水輪發(fā)電機(jī)組無人值守狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

畢啟亮，王紹興，薛子萱，唐慧穎

（1.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300450）

中國(guó)是世界上水電資源最豐富的國(guó)家之一，水電在中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著巨大的作用。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和新一代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)向制造業(yè)不斷滲透，新的服務(wù)模式相繼出現(xiàn)，降低設(shè)備維修成本和提升設(shè)備的穩(wěn)定可靠性已經(jīng)作為提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要手段[1-2]。

近年來國(guó)內(nèi)多數(shù)水電站已經(jīng)安裝了現(xiàn)地機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]，但狀態(tài)檢修在實(shí)際工程應(yīng)用中，并未得到很好的應(yīng)用[4]。由于受地域、人力和技術(shù)的限制，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大多沒有得到最大程度的利用。一方面，因?yàn)椴荒苡嗅槍?duì)性地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)，造成服務(wù)力量浪費(fèi)的問題屢見不鮮；另一方面因?yàn)榉?wù)力量不足，無法做到隨叫隨到，故障往往無法獲得及時(shí)有效的診斷和維修，導(dǎo)致設(shè)備停止運(yùn)行的嚴(yán)重后果。因此，開展水輪發(fā)電機(jī)組無人值守狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究對(duì)實(shí)時(shí)了解發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，提高機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)效性，降低服務(wù)成本，提高水電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于此，天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院聯(lián)合天發(fā)總廠機(jī)電設(shè)備有限公司，圍繞水力發(fā)電機(jī)組，以提高發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)效性，降低服務(wù)成本為目標(biāo)，基于傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)分析等理論方法，開展了面向個(gè)性服務(wù)的狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究，開發(fā)了發(fā)電機(jī)組無人值守狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為發(fā)電設(shè)備的管理提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，有效降低了企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，并促進(jìn)了企業(yè)兩化融合的深入推進(jìn)。

1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

水電機(jī)組屬于大型低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本很高[5]。為了更好地保障其工作性能，監(jiān)測(cè)機(jī)組的穩(wěn)定性尤為重要。機(jī)組的穩(wěn)定性主要取決于機(jī)組的振動(dòng)大小。水利發(fā)電工程因其環(huán)境較為惡劣，機(jī)組振動(dòng)不可避免。絕大部分的振動(dòng)故障均是由機(jī)械、電氣、流體等多種原因引起的，同時(shí)電磁干擾及機(jī)組固有動(dòng)力學(xué)響應(yīng)均對(duì)機(jī)組振動(dòng)產(chǎn)生影響[6]。

1.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容設(shè)計(jì)

為了確保機(jī)組的穩(wěn)定性，必須將機(jī)組振動(dòng)控制在限定閾值內(nèi)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)源的精準(zhǔn)度是首先要考慮的。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)就決定著采集信號(hào)的準(zhǔn)確度以及診斷結(jié)果的可信度，是非常重要的環(huán)節(jié)。

基于機(jī)組的結(jié)構(gòu)特性及運(yùn)行工況來安裝傳感器，統(tǒng)一原則是選取機(jī)組上能夠表現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)最佳的位置。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置既要充分考慮狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析以及故障診斷的需要，又要從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡可能的少。

根據(jù)國(guó)標(biāo)中對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)的規(guī)定，在符合水電機(jī)組運(yùn)行的水力、機(jī)械及電氣等特性基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇基本監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，包括壓力、壓力脈動(dòng)（燈泡頭壓力脈動(dòng)、尾水管壓力脈動(dòng)、轉(zhuǎn)輪室壓力脈動(dòng)等）、機(jī)架和結(jié)構(gòu)振動(dòng)（包含燈泡頭X、Y振動(dòng)、發(fā)導(dǎo)徑向振動(dòng)、水導(dǎo)及轉(zhuǎn)輪室徑向軸向振動(dòng)等）、各導(dǎo)軸承擺度（包含受油器X、Y向擺度、發(fā)導(dǎo)軸承擺度、水導(dǎo)擺度等）。監(jiān)測(cè)內(nèi)容如表1所示。

1.2 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與測(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

支架、支撐振動(dòng)：采集信號(hào)包括水導(dǎo)軸承振動(dòng)、組合軸承振動(dòng)、定子鐵芯振動(dòng)及受油器振動(dòng)等。根據(jù)數(shù)據(jù)分析診斷可直接警示支架松動(dòng)、裂紋等多種故障，以及水力對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響。同時(shí)，也能夠研判支架振動(dòng)的影響范圍以及變化趨勢(shì)，進(jìn)而評(píng)估設(shè)備的使用壽命。

軸承：傳感器以正交的方式安裝，采集信號(hào)包括水導(dǎo)，發(fā)導(dǎo)X、Y向擺度，進(jìn)出口油溫，軸承各瓦溫及徑向振動(dòng)等。通過采集信號(hào)的數(shù)值（如相位、頻率、幅值）變化可提前預(yù)警軸承潤(rùn)滑不良、不對(duì)中、間隙過大或過小等潛在問題。

大軸軸線：可以反映大軸軸線狀態(tài)的數(shù)據(jù)源包括發(fā)導(dǎo)X、Y向擺度，水導(dǎo)X、Y向擺度，鍵相信號(hào)等監(jiān)測(cè)信號(hào)。通過反映大軸截面軸心軌跡的空間軸線圖，能夠獲取大軸的重心偏移、空間運(yùn)動(dòng)等參數(shù)，進(jìn)而掌握大軸的動(dòng)靜態(tài)彎曲狀態(tài)。

過流部件：水力因素是造成水機(jī)振動(dòng)的最主要原因，故水壓脈動(dòng)的測(cè)量是關(guān)鍵，包括滾道進(jìn)口水壓、尾水管進(jìn)口水壓等信號(hào)。

通過水壓及脈動(dòng)值的變化可掌握水力激振對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的影響，提前預(yù)警過流部件的缺陷及損傷，為設(shè)備維護(hù)管理提供技術(shù)支持。

此外，通過對(duì)開停機(jī)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中發(fā)導(dǎo)X、Y向擺度，發(fā)導(dǎo)X、Y向振動(dòng)等信號(hào)的處理，可獲取轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡狀態(tài)，為動(dòng)平衡配重提供依據(jù)。

對(duì)變勵(lì)磁過程中發(fā)導(dǎo)X、Y向擺度，發(fā)導(dǎo)X、Y向振動(dòng)，定子基座振動(dòng)X、Y、Z向振動(dòng)等參數(shù)的分析，確定是否存在電磁拉力不平衡，并對(duì)可能原因作定性判斷，為配重和轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整提供檢修指導(dǎo)。

對(duì)水導(dǎo)X、Y向擺度，水導(dǎo)軸承基座X、Y向振動(dòng)等參數(shù)特定頻率成分在不同水頭、不同開度條件下的分析，確定是否存在水力不平衡，并對(duì)可能原因作定性判斷，為轉(zhuǎn)輪檢修提供檢修指導(dǎo)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

監(jiān)控系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、現(xiàn)地盤柜和現(xiàn)地傳感器等組成。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖如圖1所示。不同規(guī)模的電站配置的監(jiān)測(cè)內(nèi)容可能比完全監(jiān)測(cè)內(nèi)容有所減少，但是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍可參考圖1。

現(xiàn)地傳感器層負(fù)責(zé)將監(jiān)控項(xiàng)目的物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心?，F(xiàn)地盤柜層通過以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)服務(wù)器連接。各狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)從數(shù)據(jù)中心提取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，以圖形、表格、文字等形式統(tǒng)一存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器。WEB/應(yīng)用服務(wù)器通過與數(shù)據(jù)服務(wù)器的交互，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)）、分析診斷結(jié)果等發(fā)布給用戶。系統(tǒng)定期提供狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)及評(píng)價(jià)報(bào)告等。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與顯示

該模塊下，系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并以文字、圖形、數(shù)字、表格等多種展示形式，將機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)顯示在對(duì)應(yīng)的窗口。用戶根據(jù)終端顯示，以此作為設(shè)備檢修維護(hù)工作開展的依據(jù)。監(jiān)測(cè)顯示參數(shù)如表2所示。

監(jiān)測(cè)畫面從不同的角度，分層次展現(xiàn)機(jī)組的狀態(tài)信息，包括機(jī)組概貌圖、軸心軌跡圖、數(shù)值表圖、壓力脈動(dòng)圖、棒圖比較圖、水力能量參數(shù)監(jiān)測(cè)圖、機(jī)架振動(dòng)圖、短時(shí)趨勢(shì)跟蹤監(jiān)測(cè)、空間軸線圖、軸向振動(dòng)圖等。

實(shí)時(shí)棒圖監(jiān)測(cè)圖如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)分析功能

面向現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)工程師或者行業(yè)內(nèi)專家，系統(tǒng)將存儲(chǔ)在服務(wù)器中的的數(shù)據(jù)，通過分析，以文字、波形圖、趨勢(shì)圖、軌跡圖、脈動(dòng)圖、棒圖、數(shù)值表等豐富的形式展示，幫助工程師分析研判機(jī)組的運(yùn)行狀況，有利于用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。功率譜圖如圖3所示，實(shí)時(shí)軸線姿態(tài)軌跡圖如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)軸線姿態(tài)軌跡圖

3.3 智能化分析診斷功能

面向電站的管理人員和運(yùn)行人員，以簡(jiǎn)潔高效的形式為其提供設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)告、狀態(tài)預(yù)警及歷史趨勢(shì)分析報(bào)告。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線生成試驗(yàn)報(bào)告，做到“試驗(yàn)一結(jié)束，報(bào)告即生成”。趨勢(shì)檢查自動(dòng)報(bào)告如圖5所示，機(jī)組振擺/壓力脈動(dòng)特性評(píng)價(jià)報(bào)告如圖6所示，發(fā)電機(jī)質(zhì)量不平衡故障分析報(bào)告如圖7所示。

圖5 趨勢(shì)檢查自動(dòng)報(bào)告

圖6 機(jī)組振擺/壓力脈動(dòng)特性評(píng)價(jià)報(bào)告

圖7 發(fā)電機(jī)質(zhì)量不平衡故障分析報(bào)告

3.4 報(bào)警保護(hù)功能和預(yù)警功能

遵循從實(shí)際出發(fā)的原則，采取多樣的報(bào)警規(guī)則設(shè)置程序，在報(bào)警限值的選擇上對(duì)不同機(jī)組采取個(gè)性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)一策”的報(bào)警策略。一旦測(cè)值發(fā)生超過閾值的變化，或者達(dá)到限定值，這時(shí)提示需要及時(shí)采取措施。

當(dāng)機(jī)組振動(dòng)、擺度、局部放電量等關(guān)鍵參數(shù)未達(dá)到報(bào)警級(jí)別，但是由于機(jī)組缺陷導(dǎo)致上述參數(shù)存在趨勢(shì)變化，可以使用趨勢(shì)預(yù)警功能及早發(fā)現(xiàn)該問題。報(bào)警狀態(tài)窗口如圖8所示。

圖8 報(bào)警狀態(tài)窗口

4 結(jié)束語

文章從傳統(tǒng)裝備制造業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中的需求出發(fā)，面向水利樞紐工程，開展了水輪發(fā)電機(jī)組無人值守狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究，強(qiáng)化了在自動(dòng)化、實(shí)用化方面的分析診斷技術(shù)，可隨時(shí)掌握機(jī)組的運(yùn)行狀況，做到應(yīng)修必修，有效促進(jìn)了企業(yè)信息化進(jìn)程，保障水利發(fā)電工程安全平穩(wěn)運(yùn)行。

通過狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)獲得運(yùn)行數(shù)據(jù)，可遠(yuǎn)程指導(dǎo)解決現(xiàn)場(chǎng)問題，有針對(duì)性地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)，有效解決售后服務(wù)力量不足以及服務(wù)力量浪費(fèi)等問題。同時(shí)通過機(jī)組變化趨勢(shì)分析，能更合理地安排機(jī)組的檢修周期，有效提高企業(yè)對(duì)設(shè)備的管理能力，降低運(yùn)營(yíng)成本。

文章研究成果將支持對(duì)同一類型設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較，統(tǒng)一分析，助力制造企業(yè)維護(hù)指導(dǎo)能力提升以及技術(shù)的改進(jìn)。