水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子視覺監(jiān)測系統(tǒng)工程應(yīng)用研究

萬慧明 陳玨良 王 星 肖冬梅

1.東方電氣集團東方電機有限公司 四川 德陽 618000 2.國家能源集團江西電力有限公司萬安水力發(fā)電廠 江西 萬安 343800

1 引言

水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子是發(fā)電機的核心部件,直接關(guān)系到水電站的安全運行。機組運行時,轉(zhuǎn)子受到離心力、電磁力、熱應(yīng)力等因素影響,會出現(xiàn)如磁極引出線變形、磁極線圈匝間開裂、螺栓松動等故障造成安全隱患[1]。為此,機組每次檢修時,轉(zhuǎn)子的檢修都是重中之重。

目前,轉(zhuǎn)子的巡檢主要是通過人工的方式完成,需要技術(shù)人員在停機檢修時鉆進發(fā)電機內(nèi)部,手持燈光設(shè)備逐處完成檢查。該種方式檢修時間長、人員工作量大,且由于燈光等原因造成漏檢。另外種方式是通過人工光纖內(nèi)窺鏡的方式[2],該方式能夠巡查的范圍更大,但仍有圖像不清晰,需要人工手動操作的問題。

本文提出了一種轉(zhuǎn)子視覺監(jiān)測系統(tǒng),可在線對轉(zhuǎn)子進行檢測、實時分析并報警。立足工程實際應(yīng)用場景和需求,詳述了轉(zhuǎn)子視覺監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案,并結(jié)合實際應(yīng)用,提出了該系統(tǒng)應(yīng)注意的要點。

2 工程應(yīng)用場景及需求

2.1 工程應(yīng)用場景 國內(nèi)某水電廠發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速為76.9r/min,磁極數(shù)量為78個,磁極處線速度約為50m/s,采用傳統(tǒng)大回風結(jié)構(gòu)(無玻璃鋼擋風板),局部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子局部示意圖

定子與轉(zhuǎn)子區(qū)域為強磁場所區(qū)域,正上方風溫在70度左右。上機架上方為冷風區(qū),風溫在40度左右。

2.2 工程應(yīng)用需求 為了能夠減少人工巡檢量,需要設(shè)計一套視覺監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對磁極上端部的在線巡檢,主要要求如下:

(1)系統(tǒng)安全可靠,不會對原系統(tǒng)造成額外的風險;

(2)能夠在機組運行時完成磁極上端部所有畫面的監(jiān)測;

(3)采集的畫面清晰明亮,磁極端部特征無模糊現(xiàn)象。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)布置方案設(shè)計 視覺識別系統(tǒng)主要包括工業(yè)相機、鏡頭和光源,結(jié)構(gòu)方案設(shè)計需綜合考慮空間、磁場、環(huán)境溫度等因素的影響。

圖2為本方案的結(jié)構(gòu)布置方案。方案中在磁極正上方的機架上固定一個鋁制屏幕罩,罩子內(nèi)封裝了相機和光源,屏蔽罩下方采用了一塊有機玻璃作為結(jié)構(gòu)光學通道。該方案能夠保證無異物掉落到轉(zhuǎn)子區(qū)域內(nèi),且不受主磁場影響。由于處在冷風區(qū)域,相機能夠長期工作。

圖2 結(jié)構(gòu)布置方案

3.2 關(guān)鍵硬件選型 本文針對系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件相機、鏡頭和光源進行了選型分析。

(1)相機選型。相機選型首先要確定需要的工程應(yīng)用需要的視野范圍。本方案初選用兩張照片覆蓋一個完整磁極,兩張照片重合30%左右,此時圓周方向視野在350mm左右,徑向視野需求在500mm左右。按精度1/3mm設(shè)計,至少需求橫向分辨率500*3=1500,縱向分辨率350*3=1050,分辨率=1500*1050=157.5W像素。機器視覺需求一般需要在此基礎(chǔ)上乘以4,因此相機至少需要600到800W像素之間。按4倍考慮,相機像素為3000*2100。

機組轉(zhuǎn)速為76.9r/min,每轉(zhuǎn)需要0.78s。一共78個磁極,每轉(zhuǎn)需求至少拍攝156張照片,因此相機幀率最少為156/0.78=200幀。

由于轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn),曝光時間的正確選取是清晰成像的關(guān)鍵,過大時圖像會產(chǎn)生拖影。曝光時間<(精度1/3mm)/(運動速度50m/s)=6.6us,選取6us。

(2)鏡頭選型。相機像元尺寸一般在0.005mm左右,鏡頭放大倍率為0.005/(1/3*0.5)=0.03。按照圖2的結(jié)構(gòu)設(shè)計,相機距離磁極的工作距離在850mm左右。根據(jù)光學成像原理,鏡頭焦距為850*0.03/(1+0.03)=24.75mm,因此選擇常見的24mm焦距鏡頭。相機傳感器橫向尺寸為3000*0.005=15mm,縱向尺寸2100*0.005=10.5mm,對角線尺寸為18.3mm。鏡頭傳感器尺寸一般要求大于等于相機傳感器尺寸,此時選擇常見的17.6mm。

本項工程應(yīng)用中,由于拍攝的視野廣,磁極端面并非平面,需要考慮一定的景深需求,初步按60mm設(shè)計。景深計算公式如下:

△L=2f2FδL2/(f4-F2δ2L2) (1)

f-鏡頭焦距

F- 鏡頭的拍攝光圈值

式中

δ- 容許彌散圓直徑δ=d/1730,d為傳感器尺寸

L- 對焦距離

根據(jù)計算公式,可以反推出光圈值F在2.4左右,選用F2.8的光圈可以滿足系統(tǒng)需求。如果需要增大景深,在別的參數(shù)不變的情況下,需要相應(yīng)的提高F值。

(3)光源選型。此處選用高速光源,其為無頻閃光源,能夠應(yīng)對微秒級、納秒級的拍攝。由于安裝環(huán)境復雜,其選型需結(jié)合具體相機、具體場景并經(jīng)過一定的試驗才能確定,具體過程此處不再贅述。

3.3 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計 經(jīng)過上述選型,本方案最終采用了一款200幀/s@3200x2200像素光纖接口像機,鏡頭為24-85mm F2.8-4D,光源為一款120W的高速光源。

轉(zhuǎn)子視覺監(jiān)測系統(tǒng)由相機、光源、屏蔽罩、現(xiàn)地PLC柜、圖像存儲服務(wù)器、圖像處理服務(wù)器等組成,系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子視覺監(jiān)測系統(tǒng)圖

需要監(jiān)測轉(zhuǎn)子時,圖像處理服務(wù)器通過光纖和PLC啟動相機和光源的電源,相機正常工作,拍攝的圖片通過光纖直接上傳到圖像存儲服務(wù)器,后續(xù)圖片處理、結(jié)果分析在圖像處理器上完成。

3.4 應(yīng)用效果 圖4為機組正常運行時系統(tǒng)拍攝到的實物圖,實物效果基本達到了工程應(yīng)用需求。

圖4 轉(zhuǎn)子視覺監(jiān)測系統(tǒng)拍攝實物圖

4 結(jié)語

本文立足工程實際,為水輪發(fā)電機定制開發(fā)了一套轉(zhuǎn)子視覺監(jiān)測系統(tǒng)。用戶能夠通過該系統(tǒng)實時監(jiān)控到以前檢修期才能監(jiān)測的轉(zhuǎn)子,有效避免如磁極螺栓松動、磁極線圈開裂、引出線變形等常見故障的擴展。

實際工程應(yīng)用中,除了文中提到的關(guān)鍵設(shè)備選型,還應(yīng)注意如信號傳輸、數(shù)據(jù)存儲、抗干擾、光源反光和系統(tǒng)工作模式等問題。本工程應(yīng)用的最終成功實現(xiàn),為水輪發(fā)電機開展視覺監(jiān)測提供了重要參考,同時對同類高速視覺項目有較大的借鑒意義。