀態(tài)信息的采集、處理與分析，WEB服務(wù)器則用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的在線通信。

水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，是及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行存在的缺陷或者隱患，基于此，狀態(tài)監(jiān)測(cè)的參數(shù)選取應(yīng)當(dāng)從狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量、工況參數(shù)、過程量參數(shù)等角度考慮。其中，狀態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)量的獲取較為簡單，只需通過應(yīng)的自動(dòng)化元件與現(xiàn)場(chǎng)傳感器/信號(hào)器即可獲取;過程量參數(shù)的獲取，可借助電站計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)獲得，并通過WEB服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器提供的通信支持完成數(shù)據(jù)的傳輸;而工況參數(shù)采集方面，可采用開關(guān)量硬接線的方式獲取。在明確監(jiān)測(cè)目標(biāo)后，就需要著手進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的選擇與布置。實(shí)際操作中，需要結(jié)合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，配置合理的狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)。

3水輪發(fā)電機(jī)組的故障診斷

在完善水輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)體系的基礎(chǔ)之上，要保證機(jī)組的正常運(yùn)行，還需要切實(shí)可行的故障診斷技術(shù)。就現(xiàn)階段的設(shè)備故障診斷與檢修管理來看，狀態(tài)檢修是一種較為重要的模式，能夠較好的解決傳統(tǒng)檢修模式下，定期檢修帶來的一系列問題（如設(shè)備過修等問題）。從狀態(tài)檢修的角度考慮，機(jī)組的故障診斷應(yīng)當(dāng)從構(gòu)建相應(yīng)的設(shè)備參數(shù)平臺(tái)、施行系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、完善設(shè)備故障診斷技術(shù)等角度入手進(jìn)行深入探討與分析，并結(jié)合既往故障診斷、故障檢修獲得的寶貴經(jīng)驗(yàn)，參考在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組的狀態(tài)進(jìn)行正確評(píng)估，進(jìn)而給出符合機(jī)組實(shí)際工況的故障診斷結(jié)果與檢修建議。設(shè)備故障的隱蔽性、并發(fā)性、復(fù)雜性以及不確定性一直是故障診斷的難點(diǎn)，同時(shí)也是阻礙故障早期診斷的重要因素。鑒于單一診斷方法的能力有限，近年來，相關(guān)研究者從綜合故障診斷技術(shù)的應(yīng)用角度展開了分析，而電氣設(shè)備相關(guān)的“專家系統(tǒng)”的出現(xiàn)，則為機(jī)組的故障診斷提供了重要的工具。一般而言，基于綜合故障診斷模型的“專家系統(tǒng)”，能夠?qū)崿F(xiàn)在線狀態(tài)采集、狀態(tài)分析、故障診斷、故障統(tǒng)計(jì)以及故障處理等功能于一身的自動(dòng)化、智能化。因此，下一階段的故障診斷技術(shù)研發(fā)中，“專家系統(tǒng)”的開發(fā)或?qū)缪葜匾巧?/p>

4結(jié)束語

隨著我國的水力發(fā)電事業(yè)的快速發(fā)展以及電力體制改革的不斷深入，水輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷得到了廣泛重視。結(jié)合機(jī)組的實(shí)際情況，選取可行的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并加強(qiáng)各類“專家系統(tǒng)”的研發(fā)，能夠?yàn)樗娬咀詣?dòng)化元件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障排查提供重要的路徑。

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