智能遠(yuǎn)程運(yùn)維與機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的融合應(yīng)用

付向濤

（1.五凌電力有限公司掛治電廠，貴州 錦屏 556700；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 概述

發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子空氣間隙（簡(jiǎn)稱“氣隙”）是一項(xiàng)重要的電磁參數(shù)，它對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能及技術(shù)指標(biāo)有著直接的影響。運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)氣隙的均勻性直接影響著發(fā)電機(jī)的電氣、機(jī)械性能的穩(wěn)定，氣隙不均勻一是會(huì)導(dǎo)致電磁不平衡力作用于機(jī)組導(dǎo)軸承上，引起機(jī)組振動(dòng)增大和導(dǎo)軸承溫度升高，二是會(huì)引起發(fā)電機(jī)電勢(shì)中諧波分量的增加，造成磁極阻尼條過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)造成設(shè)備損壞。

水輪機(jī)空化特性是研究水輪機(jī)效率、噪音和振動(dòng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它是造成水輪機(jī)效率下降的重要因素，也是造成過(guò)流部件的侵蝕與破壞（特別是轉(zhuǎn)輪葉片表面快速損壞）并產(chǎn)生噪聲和劇烈振動(dòng)的主要原因，由此引起的事故往往是災(zāi)難性的，會(huì)造成巨大的損失。

螺紋連接在水電廠金屬結(jié)構(gòu)上廣泛應(yīng)用，其預(yù)緊力是否合適將直接關(guān)系到設(shè)備的可靠性和安全性。預(yù)緊力過(guò)大易導(dǎo)致螺栓疲勞破壞，預(yù)緊力不夠則會(huì)引起振動(dòng)松弛、滑移。國(guó)內(nèi)外已有出現(xiàn)因頂蓋螺栓斷裂導(dǎo)致的水淹廠房重大安全事故。

對(duì)于上述重要的狀態(tài)參數(shù)，電廠現(xiàn)有的機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚缺乏有效的監(jiān)測(cè)手段和完善的算法，而五凌公司現(xiàn)有的智能遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和算法模型，恰好可以與電廠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相輔相成。因此，有必要完善發(fā)電機(jī)氣隙、水輪機(jī)空化和螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)手段，并將數(shù)據(jù)傳輸至公司智能遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，以其強(qiáng)大的計(jì)算能力和算法為依托，指導(dǎo)電廠設(shè)備維護(hù)和狀態(tài)檢修。

2 主要做法

2.1 可行性研究

五凌公司水電智能遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)充分利用了大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)，成為水電提質(zhì)增效的利器，圖像、聲音、氣味等先進(jìn)智能感知分析技術(shù)和故障信號(hào)征兆提取技術(shù)的應(yīng)用和完善，為機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和故障診斷技術(shù)數(shù)據(jù)接入，創(chuàng)造了無(wú)限可能。

對(duì)于機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)而言，只重視大軸擺度、竄動(dòng)量和機(jī)組振動(dòng)指標(biāo)，是在水電行業(yè)普遍存在的現(xiàn)象，而對(duì)發(fā)電機(jī)氣隙、水輪機(jī)空化等同樣重要的運(yùn)行指標(biāo)，均無(wú)有效的監(jiān)測(cè)手段或足夠的重視程度，導(dǎo)致定子變形、轉(zhuǎn)子偏移、磁極伸長(zhǎng)、輪葉空蝕、金結(jié)連接松動(dòng)等故障或惡化趨勢(shì)均無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。因常規(guī)的機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚缺乏有效的監(jiān)測(cè)手段和完善的算法，而五凌公司智能遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)強(qiáng)大的計(jì)算能力和算法模型恰好可以與之相輔相成。

2.2 方法探索

電廠以3號(hào)機(jī)A級(jí)檢修為契機(jī)，積極探索基于智能遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的機(jī)組在線監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)，一是探究擴(kuò)展開(kāi)發(fā)氣隙、空化、軸力監(jiān)測(cè)功能以及服務(wù)器端開(kāi)發(fā)故障診斷算法和模型的可行性，二是向設(shè)計(jì)單位和制造廠家求證傳感器安裝方式的安全性，三是向水電創(chuàng)新中心提出發(fā)電機(jī)氣隙、水輪機(jī)空化、頂蓋螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入訴求。

2.3 發(fā)電機(jī)氣隙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.3.1 設(shè)備原理

北京奧技異定制開(kāi)發(fā)PSTA2100/G 發(fā)電機(jī)氣隙監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，由傳感器、現(xiàn)地單元和上位機(jī)三部分組成，通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的空氣間隙，全面了解機(jī)組發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子初始形貌以及運(yùn)行過(guò)程中定、轉(zhuǎn)子發(fā)生蠕變等情況?；谙冗M(jìn)的指標(biāo)量化評(píng)價(jià)技術(shù)，可以在線準(zhǔn)確預(yù)診斷13+種故障或缺陷。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 氣隙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

每種故障（缺陷）與診斷指標(biāo)一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)診斷指標(biāo)越限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示相應(yīng)的故障原因和檢修策略。

表1 診斷指標(biāo)及意義

2.3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

氣隙傳感器安裝之前進(jìn)行通電測(cè)試，方法為：連接模塊通+24V DC電，用鋼板接近和遠(yuǎn)離傳感器，根據(jù)距離變化，觀察輸出在4～20 mA內(nèi)變化。

4支空氣間隙傳感器分別安裝在+X向、+Y向、-X向、-Y向，一支磁通量傳感器安裝在-X向，安裝位置如圖2所示。

圖2 氣隙傳感器等安裝位置

氣隙和磁通量傳感器上端沿與第四個(gè)通風(fēng)槽平行，傳感器粘貼處定子相應(yīng)部位接觸面需用砂紙清理干凈并形成一定的粗糙度，再用酒精擦拭干凈，防止損壞硅鋼片外表絕緣漆。

清理干凈后，把傳感器背部朝上放平，以S形狀抹上適量的傳感器專用膠330（針管狀的），用刮板涂抹均勻，然后用配套的催化劑7387均勻噴灑一遍。

把傳感器貼在清理干凈的地方，用手持續(xù)按壓3～5 min，使上面的膠分布更加均勻，延長(zhǎng)電纜用專用膠進(jìn)行固定。

固定后，使用樂(lè)泰330專用膠，沿傳感器四周、引出線兩側(cè)和定位導(dǎo)線保護(hù)管捆扎處，補(bǔ)膠粘貼，以加強(qiáng)粘貼效果，確保安裝強(qiáng)度。

把傳感器與延長(zhǎng)電纜連接，并用熱縮套管把傳感器與延長(zhǎng)電纜連接地方的金屬部分包住，用吹風(fēng)機(jī)烘烤使其包緊。

把傳感器端的電纜拉緊使其貼緊定子，用綁扎帶或玻璃絲帶等把電纜固定，然后用玻璃膠330膠配合催化劑固定傳感器端在定子內(nèi)部的電纜部分。次日用玻璃膠對(duì)電纜部分及傳感器進(jìn)行加固。

安裝實(shí)例如圖3所示。

圖3 磁通量（左）和氣隙貼片（右）

在傳感器上方定子齒壓板處焊接接地螺絲，保證地線與螺釘連接牢固，如圖4所示。

圖4 延長(zhǎng)電纜包裹及接地

安裝6個(gè)定子鐵心振動(dòng)傳感器，分A、B、C共3組，每組包括一個(gè)水平與一個(gè)垂直傳感器，作為氣隙監(jiān)測(cè)輔助手段；3組按間隔120°布置，在定子齒壓板焊接6個(gè)傳感器底板，并使用水平儀保證底座水平和垂直度，傳感器固定在傳感器底板上，端子箱及傳感器安裝位置如圖1所示。

振動(dòng)傳感器安裝時(shí)必須保證傳感器的水平度和垂直度，不應(yīng)有斜度，傳感器底端固定螺絲不能突出底座，并用硅膠密封，傳感器固定螺栓不得與傳感器殼體短接。

氣隙數(shù)據(jù)采集箱安裝在機(jī)旁小室儀表控制柜，部署于機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振擺采集箱旁邊。

從原在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速端子處分一路轉(zhuǎn)速信號(hào)接入氣隙采集箱。

在監(jiān)控機(jī)房安裝一臺(tái)KKM算法服務(wù)器，并與機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器連接，用于氣隙等數(shù)據(jù)分析計(jì)算使用。

實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)氣隙狀態(tài)分析、磁場(chǎng)強(qiáng)度分析、鐵芯振動(dòng)監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)分析功能，預(yù)警機(jī)組相關(guān)故障，提示管理人員。

2.4 水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)

2.4.1 設(shè)備原理

通過(guò)對(duì)水力機(jī)械對(duì)象進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)測(cè)量，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的歷史運(yùn)行狀態(tài)、變化做記錄、存儲(chǔ)、分析，來(lái)判斷設(shè)備空化狀態(tài)。

采用高靈敏度、高速同步數(shù)據(jù)采集器與嵌入式高性能計(jì)算機(jī)運(yùn)算系統(tǒng)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)水力機(jī)械相應(yīng)部位的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并開(kāi)創(chuàng)性的運(yùn)用高頻數(shù)據(jù)分析算法、存儲(chǔ)、檢索、實(shí)時(shí)分析等技術(shù)對(duì)水力機(jī)械設(shè)備空化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

可根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)空化歷史數(shù)據(jù)和累計(jì)發(fā)生率進(jìn)行檢索和研判，以及時(shí)掌握設(shè)備因空化造成的傷害程度，從而決定是否維修、維護(hù)、保養(yǎng)和更換相關(guān)備件。

系統(tǒng)基本原理圖（圖5）：

圖5 水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)裝置原理圖

流體機(jī)械空化噪聲是流體動(dòng)力學(xué)中的重要聲源之一，在空泡的發(fā)生、發(fā)展到潰滅的過(guò)程中都伴隨著聲能的輻射，尤其是潰滅的過(guò)程中噪聲能量尤為集中。形成聲能的原理是由于其體積的劇烈變化而形成的單極子聲源，是典型的輻射發(fā)聲。

根據(jù)空化聲學(xué)理論，空泡發(fā)生、發(fā)展到潰滅的過(guò)程中輻射的噪聲信號(hào)與空泡的尺寸有關(guān)。尺寸越小，輻射的噪聲頻率信號(hào)越高，尺寸越大則輻射噪聲的信號(hào)頻率越低。

該設(shè)備采用哈爾濱澤級(jí)源碼大數(shù)據(jù)公司自主研發(fā)的嵌入式空化分析報(bào)警系統(tǒng)，空化噪聲信號(hào)頻譜如圖6所示。

圖6 水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)裝置原理圖

2.4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

傳感器安裝位置為操作廊道尾水進(jìn)人門(mén)上方管壁。

安裝方式為磁力吸附，采用磁力座固定傳感器，并將磁力座緊緊吸附在尾水進(jìn)人門(mén)表面，確保傳感器磁力座與尾水進(jìn)人門(mén)表面緊密貼合。安裝前需在選定的位置將防銹漆去除并打磨平滑。

為保證機(jī)箱內(nèi)設(shè)備長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，在機(jī)箱內(nèi)安裝智能除濕裝置，安裝位置選擇在柜內(nèi)電氣設(shè)備下方，排水口應(yīng)密封無(wú)泄漏，排水管經(jīng)機(jī)箱進(jìn)出線孔鋪設(shè)至廊道排水槽。從進(jìn)人門(mén)附近照明燈至機(jī)箱鋪設(shè)供電電源線纜。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，采用“DTU+中繼器”的4G物聯(lián)網(wǎng)接入方式，采用MODBUS RTU通信協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

2.5 螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)

2.5.1 設(shè)備原理

現(xiàn)階段，螺栓的檢測(cè)主要通過(guò)離線狀態(tài)下，人工復(fù)檢的方式進(jìn)行。一方面，實(shí)施難度大，特別是針對(duì)大預(yù)緊力和安裝空間緊張的重要螺栓；另一方面，人工檢查的覆蓋率底，容易出現(xiàn)漏檢。更為重要的是，現(xiàn)有檢測(cè)手段為多為螺栓扭矩、液壓拉伸測(cè)長(zhǎng)、超聲無(wú)損探傷等間接方式，無(wú)法精確獲知螺栓預(yù)緊力大小，更無(wú)法對(duì)服役狀態(tài)下的螺栓進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。因此，需開(kāi)展頂蓋螺栓軸力在線監(jiān)測(cè)工作，單臺(tái)機(jī)組監(jiān)測(cè)24個(gè)頂蓋與座環(huán)連接螺栓，分析是否發(fā)生松動(dòng)、斷裂，并進(jìn)行預(yù)警。

此系統(tǒng)采用北京艾法斯特縱波超聲測(cè)量技術(shù)，流程圖如圖7。

圖7 縱波超聲測(cè)量流程

系統(tǒng)構(gòu)架如圖8。

圖8 系統(tǒng)構(gòu)架

2.5.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在圖9位置焊接安裝控制箱+220 V供電，包括超聲波螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)+DTU模塊位置。

圖9 安裝位置

對(duì)頂蓋螺栓端面進(jìn)行適當(dāng)打磨，利用雙波測(cè)量當(dāng)前螺栓軸力后，進(jìn)行貼片。利用樂(lè)泰680高強(qiáng)度固持膠，粘接超聲晶片（壓電陶瓷片）選用激勵(lì)頻率2MΦ10。打磨圖層恢復(fù)-噴鋅或者涂刷恢復(fù)螺栓圖層保證防腐。

頂蓋與座環(huán)連接螺栓為雙頭螺柱，材質(zhì)為40Cr，強(qiáng)度等級(jí)為8.8，每臺(tái)機(jī)組共96個(gè)，均勻分布在直徑Φ8 000 mm的圓周上，在頂蓋均布24個(gè)點(diǎn)，每隔4個(gè)布一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

使用4G DTU通過(guò)ModbusTCP將主機(jī)接入智能遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖10所示。

圖10 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 推廣展望

發(fā)電機(jī)氣隙、水輪機(jī)空化、頂蓋螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)的研究和應(yīng)用，可在原有監(jiān)測(cè)手段的基礎(chǔ)上，為水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更有力的保障。以氣隙傳感器為主要監(jiān)測(cè)手段、磁場(chǎng)傳感器和振動(dòng)傳感器及鍵相轉(zhuǎn)速測(cè)量為輔助監(jiān)測(cè)手段的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)以及基于聲學(xué)和振動(dòng)測(cè)量學(xué)原理，對(duì)空泡發(fā)生、發(fā)展到潰滅的過(guò)程中輻射的噪聲信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的空化在線監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)，已在掛治電廠3號(hào)機(jī)初步安裝和應(yīng)用，給電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了良好的安全效益，對(duì)同類型機(jī)組而言具有寶貴的推廣意義和參考價(jià)值。

4 總結(jié)

基于水電智能遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的機(jī)組在線監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)研究和應(yīng)用，一是為電廠提供定子變形、轉(zhuǎn)子偏移、磁極伸長(zhǎng)、水輪機(jī)空化、頂蓋螺栓松動(dòng)在內(nèi)的多種故障和缺陷判斷；二是以智能遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)為依托，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和故障診斷模型為電廠機(jī)組狀態(tài)檢修提供更準(zhǔn)確、有力的支撐，提高電廠設(shè)備管理水平；三是為電廠自動(dòng)發(fā)電控制運(yùn)行控制策略優(yōu)化研究和重要部件損壞機(jī)理研究提供思路。