水力發(fā)電機組透平油在線監(jiān)測技術研究與應用

朱俊杰，陳澤陽，胡 軍，劉連偉，陳曉華

（1.三峽電廠，湖北 宜昌 443000； 2. 北京華科同安監(jiān)控技術有限公司，北京 100041）

0 前言

近年來，隨著智慧電廠的建設，水電廠中的很多系統(tǒng)都發(fā)展了緊隨大數(shù)據(jù)思維和智慧建設思維的新應用、新平臺。在安全生產、設備監(jiān)視、故障預警等諸多方面發(fā)揮巨大的優(yōu)勢。透平油是機械設備的“血液”，在水電機組運行設備中廣泛使用，有著潤滑、冷卻、密封、防腐等多種作用。而透平油的污染物眾多，主要包括：微磨顆粒、腐蝕產物、水分等。對于油液在線監(jiān)測系統(tǒng)目前水電廠主要用于變壓器油的監(jiān)測，但透平油的監(jiān)測主要還是離線依靠人工監(jiān)測的方式來進行，一般進行在線監(jiān)測的只有水分指標，且監(jiān)測手段較為簡單，僅在軸承油盆內部安裝油混水報警器，提供報警[1]。目前透平油檢測的方式主要存在以下問題：

（1）油混水報警裝置僅能提供簡單的開關量信號報警，無法輸出模擬量信號，無法形成連續(xù)的數(shù)據(jù)供技術人員分析；

（2）油混水報警裝置檢測精度低，漏報、誤報的情況時有發(fā)生，影響電廠安全運行的分析判斷；

（3）油混水報警裝置對透平油的監(jiān)測維度單一，僅能夠檢測透平油中水的含量，無法提供其他重要油質參數(shù)的數(shù)據(jù)；

（4）油質分析主要依靠取樣送檢的方式，運行機組取樣困難且風險較高，不適應機組長周期運行的管理趨勢；

（5）對于推力軸承，無法提供其他油質參數(shù)進行分析，例如非金屬顆粒度和金屬顆粒度等；

（6）離線取樣送檢的過程中容易對油液造成污染，不能夠真實的反應油液的運行狀態(tài)。

以變壓器油色譜在線監(jiān)測的思路來建設透平油的監(jiān)測管理系統(tǒng)，能夠使透平油質量進行線上管理，另外通過豐富的集成式傳感器可以將大部分定檢工作的技術參數(shù)納入在線監(jiān)測。突破傳統(tǒng)電廠對透平油單一的監(jiān)測管理形式。能夠在機組運行過程中實時監(jiān)測油液的各項指標，測量最接近于機組運行狀態(tài)的油液參數(shù)，并能夠長期積累數(shù)據(jù)，進行水電站油液指標的研究。

1 透平油在線監(jiān)測系統(tǒng)結構及原理概述

透平油在線監(jiān)測系與其他在線監(jiān)測系統(tǒng)不同，需要涉及到油液的旁路采集與流通。根據(jù)現(xiàn)場實際情況主要由：前端采集單元、網絡通信裝置、供回油管路、數(shù)據(jù)服務器、數(shù)據(jù)可視化軟件等部件組成[2-8]。其中前端監(jiān)測裝置集成了各類油液傳感器和能夠為油循環(huán)提供動力的微型油泵，主要負責油液數(shù)據(jù)采集，網絡通信裝置負責數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)服務器提供數(shù)據(jù)處理。能夠實現(xiàn)以下參數(shù)的實時測量。

表1 前端監(jiān)測裝置測量表

基本涵蓋了GB/T 14541-2017《電廠用運行礦物渦輪機油維護管理導則》中對于水電機組影響較大的油質指標。測量頻率和數(shù)據(jù)密度根據(jù)現(xiàn)場需要和服務器性能可以實現(xiàn)1~90 min/次的調節(jié)。

以機組推力軸承油盆為例，為保證透平油在線監(jiān)測系統(tǒng)不消耗軸承透平油油量，故選擇外循環(huán)的形式進行油質監(jiān)測。為不影響機組正常運行，油液采集裝置（前端檢測設備）安裝在下機架內部，油路外循環(huán)動力由油液采集裝置內的油泵提供?？紤]到油液中水分、雜質等一般沉積在油盆下部，故監(jiān)測裝置的取油口設計在油盆下部，將原驗油閥管路改造為三通形式，保留原來的取油樣功能的同時滿足透平油在線監(jiān)測系統(tǒng)取油功能?；赜涂谶x在推力油盆油位計上部蓋板處預留的傳感器安裝管（已封堵），需開3/8的圓孔，并焊接回路。油管回油管路從風洞下部結合目前已有的蓋板空洞穿至下機架。

圖1 水輪機組油液在線監(jiān)測實施架構示意圖

2 透平油在線監(jiān)測系統(tǒng)應用

2.1 現(xiàn)場安裝應用情況

安裝設備信息如表2所示。

表2 設備信息

2022年8月完成現(xiàn)場安裝、調試及培訓工作，系統(tǒng)進入正式運行階段，現(xiàn)場安裝圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場安裝圖

傳統(tǒng)大中型水電站監(jiān)控系統(tǒng)中對油質參數(shù)能夠進行在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)僅有油溫，一般來說僅從油溫的數(shù)據(jù)中進行分析，能夠獲得的信息非常有限。相關的報警設置主要就是油溫和瓦溫報警，通過報警發(fā)現(xiàn)設備異常。這樣的實時報警方式一般都是設備運行狀態(tài)已經劣化到一定程度，造成了瓦溫和油溫偏高，留給運維人員的分析處置時間幾乎沒有，只能夠進行停機處理。由此帶來較為重大的經濟損失。部署了透平油在線監(jiān)測系統(tǒng)后，不僅可以對油質的各項參數(shù)進行實時報警，且得益于數(shù)據(jù)處理軟件能夠較長時間的儲存數(shù)據(jù)，可以進行多維度趨勢報警分析，對設備的劣化原因及處理方式都能夠給出更加精確的判斷，并且能夠留給運維人員更長的分析和處置時間，盡量避免停機處理的情況發(fā)生。

以機組推力軸承為例，目前大中型水電廠的推力軸瓦多為彈性金屬塑料瓦，瓦面與推力頭的摩擦部位主要為非金屬材料，在機組運行過程中會產生部分非金屬磨損微粒，故在推力油盆內的透平油中，非金屬微粒呈一條緩慢上升的曲線，如圖3所示。

圖3 機組正常工況運行時非金屬微粒含量曲線

但是當摩擦副出現(xiàn)異常時，非金屬微粒上升曲線的斜率會徒然增大，如圖4所示。

圖4 推力軸承摩擦異常非金屬微粒含量曲線

當透平油在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到非金屬微粒上升斜率的突變，且突變值超過系統(tǒng)定值時將發(fā)出推力軸承摩擦異常報警。當推力油盆中監(jiān)測到金屬微粒的上升幅度突然增大時，說明有可能彈性塑料軸瓦的非金屬瓦面磨損殆盡，發(fā)生了由軸瓦金屬支撐面與推力頭的摩擦，此時系統(tǒng)將報推力軸瓦摩擦失效報警。這些報警能夠為運維人員提供更準確的報警信息，將故障分析工作流程大大簡化，為故障處理工作節(jié)約寶貴的時間。

2.2 透平油在線監(jiān)測系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析應用

數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)分析應用的基礎，多維數(shù)據(jù)分析能夠大大提高數(shù)據(jù)分析的準確性，保證數(shù)據(jù)分析的質量。透平油在線監(jiān)測系統(tǒng)接入工業(yè)互聯(lián)網平臺后，可結合多種數(shù)據(jù)進行分析，更加全面準確的從整體來判斷軸承的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)自動故障診斷。

以機組運行中的推力軸承油盆進水故障為例，一般情況下，軸承油位的突然上升可能的原因主要有：軸承冷卻水滲漏混入油中造成油位升高；油位傳感器故障導致測量失準等。機組運行狀態(tài)時，監(jiān)測參數(shù)僅有監(jiān)控系統(tǒng)的油位，由于油盆內的透平油與旋轉的主軸摩擦，這時的油位曲線是一條無規(guī)律且在一定范圍內波動的曲線，如圖5所示。

圖5 機組運行時推力軸承油位圖

僅以油位參數(shù)作為故障判據(jù)可靠性不高。這時如果加入透平油在線監(jiān)測中的水分含量作為判斷，則可以大大提高故障判斷的可靠性。具體做法是先將油位數(shù)據(jù)引入線性回歸算法進行計算，得出一條較為平緩的油位曲線，通過計算這條曲線的斜率作為變化幅度α的參考量。引入透平油在線監(jiān)測水分參數(shù)曲線的斜率作為水分變化幅度的參考量β。當α>1.1且β>1.3時，系統(tǒng)自動判定推力油盆進水故障并向運維人員發(fā)出報警。此報警可在設備故障初期提供報警，為運維人員爭取寶貴的處置時間。

3 水輪機組在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 油液水分數(shù)據(jù)分析

圖6是3號水輪機組推導軸承在8~10月份運行期間水活性及含水量監(jiān)測數(shù)據(jù)分布圖。根據(jù)圖6（a）所示的水分監(jiān)測數(shù)據(jù)，3號水輪機組推力軸承在用油含水量較小，含水量均值為35 ppm，由圖6（b）的統(tǒng)計圖可以看出，傳感器的數(shù)據(jù)輸出跳動較小，其性能穩(wěn)定。

圖6 3號水輪機組推導軸承在線監(jiān)測含水量數(shù)據(jù)分布及統(tǒng)計圖

3.2 油液黏度數(shù)據(jù)分析

圖7是3號水輪機組推導軸承同期黏度監(jiān)測圖。該3號水輪機組推導軸承使用的油品為長城46號汽輪機油，由于在用油黏度與溫度密切相關，從圖7（a）油溫和黏度的時間序列發(fā)現(xiàn)，黏度、油溫總體趨勢穩(wěn)定，黏度數(shù)據(jù)輸出偶爾有波動，這與現(xiàn)場實際用油的黏度有關。圖7（b）統(tǒng)計可以看出在用油的均值為47.13 mm2/s，根據(jù)油溫的數(shù)據(jù)圖分析可知，此時油溫的均值為41.1℃。當油溫升高時，黏度降低，這一特性符合油的黏溫性能變化情況。

圖7 3號水輪機組推導軸承在用油黏度監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

3.3 油液污染度數(shù)據(jù)分析

圖8是3號水輪機組推導軸承同期在用油的污染度監(jiān)測數(shù)據(jù)分布與統(tǒng)計圖，數(shù)據(jù)表明，油品污染度ISO等級均值在21/18/15,污染度NAS等級均值在10~11之間跳動，而針對汽輪機油污染度NAS等級報警值為8級，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)看出3號汽輪機組推導軸承潤滑油污染度超標，需要注意。

圖8 3號水輪機組推導軸承在用油污染度數(shù)據(jù)圖

3.4 磨損數(shù)據(jù)分析

圖9是1號水輪機組推導軸承同期在用油的磨損監(jiān)測數(shù)據(jù)分布與統(tǒng)計圖，數(shù)據(jù)表明，各范圍內鐵磁性和非鐵磁性磨損鐵磁顆粒數(shù)為0，機組磨損情況總體良好。

圖9 3號水輪機組推導軸承在用油磨損監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

3.5 數(shù)據(jù)分析

表3是根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，獲取的均值數(shù)據(jù)與離線報告對比情況，發(fā)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)與離線數(shù)據(jù)一致，均顯示3號水輪機組推導軸承污染度等級超標。

表3 在線監(jiān)測參數(shù)的均值與離線報告對比

分析結論可知：

（1）在用油水分含量正常，水含量在33~38 ppm之間波動，這與現(xiàn)場潤滑系統(tǒng)本身在用油水分含量密切相關；其監(jiān)測值與離線檢測基本一致。

（2）黏度變化正常，黏度與油溫變化特征符合油品的黏溫特性，即油溫高，黏度低；油溫低，黏度高。由于現(xiàn)場使用油品型號、黏度不同，儀器取樣點的不同，監(jiān)測值也存在差異。

（3）磨損情況總體良好，現(xiàn)場在用油磨損顆粒沒有大幅度激增，這與在用油良好的潤滑系統(tǒng)及過濾冷卻系統(tǒng)分不開。

（4）污染度等級偏高，油中有少量油泥顆粒污染，影響系統(tǒng)工作可靠性和有關部件的使用壽命，建議加強過濾凈化處理，及時關注在線監(jiān)測系統(tǒng)油品污染度等級是否繼續(xù)增加。

4 結論

數(shù)據(jù)是智能化水電發(fā)展的磚和瓦，以往的透平油質量監(jiān)督管理手段單一，透平油的質量檢測被鎖定在實驗室中，數(shù)據(jù)采樣周期長，無法積累形成有效的經驗數(shù)據(jù)，也難以利用數(shù)據(jù)參與大數(shù)據(jù)分析。透平油在線監(jiān)測則可以將油質檢測實驗室搬到生產現(xiàn)場，實時監(jiān)測透平油運行質量，為機組安全穩(wěn)定運行保駕護航。為后續(xù)大數(shù)據(jù)的應用提供數(shù)據(jù)基礎，接入大數(shù)據(jù)系統(tǒng)后可與其他設備參數(shù)進行交互分析，提供更準確的故障預測、事故報警。同時，能夠以現(xiàn)場實際生產工作為樣本，收集透平油各項指標在實際運行中的特征數(shù)據(jù)與經驗數(shù)據(jù)，為用油設設備劣化模型、故障模型提供數(shù)據(jù)技術支持。