唐衛(wèi)平

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

水電機組開停機過渡過程的遠程監(jiān)測分析及診斷

Remote monitoring and fault diagnosis of hydropower generator unit based on transient data of start-up and shutdown operation condition

唐衛(wèi)平

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

從完善機組開停機過程相關(guān)信息量監(jiān)測，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，采用基于基礎(chǔ)知識庫的模式識別故障診斷技術(shù)等方面入手，對水電機組開停機過渡過程的遠程監(jiān)測分析進行闡述，對水電廠安全運行具有重要意義。

水電機組；開停機；遠程監(jiān)測；分析

水電機組屬于旋轉(zhuǎn)機械的一種，在運行過程中表現(xiàn)出的故障形式多種多樣，故障機理也十分復(fù)雜。對機組開停機過渡過程進行遠程監(jiān)測分析，可以發(fā)現(xiàn)機組在運行過程中不能發(fā)現(xiàn)的缺陷和問題，并在機組故障發(fā)生前有計劃地提前進行維修處理，對保障水電機組安全運行具有重要指導(dǎo)意義。

1 水電機組開停機過程分析及診斷

機組開停機過程可以發(fā)現(xiàn)的問題包括開停機異常振動、轉(zhuǎn)動部分機械不平衡、大軸不對中、大軸彎曲、機組轉(zhuǎn)動部件和固定部件的摩擦、機組開停機時間異常改變、機組開停機規(guī)律異常變化、導(dǎo)葉漏水量異常、機組開停機軸承瓦溫異常變化等。

1.1 機組開停機異常振動分析

采用監(jiān)測開停機過程機組振動、擺度、壓力脈動與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，對振動、擺度、壓力脈動信號進行頻譜分析，互相關(guān)分析，對開停機過程中監(jiān)測的典型非平穩(wěn)過程信號進行小波及小波包分析〔1〕。

1)開停機過程數(shù)據(jù)總體評價。通過監(jiān)測機組不同水頭下多次開機過程中不同轉(zhuǎn)速、不同工況下的振動、擺度和壓力脈動，對機組開機過程運行穩(wěn)定性進行總體評價，對照標(biāo)準(zhǔn)給出單次開機過程中機組振動的優(yōu)良中差評價和診斷，給出歷次開停機機組振動趨勢比較。配置了頂蓋部位碰磨信號監(jiān)測裝置的機組，采用特定頻譜帶分析法對碰磨信號進行提取，能輔助判斷機組頂蓋水下部分是否存在碰磨故障。

2)機組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡分析診斷。開機過程中轉(zhuǎn)速從零升至額定轉(zhuǎn)速，從升速過程中機組轉(zhuǎn)動部分處支架水平振動、大軸擺度可分析判斷機組存在的質(zhì)量不平衡情況〔2〕，決定是否進行動平衡配重處理。

3)機組軸線彎曲、機組軸線位移分析診斷。根據(jù)機組盤車結(jié)果、各部軸承瓦間隙調(diào)整結(jié)果，結(jié)合機組開機過程中大軸擺度，擺度傳感器探頭與大軸的間隙值變化等，對機組軸線彎曲、機組軸線位移進行分析診斷。

4)開停機水力諧振診斷。資料表明，國內(nèi)外有部分水電機組在開停機過程中存在特有的水力諧振現(xiàn)象，一般通過對壓力脈動信號、振動信號的頻譜分析和互相關(guān)系分析可發(fā)現(xiàn)。一旦發(fā)現(xiàn)機組開停機過程存在水力諧振則必須采取應(yīng)對措施，以免造成對設(shè)備的損害。

機組開機過程中隨轉(zhuǎn)速變化振動監(jiān)測如圖1所示。

圖1 機組開機過程中隨轉(zhuǎn)速變化振動監(jiān)測波形圖

1.2 機組開停機時間、規(guī)律異常改變分析

采用監(jiān)測開機過程中機組開始轉(zhuǎn)動至機組轉(zhuǎn)速達到額定值、導(dǎo)葉 (槳葉)開度變化過程及達到穩(wěn)態(tài)值的時間，導(dǎo)葉開始動作到首次進入同期帶(調(diào)節(jié)時間)時間，監(jiān)測停機過程中機組轉(zhuǎn)速降至制定轉(zhuǎn)速的時間，導(dǎo)葉 (槳葉)開度降至零的時間，監(jiān)測投入風(fēng)閘的開出指令、制定氣壓，制定時間等。

1)機組開停機時間異常改變。機組開停機時間異常改變有，時間變長和時間變短2種現(xiàn)象。相同工況下，機組開停機時間變長或變短，則表明:測量信號或機組或調(diào)速控制系統(tǒng)等出現(xiàn)了異常。應(yīng)全面檢查調(diào)速器參數(shù)設(shè)置、調(diào)速器控制油管路流量、壓力及執(zhí)行機構(gòu)、調(diào)速器測量信號、機組導(dǎo)葉漏水量、機組停機制動時投入風(fēng)閘時刻、機組停機制動氣壓、分段關(guān)閉裝置投入及拐點位置、下游水位等〔3〕，找出原因并針對處理。

2)機組開停機規(guī)律異常改變。機組多次開停機過程中時間無變化，但開停機過程中相關(guān)參量的變化規(guī)律異常改變，表明同樣有設(shè)備隱患存在。這些現(xiàn)象包括轉(zhuǎn)速存在擺動或大幅波動〔4〕，開機過程機組轉(zhuǎn)速超調(diào)量、超調(diào)次數(shù)異常增加，導(dǎo)葉(槳葉)停頓、擺動等，應(yīng)參照機組開停機時間異常改變中的介紹開展檢查處理。

1.3 機組開停機軸承瓦溫異常變化分析

采用監(jiān)測開停機過程中機組轉(zhuǎn)速，各部軸承瓦溫、油溫、冷卻水溫等參量的變化過程，可以進行開停機過程各部軸承瓦溫測量值異常變化分析。軸承瓦溫的異常變化包括與歷史或經(jīng)驗值比較，瓦溫穩(wěn)態(tài)值變化，瓦溫升高或降低變化趨勢，瓦溫升高(或降低)變化速率異常改變等。機組開停機過程出現(xiàn)軸承瓦溫異常變化時，首先應(yīng)排除溫度測量信號故障，然后應(yīng)結(jié)合軸承安裝調(diào)整工藝、間隙分配、受力調(diào)整等情況，參照大軸擺度、油質(zhì)、油溫、冷卻水溫、運行工況等監(jiān)測量進行分析，確認(rèn)原因并采取針對措施。

機組停機過程中導(dǎo)葉關(guān)閉時間分析決策監(jiān)測如圖2所示。

圖2 機組停機過程中導(dǎo)葉關(guān)閉時間監(jiān)測波形圖及分析

2 開停機過程信息量的獲取

水電機組開停機過程的遠程監(jiān)測分析需要大量的信息量，開停機過程基本不涉及電氣部分，因此，凡涉及到水力因素、機械因素方面的信息量均必須監(jiān)測。

2.1 水力因素

包括尾水管低頻渦帶、水輪機水封間隙等產(chǎn)生的水力不平衡、蝸殼、導(dǎo)水葉和轉(zhuǎn)輪水流不均引起的振動、壓力管道中水力振動和卡門渦引起的水輪機葉片和導(dǎo)葉振動等，一般采用壓力脈動傳感器監(jiān)測獲取相關(guān)信息。測點包括尾水管、頂蓋、蝸殼等部位。壓力脈動傳感器應(yīng)具備適合水力發(fā)電機組的基本特性，包括靈敏度、量程、精度等。壓力脈動傳感器要求動態(tài)響應(yīng)時間小于1 ms，能夠分析200 Hz以上的脈動頻率，測量范圍應(yīng)能滿足流道中可能出現(xiàn)的最高壓力或負(fù)壓。

2.2 機械因素

機械缺陷多表現(xiàn)為振動，振動的一般特點是其振動頻率多為轉(zhuǎn)頻或轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，對于立軸式機組，不平衡力一般為徑向水平方向。包括大軸扭轉(zhuǎn)振動、轉(zhuǎn)子的不平衡、不對中故障、大軸彎曲、機組轉(zhuǎn)動部件和固定部件的摩擦、導(dǎo)軸承瓦間隙大、推力軸承的推力頭松動和推力軸瓦不平等。應(yīng)監(jiān)測機組各機架振動，各部軸承擺度，定子振動等，頂蓋部位推薦監(jiān)測水下部分碰磨信號。目前國內(nèi)各水電廠機組普遍配置有振動擺度在線監(jiān)測裝置，對獲取機械因素相關(guān)信息提供了保證。

2.3 背景量及輔助參量

背景量、輔助參量對分析機組開停機過程至關(guān)重要。需監(jiān)測信息包括:水頭、負(fù)荷、導(dǎo)葉 (槳葉)開度、瓦溫、油溫、水溫、開停機令、停機制動氣壓、投風(fēng)閘令等。

3 基于網(wǎng)絡(luò)的開停機遠程監(jiān)測分析

隨著信息技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化與數(shù)字化成為當(dāng)今各行各業(yè)的發(fā)展趨勢。水電廠一般地處偏遠地區(qū)，各水電廠也正在向 “無人值班、少人值守”方向發(fā)展，對水電機組故障分析具有較高的專業(yè)性要求，且實時性突出，迫切需要新的服務(wù)手段和相應(yīng)服務(wù)技術(shù)的支持。網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化配置以及水電裝備的遠程操作、監(jiān)控與診斷維護功能是解決這一問題的有效途徑。

基于網(wǎng)絡(luò)的水電機組開停機遠程監(jiān)測分析表現(xiàn)為水電設(shè)備分析的操作者與被操作對象在物理上分離，而在信息、邏輯上進行集成。一方面擴大了操作者對操作對象的控制范圍，提高了管理者對水電設(shè)備運行情況掌握的方便程度，實現(xiàn)了遠程的技術(shù)咨詢、遠程設(shè)備的故障診斷；另一方面，達到了水電設(shè)備信息的共享，方便對水電機組故障做出的更精確的判斷。

遠程監(jiān)測分析數(shù)據(jù)傳輸及信息量大，為保障實時性，應(yīng)采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，同時最大限度減少數(shù)據(jù)丟失。

4 基于基礎(chǔ)知識庫的開停機故障診斷分析

實行對水電機組開停機過渡過程的遠程監(jiān)測分析，必須建立開停機基礎(chǔ)知識庫，采用基于基礎(chǔ)知識庫的模式識別故障診斷技術(shù)。即將機組開停機過程中的各類特征參數(shù)作為其正常模式存入基礎(chǔ)知識庫，通過監(jiān)測機組開停機過程及狀態(tài)，分析其實際模式，并將實際模式與基礎(chǔ)知識庫數(shù)據(jù)預(yù)存模式進行對比，將對比結(jié)果作為故障診斷的依據(jù)，從而實現(xiàn)對水電廠水輪發(fā)電機組開停機過程的遠程監(jiān)測分析。

開停機基礎(chǔ)知識庫一般包括:機組正常開機時間；機組開機正常調(diào)節(jié)時間；機組正常停機時間；機組制動轉(zhuǎn)速；機組制定額定氣壓；機組正常制定時間；機組正常停機導(dǎo)葉關(guān)閉時間；瓦溫正常范圍、報警值、停機值〔5〕；油溫正常值；水溫正常值；分段關(guān)閉裝置拐點位置及各段關(guān)閉時間等。

5 開停機過渡過程分析診斷的現(xiàn)場應(yīng)用

通過擴充完善現(xiàn)場機組、調(diào)速控制系統(tǒng)監(jiān)測信息量，將機組溫度、開/停機輔助參量等、調(diào)速器特征參數(shù)引入現(xiàn)場及湖南電科院遠程分析中心“水輪發(fā)電機組實施決策系統(tǒng)”。同時建立了基礎(chǔ)知識庫，采用數(shù)據(jù)無損壓縮和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了對柘溪水電廠的水電機組開停機過渡過程的遠程監(jiān)測分析及診斷。系統(tǒng)投運以來，已成功判斷出柘溪水電廠6號機組因漏水量大導(dǎo)致停機時間過長的問題以及2號、8號機組開機及并網(wǎng)運行時振動測點超標(biāo)問題等。為水電機組開停機過渡過程中的故障診斷分析、檢修維護提供了重要支撐。

6 結(jié)語

對水電機組開停機過渡過程的遠程監(jiān)測分析，是全面掌握機組狀態(tài)的重要手段。它涉及到完善機組開停機過程相關(guān)信息量監(jiān)測，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，采用基于基礎(chǔ)知識庫的模式識別故障診斷技術(shù)等方面。該方法應(yīng)用于柘溪水電廠，發(fā)現(xiàn)了特定水頭下存在開機振動、機組停機時間改變、導(dǎo)葉漏水量增大等缺陷并及時進行了處理，取得良好效果。

〔1〕楊敏，劉洋.李家峽水電站機組開停機過程非平穩(wěn)振動信號的小波分析 〔J〕.水利水電技術(shù)，2005，36(10):30-33，41.

〔2〕趙道利，馬薇，張龍奎，等.水電機組振動故障的診斷與處理〔J〕，大電機技術(shù)，2005(6):44-47.

〔3〕萬長勝，豐強，豐芳.柘林水電廠B廠機組停機時間偏長的解決方案 〔J〕，江西科學(xué)，2013，31(5):671-674.

〔4〕吳小林，孟佐宏.彭水水電站1號機組停機過程中導(dǎo)葉開啟機組過速事故的調(diào)查分析 〔J〕，水電站機電技術(shù)，2012，35 (6):84-87.

〔5〕關(guān)小剛.大峽水電站機組軸承瓦溫過高事故停機功能 〔J〕，水電廠自動化，2008，29(4):82－83.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.02.0013

TV736

B

1008-0198(2015)02-0044-03

唐衛(wèi)平 (1964)，男，高級工程師，從事水電廠生產(chǎn)運行、設(shè)備管理及科技攻關(guān)等相關(guān)技術(shù)工作。

2014-11-03

國網(wǎng)湖南省電力公司科研課題 (5216A513500N)