機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場檢驗技術(shù)研究及應(yīng)用

蔣致樂

（國家能源集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 概述

水輪發(fā)電機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)是實時在線監(jiān)視機組各部位運行狀態(tài)的監(jiān)測裝置，廣泛應(yīng)用于水電企業(yè)，其主要的監(jiān)測數(shù)據(jù)為機組的轉(zhuǎn)速、振動、擺度、壓力脈動、噪音、工況參數(shù)等，為運維人員及時了解設(shè)備的運行狀態(tài)，有針對性地維護設(shè)備，減少設(shè)備的突發(fā)性故障和提高設(shè)備運行利用率[1]，提供了幫助。除部分工況參數(shù)由其他監(jiān)控設(shè)備提供外，其他數(shù)據(jù)主要由各種不同的傳感器提供，如監(jiān)測振動的低頻速度傳感器，監(jiān)測壓力脈動的壓力變送器，監(jiān)測擺度的電渦流傳感器等。這些傳感器以電流/電壓的模擬量輸入至數(shù)據(jù)采集單元，通過AD轉(zhuǎn)換、傅里葉變換等軟硬件處理，最終顯示為機組的穩(wěn)定性狀態(tài)參數(shù)。為了保證水電機組安全穩(wěn)定可靠運行，經(jīng)常要判斷其運行狀況是否正常，機組哪一部分可能有故障，是否可以繼續(xù)運行或者能繼續(xù)運行多久，狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)除提供必要的監(jiān)測數(shù)據(jù)外，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過機組設(shè)計值時，通過內(nèi)置的報警邏輯，還能提供預(yù)警信息[2]。

狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)屬于水電站自動化設(shè)備，定期對自動化設(shè)備實施維護和保養(yǎng)，這樣可以有效預(yù)防在實際生產(chǎn)中突然發(fā)生意外事故[3]。按照狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)程的相關(guān)要求，需定期對其進行維護和檢修[4]。如前所述，該系統(tǒng)主要由終端的傳感器部分、數(shù)據(jù)采集單元和軟件組成，其中數(shù)據(jù)采集單元一般通過屏柜安裝在發(fā)電機層，拆卸困難。目前對該系統(tǒng)的檢驗主要集中在傳感器部分，數(shù)據(jù)采集單元檢驗僅僅是靜態(tài)檢驗，檢驗內(nèi)容見表1，檢驗項目不全，不能真實有效檢驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和處理功能。某電站新機啟動調(diào)試過程中，就出現(xiàn)過3個不同廠家的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)不一致，且無法自證各自數(shù)據(jù)是否可靠的情況，給業(yè)主判斷機組運行狀態(tài)帶來困擾，因此有必要針對該系統(tǒng)的運行特點，開發(fā)一種現(xiàn)場檢驗的方法和裝置，以確保其數(shù)據(jù)的正確性和可靠性。

表1 在線監(jiān)測系統(tǒng)性試驗

2 現(xiàn)場檢驗方法介紹

狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場檢驗就是采用模擬機組穩(wěn)定性參數(shù)的標準信號，主要對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度和頻譜分析功能進行檢驗。

狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測水輪發(fā)電機組的運行參數(shù)，可供運行單位參考的主要是幅值和頻率（包含振動、脈動、噪音等）、平均值（主要是工況參數(shù)）?，F(xiàn)場檢驗方法采用動態(tài)信號校驗幅值和頻率的分析功能，采用靜態(tài)信號校驗平均值的采集精度。

2.1 靜態(tài)檢驗

電壓通道檢驗：標準信號器輸出-2～-18 VDC的標準電壓值，與系統(tǒng)采集的電壓值進行對比，計算靜態(tài)精度，檢驗電壓值不少于8個。

電流通道檢驗：標準信號器輸出4～20 mA的標準電流值，與系統(tǒng)采集的電流值進行對比，計算靜態(tài)精度，檢驗電流值不少于8個。

2.2 動態(tài)檢驗

水輪發(fā)電機組的狀態(tài)參數(shù)，除了幅值外，頻率也是重要的參考量，尤其對于故障的分析，頻率分析至關(guān)重要。傳感器的信號輸出往往包括幾種不同頻率的特征信號，狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)利用傅里葉變換，將這些信號“分解”為不同頻率、不同幅值的狀態(tài)量，提供給用戶進行分析。對于不同廠家的狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，對這些特征信號的采集、分析和處理也是不同的，動態(tài)校驗就是采用標準的信號發(fā)生器，產(chǎn)生電流/電壓的正弦波模擬量信號，模擬狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)所用的傳感器的信號輸出，為了解系統(tǒng)對復(fù)雜信號的處理方式，用來檢驗的標準信號還包括不同頻率、不同幅值的合成信號。

2.2.1 電壓通道檢驗

（1）采用標準信號器輸出偏值電壓U0為-10 V的正弦波信號，振幅電壓Up-p分別設(shè)為0.1 V、0.2 V...1.0 V（間隔步長可根據(jù)選用的傳感器類型而定），檢驗該通道的幅值分析功能。

（2）采用經(jīng)調(diào)制的不同頻率和不同振幅電壓Up-p的合成信號，檢驗系統(tǒng)的頻譜分析功能。合成信號的頻率成分至少應(yīng)包含轉(zhuǎn)頻、低頻、倍頻的組合，合成信號各分量的Up-p范圍應(yīng)包含該設(shè)備主要的應(yīng)用區(qū)間。

2.2.2 電流通道檢驗

（1）采用標準信號器輸出偏值電流I0在4～20 mA區(qū)間的正弦波電流信號，振幅電流Ip-p分別設(shè)為1 mA、2 mA...5 mA（間隔步長可根據(jù)選用的傳感器類型而定），檢驗該通道的幅值分析功能。

（2）采用經(jīng)調(diào)制的不同頻率和不同振幅電流Ip-p的合成信號，檢驗系統(tǒng)的頻譜分析功能。合成信號的頻率成分至少應(yīng)包含轉(zhuǎn)頻、低頻、倍頻的組合，合成信號各分量的Ip-p范圍應(yīng)包含該設(shè)備主要的應(yīng)用區(qū)間。

3 檢驗裝置介紹

結(jié)合現(xiàn)場檢驗方法開發(fā)的檢驗裝置，主要由信號發(fā)生單元、信號調(diào)制單元和信號轉(zhuǎn)換單元3部分組成。信號發(fā)生單元采用成熟的函數(shù)信號發(fā)生器，適應(yīng)水輪發(fā)電機組的頻率特點，并注重信號的低頻特性。信號調(diào)制單元主要由運放器、激勵電源組成，可接收3路信號調(diào)制單元發(fā)送的Up-p、U0信號，經(jīng)運算放大單元，同相或反相輸出，信號可放大，輸出電壓Uout為輸入電壓的矢量和。因函數(shù)信號發(fā)生器僅能輸出電壓信號，而狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)電流通道需要Ip-p、I0信號，信號轉(zhuǎn)換單元是將Up-p、U0轉(zhuǎn)換為Ip-p、I0的裝置，主要由可調(diào)電位器、電源組成。該裝置原理圖如圖1所示。

圖1 水輪發(fā)電機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場檢驗裝置原理圖

4 檢驗實例

某電站位于四川省石棉縣境內(nèi)，機組額定轉(zhuǎn)速125 r/min，安裝的狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要測點見表2。其中，電壓測點14個，分別采用電渦流傳感器和低頻速度傳感器；電流通道3個，分別采用壓力變送器和監(jiān)控開出的4～20 mA模擬量；開關(guān)量通道1個。

表2 某電站機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)測點表

4.1 靜態(tài)檢驗

靜態(tài)檢驗前，通過通道的參數(shù)率定，將通道參數(shù)的一次函數(shù)斜率設(shè)置為1，截距設(shè)置為0。電渦流傳感器的輸出電壓為-2～-18 VDC，中值為-10 VDC，以2 V作為電壓間隔進行檢驗；低頻速度傳感器的輸出電壓為-4～-20 VDC，零位值為-12 VDC，也以2 V作為電壓間隔進行檢驗；不管是壓力傳感器，還是監(jiān)控的開出模擬量，其輸入信號均為4～20 mA的模擬量，以2 mA作為間隔進行檢驗。以上3種測點分別以上導(dǎo)擺度、上機架振動和有功功率為例，檢驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 某電站狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)靜態(tài)檢驗數(shù)據(jù)表

考慮到水輪發(fā)電機組狀態(tài)工況參數(shù)主要用作監(jiān)視，不參與機組控制，該電站的狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)通道的靜態(tài)精度滿足監(jiān)測需要。

4.2 動態(tài)檢驗

根據(jù)2.2所述檢驗的方法，先進行電壓通道的動態(tài)檢驗，以上導(dǎo)X擺度為例，擺度測量采用電渦流位移傳感器，中值電壓為-10 V，量程為0～2 mm，機組實際運行時上導(dǎo)擺度約為150 μm，主頻為2.08 Hz的轉(zhuǎn)頻，次頻為2倍頻，由此擬定該通道的動態(tài)檢驗方案為：偏值電壓為-10 V，脈動電壓Up-p分別選取-0.5 V、-1.0 V...-3.0 V，頻譜分析功能檢驗的頻率值分別為2 Hz、5 Hz，對應(yīng)幅值分別為-1.5 V、-1.0 V，檢驗數(shù)據(jù)見表4和圖2。

圖2 水輪發(fā)電機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)電壓通道錄波圖（上導(dǎo)擺度）

表4 某電站狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)檢驗表（上導(dǎo)擺度）

需要進行電流通道檢驗的主要是壓力脈動測點，以尾水管壓力脈動為例，選取的壓力傳感器量程為0～0.6 MPa，實際運行時，壓力平均值約為0.2 MPa，最大脈動幅值約為0.08 MPa，隨著機組運行工況的變化，主要的頻率分量有轉(zhuǎn)頻和低頻分量（尾水管低頻渦帶引起），擬定的檢驗方案為：偏值電流為10 mA，Ip-p分別選取0.5 mA、1.0 mA...3.0 mA，頻譜特性檢驗的頻率值分別為2 Hz、0.5 Hz，對應(yīng)幅值分別為1.0 mA、2.0 mA，檢驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 某狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)檢驗表（尾水管壓力脈動）

實際運行過程中，穩(wěn)態(tài)工況下，水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性參數(shù)有一定的波動，經(jīng)運行人員反映，振擺幅值波動量在20 μm左右，折算波動電壓值為±0.08 VDC，壓力脈動波動量在10 kPa左右，折算波動電流值為±0.13 mA，從表4和表5可以看出，狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)幅值分析的誤差均較波動量小一個量級，精度滿足監(jiān)測要求。系統(tǒng)對多幅值、多頻率合成的信號“分解”精度略低于單頻率、單幅值的信號，可能與裝置信號合成的精度有關(guān)。

總體而言，通過現(xiàn)場檢驗，該機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度和頻譜分析功能滿足監(jiān)測和分析的要求，軟件的數(shù)據(jù)處理直觀、清晰，無特殊的數(shù)據(jù)處理盲區(qū)。

5 結(jié)語

文章介紹了一種現(xiàn)場檢驗水輪發(fā)電機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的方法，彌補了以前僅對傳感器檢驗而未針對系統(tǒng)的不足。該方法創(chuàng)新性提出了采用合成信號，動態(tài)檢驗系統(tǒng)的幅頻分析功能，有利于水電站運維人員掌握狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的特性，提高其數(shù)據(jù)的可靠性和可分析性。與檢驗方法配套開發(fā)的現(xiàn)場檢驗裝置，通過信號的調(diào)制和轉(zhuǎn)換，完全模擬機組穩(wěn)定性參數(shù)的信號特點，為現(xiàn)場檢驗的方法奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。