水電廠實施狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)

1、水電廠實施狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)鄭松遠(yuǎn)（北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司）摘要： 狀態(tài)監(jiān)測作為狀態(tài)檢修的技術(shù)核心，在很多水電廠得到了推廣應(yīng)用，但由于缺乏對水電站狀態(tài)監(jiān)測的深入認(rèn)識，使得狀態(tài)監(jiān)測無法滿足狀態(tài)檢修的需要。本文結(jié)合筆者多年積累的經(jīng)驗，從監(jiān)測參數(shù)選取、傳感器選擇、特征信號提取、監(jiān)測系統(tǒng)功能定位及監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成等方面詳細(xì)闡述了水電廠實施狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，供水電站在規(guī)劃、設(shè)計、選型和實施狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)時提供借鑒作用。主題詞： 水電機組 狀態(tài)監(jiān)測 狀態(tài)檢修1、概述隨著電力體制改革的不斷深入，“網(wǎng)廠分開、競價上網(wǎng)”工作的推行，發(fā)電企業(yè)正面臨前所未有的挑戰(zhàn)，如何轉(zhuǎn)變觀念，切實加強管理、降本增效、提高企業(yè)的

2、競爭力成為發(fā)電企業(yè)所要解決的緊迫任務(wù)和重要課題，而推行狀態(tài)檢修就是一種有效途徑。要實施狀態(tài)檢修，首先必須實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測。因此，狀態(tài)監(jiān)測作為狀態(tài)檢修的技術(shù)核心，在很多水電廠得到了推廣應(yīng)用，更多水電廠正在規(guī)劃實施狀態(tài)監(jiān)測，越來越多的新建電站在設(shè)計時就包含了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。但由于缺乏對水電站狀態(tài)監(jiān)測的深入認(rèn)識，很多水電站盡管安裝了很多監(jiān)測系統(tǒng)，但仍然無法全面掌握電廠主設(shè)備的運行狀況，顯然無法滿足狀態(tài)檢修的需要。本文結(jié)合筆者多年積累的經(jīng)驗，從監(jiān)測參數(shù)選取、傳感器選擇、特征信號提取、監(jiān)測系統(tǒng)功能定位及監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成等方面闡述水電廠實施狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，希望在水電站規(guī)劃、設(shè)計、選型和實施狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)時能提供借

3、鑒作用。2、監(jiān)測參數(shù)選取隨著計算機技術(shù)、信息檢測與處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、故障診斷技術(shù)的快速發(fā)展和現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗的不斷積累，水電廠設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容從最早的水輪機組的振動、擺度和脈動監(jiān)測分析，推廣到發(fā)電機氣隙監(jiān)測分析、磁場強度監(jiān)測分析、局部放電監(jiān)測分析、油色譜監(jiān)測分析、汽蝕監(jiān)測分析，監(jiān)測對象涉及到水輪機、發(fā)電機、主變等水電廠主要設(shè)備和各種輔助設(shè)備，為狀態(tài)檢修奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。監(jiān)測參數(shù)的選擇與布置是獲取機組運行狀態(tài)信號的重要環(huán)節(jié)，其選擇和布置是否合理將直接影響信號采集的真實性以及數(shù)據(jù)分析和故障診斷的可信度。一般來講，測點的選擇和布置取決于機組的設(shè)計運行性能、設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點和機組的運行規(guī)律本身機組

4、的特點。 在進行測點的選擇和配置時，應(yīng)該對測點進行優(yōu)化。這是測點選擇和布置的基本原則。從經(jīng)濟的角度考慮，測點應(yīng)盡可能的少，但同時也必須充分考慮狀態(tài)監(jiān)測、分析以及故障診斷地需要。在進行測點的選擇時，應(yīng)在滿足狀態(tài)監(jiān)測、分析和故障診斷的基礎(chǔ)上，選擇最有代表性、最能準(zhǔn)確捕捉運行設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測點。測點的選擇和布置要符合水電機組運行的四個特性，即水力特性、機械特性、設(shè)備結(jié)構(gòu)特點及電氣特性。機組穩(wěn)定性監(jiān)測參數(shù)機組穩(wěn)定性監(jiān)測參數(shù)包括：機架振動、大軸擺度、壓力脈動、抬機量、瓦溫、油溫、油位等。典型的機組穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)側(cè)點配置圖：擺 度上導(dǎo)X向擺度、上導(dǎo)Y向擺度、下導(dǎo)X向擺度、下導(dǎo)Y向擺度、水導(dǎo)X向擺度、水導(dǎo)Y向

5、擺度、振 動上機架水平X/Y振動、上機架垂直振動、下機架水平X/Y振動、下機架垂直振動、頂蓋水平X/Y振動、頂蓋垂直振動壓力脈動蝸殼進口壓力、尾水管進出口壓力脈動、頂蓋下壓力脈動、活動導(dǎo)葉進出口壓力抬機量、鍵相來自監(jiān)控系統(tǒng)信號各導(dǎo)軸承瓦溫、油溫、油位、冷卻水溫等工況參數(shù)有功功率、無功功率、勵磁電壓/電流、導(dǎo)葉/漿葉開度、水頭能量監(jiān)測參數(shù)包括水輪機有效出力（功率）、蝸殼測流斷面上的壓差水頭、水輪機蝸殼進口水頭、水輪機尾水管出口水頭、水輪機有效水頭。通過上述參數(shù)可以計算得到水輪機過機流量、水輪機效率、水輪機扭矩、水輪機單位流量等參數(shù)。發(fā)電機空氣間隙與磁場強度監(jiān)測參數(shù)各磁極實時空氣間隙、最小空氣間隙

6、及其磁極號、發(fā)電機定轉(zhuǎn)子不圓度、轉(zhuǎn)子中心與定子中心偏移量。各磁極磁場強度實時波形及最大磁場強度。各磁極空氣間隙及磁場強度變化曲線。發(fā)電機局部放電監(jiān)測參數(shù)各相放電量、放電相位、放電次數(shù)主變油色譜監(jiān)測參數(shù)監(jiān)測六種故障氣體（包括氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔和一氧化碳）的濃度（PPM）。3、傳感器選型傳感器的可靠、準(zhǔn)確與否，將直接影響到狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的可信度。所以，在選擇傳感器時在充分考慮水電機組特點的基礎(chǔ)上選擇可靠的產(chǎn)品，使得傳感器具有針對性和適用性。選擇和使用一次傳感元件（包含傳感器和變換器）時，應(yīng)注意以下幾個方面：根據(jù)水電站機組運行設(shè)備信號輸出的特點，即低頻隨機信號的特點，選擇高精度高輸出性能優(yōu)的

7、低頻傳感器。由于機組運行轉(zhuǎn)速較低，傳感器的頻響范圍一般應(yīng)控制在02KHz。在篩選傳感器時，盡量選擇符合要求的性能好的傳感器（精度、重復(fù)性、線性度、遲滯、靈敏度、零漂）。根據(jù)使用條件及周圍環(huán)境選擇傳感器。機組運行設(shè)備在線監(jiān)測要求傳感器在使用時安全穩(wěn)定，長久耐用、準(zhǔn)確可靠地反映設(shè)備運行狀態(tài)。水電廠狀態(tài)監(jiān)測最主要的傳感器有擺度傳感器、機架振動傳感器、壓力脈動傳感器、氣隙傳感器。根據(jù)美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)振動、軸向位置和軸承溫度監(jiān)測系統(tǒng)（API670）和我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水輪發(fā)電機組振動監(jiān)測裝置設(shè)置導(dǎo)則（DL/T556-94）的要求，測量大軸擺度的傳感器一般應(yīng)采用電渦流傳感器。實際上，世界上從事旋轉(zhuǎn)機械振動監(jiān)

8、測的著名公司無一例外均采用渦流傳感器來測量軸的徑向振動，在中國電力行業(yè)都有大量的應(yīng)用業(yè)績。但對于某些機組，上導(dǎo)擺度的測量由于受到上導(dǎo)測量部位勵磁引線的影響，電渦流傳感器輸出信號存在嚴(yán)重失真現(xiàn)象，為此在該部位擺度的測量必須采用抗電磁干擾強的電容傳感器。擺度傳感器建議采用國外高性能的傳感器，同比國內(nèi)或國外雜牌傳感器，其具有精度高、互換性好、線性度高、零漂溫漂小和可靠耐用的優(yōu)點。 對于水輪機組來說，低頻振動是其固有的特性，所以，水輪機組的固定部件的低頻振動測量一直是個難點，其傳感元件選擇不當(dāng)將直接影響到測量效果。用于測量水輪機組固定部件振動的傳感器有加速度傳感器合速度傳感器兩種。加速度傳感器盡管其頻

9、響下限很低，但是由于水輪機組固定部件振動的加速度很小，導(dǎo)致加速度傳感器的信號輸出極其微小，導(dǎo)致無法分辨信號與干擾，造成很大測量誤差，從很多采用加速度測量機架振動的水電廠反饋信息來看也基本如此，故水電廠一般不宜采用加速度傳感器來測量機架振動。加速度傳感器一般應(yīng)用于頻率較高或有較大沖擊的地方，如定子鐵芯振動的測量。因此機架振動測量一般需采用速度傳感器，而國外從事機組振動監(jiān)測的幾家主流廠家生產(chǎn)的速度傳感器，其頻響下限都比較高，一般在4Hz以上，不能滿足低頻測量的要求，國內(nèi)部分廠家針對水電機組特點生產(chǎn)的低頻振動傳感器，其低頻特性較好，并且已在國內(nèi)眾多的水電工程上應(yīng)用，實踐證明其性能穩(wěn)定可靠。因此，機架

10、振動的測量建議采用國產(chǎn)低頻速度傳感器，而不能一味強求采用進口傳感器。壓力脈動傳感器通常采用壓力變送器，不同于一般的壓力測量，壓力脈動的測量不僅要求所選變送器具有很高的測量精度，而且要求具有良好的動態(tài)特性以滿足實時監(jiān)測的要求。同時，由于部分測點存在負(fù)壓，所選變送器必須滿足負(fù)壓區(qū)的壓力及脈動測量。氣隙傳感器通常采用平板電容傳感器，不同廠家不同性能的傳感器價格相差很大，由于氣隙傳感器價格昂貴，部分水電廠從經(jīng)濟角度出發(fā)采用價格較低的傳感器；部分狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)生產(chǎn)廠家在投標(biāo)時為了降低投標(biāo)額也喜歡推薦價格較低的傳感器。由于氣隙傳感器是粘貼在定子內(nèi)壁上，粘貼后不易拆卸，且大量機組安裝時只能在大修轉(zhuǎn)子吊出后才能

11、進行，因此，一旦某個傳感器出現(xiàn)故障，基本上就無法更換，因此，筆者建議在氣隙傳感器的選型時要盡量采用高性能的且在國內(nèi)有廣泛應(yīng)用業(yè)績的傳感器。4、特征信號提取機組運行設(shè)備狀態(tài)特征信號的獲取是反映機組運行狀態(tài)的基礎(chǔ)，特征信號獲取的正確與否，直接影響到預(yù)測診斷的效果。實施機組狀態(tài)監(jiān)測與診斷就是通過監(jiān)測機組運行設(shè)備各種運行方式下的信號和各種狀態(tài)參數(shù)來識別機組運行狀態(tài)，獲取和分析機組運行的特征信號，提取征兆，才能對機組運行設(shè)備和性能進行診斷、維護與管理。機組運行狀態(tài)特征信號一般有兩種表現(xiàn)形式，一是以能量方式表現(xiàn)出來的特征信號，另一種是物態(tài)形式表現(xiàn)出來的特征信號。對于能量形式的特征信號（含振動、擺度、壓力、

12、溫度、位移、電壓、電流等），可以在時域中提取征兆，也可以在頻域、幅值域或相位域提取征兆；對于物態(tài)形式的特征信號裂紋、煙霧、油質(zhì)等，可以采用特定的物理或化學(xué)分析方法（臺探傷分析、超譜分析等）提取征兆。通常水輪發(fā)電機組特征信號是以能量形式表現(xiàn)為主的，以頻率作為運行設(shè)備結(jié)構(gòu)的重要特征的。水輪發(fā)電機組運行設(shè)備狀態(tài)信號是由周期信號、非周期信號和隨機信號組成的，其中低頻隨機信號是機組運行的固有特性，由于水輪機發(fā)電機組的這一特性，加上反映機組運行設(shè)備狀態(tài)周期性較長，在信號采集和處理上既有它的難度又有它的特殊性。例如，應(yīng)合理選擇采樣周期，提高采樣數(shù)據(jù)精度，以數(shù)量經(jīng)濟的時域數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確可靠的譜分析數(shù)據(jù)，盡量減少

13、譜線泄漏，避免柵欄效益。為此應(yīng)對機組振動、擺度和壓力脈動信號進行整周期采樣。為了分析到較低次諧波，需在軟件上實現(xiàn)整周期細(xì)化功能，來提高譜分析范圍;在數(shù)據(jù)采集速度上，在提高A/D板數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸速度的基礎(chǔ)上要采取先進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)；在信號處理上，應(yīng)注意低頻隨機信號的處理，同時還要采用和加強低頻濾波、相關(guān)濾波以及混合濾波技術(shù)。水電機組的狀態(tài)監(jiān)測涉及機組的水力特性、機械特性、設(shè)備結(jié)構(gòu)特點和電氣特性，是多學(xué)科多系統(tǒng)的知識綜合，對水電機組的有關(guān)設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測時，必然涉及到國內(nèi)外各種不同專業(yè)公司的監(jiān)測系統(tǒng)，因此要實現(xiàn)設(shè)備特征信號的提取，首先必須將各種系統(tǒng)進行集成，使之成為一個有機的整體，才能綜合提取

14、反映機組狀態(tài)的信息，以滿足水電廠實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測乃至狀態(tài)檢修的需要。在提取機組特征信號時，考慮到水電機組運行的特點和故障特征必須引入機組工況分析方法。機組工況分析是水力發(fā)電機組的固有特性，也是機組運行設(shè)備狀態(tài)分析的重要環(huán)節(jié)。通過機組工況分析，不但能準(zhǔn)確為機組的安全穩(wěn)定運行提供可靠的信號數(shù)據(jù)，而且有利于對機組運行的故障類型和失效原因進行有效地分析。通常機組運行時（或運行試驗時），可進行以下工況分析：空載無勵變轉(zhuǎn)速工況、空載額定轉(zhuǎn)速變勵磁工況、變負(fù)荷工況、甩負(fù)荷工況、調(diào)相工況和穩(wěn)定工況。5、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能定位狀態(tài)監(jiān)測作為狀態(tài)檢修的技術(shù)核心，其最終目的是為狀態(tài)檢修服務(wù)，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)獲得的機組特征信

15、號，實時了解機組運行狀態(tài)變化，確定機組是否存在異常，發(fā)生異常時輔助分析異常原因并指導(dǎo)檢修。但需要指出的是，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)不是萬能工具，不是部分水電廠想象中的理想化的全智能診斷系統(tǒng)，機組一有異常就能自動給出準(zhǔn)確的故障定位，它僅僅是為現(xiàn)場人員進行機組狀態(tài)分析提供分析和診斷工具。實時監(jiān)測：以各種直觀易懂的圖形或表格顯示機組各部件運行狀態(tài)，便于運行人員或檢修人員實時了解機組各部件運行狀態(tài)。預(yù)警報警：狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)必須能根據(jù)ISO、IEC、GB等國內(nèi)外有關(guān)水輪發(fā)電機組性能指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)、主設(shè)備供貨廠商提供的性能保證值和現(xiàn)場運行經(jīng)驗，建立各工況下的報警定值和樣本數(shù)據(jù)，實時自動判斷機組運行狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時，

16、及時發(fā)出報警和預(yù)警信號，便于運行人員第一時間掌握機組異常信息，避免異常進一步擴散。指導(dǎo)運行：利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)自動積累的數(shù)據(jù)，建立機組穩(wěn)定運行工況庫和不穩(wěn)定運行工況區(qū)，指導(dǎo)機組在穩(wěn)定工況下運行。性能評估：狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有各種試驗功能，自動記錄各種試驗數(shù)據(jù)，并形成相關(guān)試驗曲線和報告，反映機組穩(wěn)態(tài)特性和過渡過程特性；自動生成檢修前后各種狀態(tài)報告，以評價檢修效果；利用系統(tǒng)提供工具定期制作性能曲線，監(jiān)測各部件性能變化，及時發(fā)現(xiàn)機組異常、缺陷和故障。指導(dǎo)檢修：利用系統(tǒng)積累的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)機組缺陷，合理安排小修、大修和擴修；利用系統(tǒng)提供的各種分析診斷工具，對機組異常信息進行深入分析，輔助發(fā)現(xiàn)異常原

17、因，指導(dǎo)檢修。6、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成隨著信息檢測技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，狀態(tài)監(jiān)測對象從水輪機組發(fā)展到發(fā)電機、變壓器，從主要設(shè)備發(fā)展到輔助設(shè)備，監(jiān)測內(nèi)容從機組穩(wěn)定性監(jiān)測，發(fā)展到發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測（氣隙監(jiān)測、磁場強度監(jiān)測、局部放電監(jiān)測）、水輪機汽蝕監(jiān)測、主變油色譜監(jiān)測等。電廠應(yīng)根據(jù)其設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點、機組的運行規(guī)律和自身經(jīng)濟承受能力，選擇監(jiān)測項目。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以是一個相對獨立的監(jiān)測單元，如機組穩(wěn)定性監(jiān)測單元、發(fā)電機氣隙監(jiān)測單元，也可以是全廠網(wǎng)絡(luò)化的集成監(jiān)測系統(tǒng)（如圖1）。電廠可以一次性投資安裝所有監(jiān)測項目，也可以統(tǒng)籌規(guī)劃，實施時根據(jù)經(jīng)濟狀況由小到大進行逐漸擴展。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成7 結(jié)語水電機組的狀態(tài)監(jiān)測作為