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1、水轮发电机组状态监测系统的组成及应用作者：汪晓兵单位： 长沙华能自控集团有限公司摘要: 本文通过对水轮发电机组状态监测系统的各子系统的介绍，提出分布式、渐进式实现对机组安全监测的配置及功能实现的观点，并就其实际应用做了一些探讨。关键词: 水轮发电机组；振动；摆度；汽蚀；局部放电一、概 述水轮发电机组故障的发生总是从量变发展到质变，目前机组配备的保护主要是机组故障发生后采取紧急停机的措施，如过电流、过电压、过速、过温等。但机组的故障已经发展到质变阶段时，为了防止故障的产生，常用的办法就是计划检修。也就是“到期必修”，这样做经常需要大拆大装，不但造成了人、材、物的大量浪费，有时还会出现设备拆修损坏
2、，造成“劳而有罪”。随着科学技术特别是监测技术的迅速发展，使我们能准确监测机组的各种信息，为机组在线状态监测系统的实现提供了非常有利的条件。机组状态监测系统应包括如下几方面的内容：机组振摆状态监测子系统、机组效率状态监测子系统、机组汽蚀状态监测子系统、机组电气状态监测子系统。并且包括将这些系统整合起来进行数据管理、诊断及网络发布的状态诊断网络，通过这一网络，可使电厂各生产单位及管理部门随时灵活地管理机组状态信息，从而达到为生产和检修服务的目的。二、水轮发电机组状态监测系统的组成水轮机发电机组状态监测系统由五个子系统组成，如图1。图1 水轮发电机组状态监测系统的组成1机组振摆状态监测子系统水轮发
3、电机组的振动是以水轮机为原动力，水的势能是激发或维持机组振动的最根本能源。从结构上讲，水轮发电机组可以分成两大部分：转动部分和固定、支持部分。它们中任何一个部件存在机械缺陷时都可能引起机组的振动，而这些缺陷可能是由设计、加工、安装等任何一个环节所引起。因此，一般来说水轮发电机组有四大振动部件：上机架、下机架、顶盖、转动部分；异常情况下还有其他振动部件，如定子铁心等。振动一般分为以下几类：（1）机械类振动机械部分的平衡力引起的振动称为机械类振动。例如，转动部分重量不平衡、轴线偏差、摆动过大等。其主要特点是振动频率与机组转速一致，有时振幅与转速成正比。（2）电气类振动由于电气方面的原因造成发电机磁
4、场不平衡而引起的振动称为电气振动。例如，发电机在三相电流不对称情况下运行磁场不均匀，发电机短路故障等。其主要特点是振幅与励磁电流大小成正比。（3）水施类振动由于某些原因引起水轮机蜗壳内受力不平衡而造成的振动称为水施类振动。例如，尾水涡带、叶片水卡门涡列、转轮圆圈边间隙不均匀、转轮汽蚀等。其特点是振幅与导叶开度有关，往往开度愈大，振幅愈大。图2、图3是目前监测振动用低频速度传感器，监测摆度用电涡流传感器。2机组效率状态监测子系统水轮机效率因机型、设计制造水平的不同而不同。在已投入运行的机组中，有的由于设计选型不合理或在制造安装中存在着缺陷和遗留问题，使水轮机效率不高。特别是有的机组由于长期处在低
5、效率区或在低水头下运行，严重影响着机组效率的发挥，同时还会造成严重的振动和汽蚀破坏。在线监测机组效率同机组效率测试是不同的要求，因为水头在生产过程中不可能人为很好地控制，所以在线监测强调的是在实际运行工况下机组不同效率性能的比较和择优。也就是说，在线效率监测并非是为了测得机组的某一确定效率值，而是评价机组在当前蓄水条件和生产条件的约束下，应该采用何种运行方式最为经济，甚至可以实现多台机组的综合经济指标最优。这些效益及显著的优点如果不进行机组在线状态监测是不可能得到的。另外，效率监测对于机组振摆监测、汽蚀监测及故障诊断是非常好的映证和补充，可以降低误判断的几率，缩短积累经验的周期。3机组汽蚀状态
6、监测子系统水轮机气蚀监测能够准确地监测水轮机的汽蚀强度，使机组能够在高效率区运行，减少水轮机叶片的汽蚀破坏，通过对汽蚀量历史数据的累积测量，可以标定水轮机的汽蚀破坏程度，准确决策机组的检修间隔，为机组由计划检修向状态检修过渡奠定基础。水轮机在其运行时，在转轮出口和尾水管进口处往往形成负压，当压力降低到小于汽化压力时，水就汽化，在水流中产生许多气泡，气泡随着水流移动到压力较高处，便骤然消失。在此瞬间，水流质点以高速度向气泡中心撞击，水流质点这种高速度的碰撞会引起水压力的增高（有时达几十到几百个大气压），然后被强烈碰撞而压缩的水流质点，又向相反的方向扩散，从而造成气泡处的压力急骤降低。这样就形成气
7、泡中心的压力，在一段时间内周期性的波动。这种由气泡的产生和消失过程中引起的一系列现象称为汽蚀现象。除上述周期性的压力波动外，还有下列现象：当压力降低到饱和蒸汽压时，水流不仅产生气泡，溶解在水中的气体也以气泡形式选出，这种空气泡会随着水流排出。当气泡的产生和消失发生在固体表面时，水流质点高速度的周期性冲击像锐利的刀尖一样剧烈地打击着固体表面，造成固体表面的机械破坏，称为剥蚀。如果固体表面粗糙，则剥蚀更严重。此外，气泡受压缩时，由于体积缩小而温度升高，再加上水流质点相互高速度的撞击和对固体的撞击也产生热量。实验证明，当气泡凝结时，所引起的局部温升可达300左右，使得冷热固体形成了热电偶，彼此间产生
8、了电流，这是固体表面遭受侵蚀的电化学原因。汽蚀是一个综合的物理现象的而非单一的物理量，只能通过综合的分析和诊断得到一个评价性的描述。例如：某转轮汽蚀严重，在不改变转轮尺寸的情况下仅仅替换转轮的材质，就有可能完全消除汽蚀产生的破坏，但这时的水力及机械作用量的测量结果将和原先有汽蚀破坏时完全一样，所以汽蚀监测的意义就在于评估这种破坏能力的大小或效应，而非测定其破坏后果。根据汽蚀发生的条件，水轮机中的汽蚀一般可分为三类：翼型（叶型）汽蚀、空腔汽蚀、间隙汽蚀。三种汽蚀对效率和稳定性影响最大的当属空腔汽蚀。目前，对空腔汽蚀和间隙汽蚀均可采用综合分析法准确的判断和监测，即通过测量尾水管压力脉动、尾水管振动
9、、顶盖振动、水导轴承涡动、止漏装置水压脉动、导叶后水压脉动等等这些量的综合分析，可以评估空腔汽蚀及间隙气蚀效应的强弱。对于翼型（叶型）汽蚀，其产生的效应频率宽广，必须用涵盖整个音频范围的分析设备和仪器来加以控制和分析，造价昂贵，而且由于翼型汽蚀发生的位置对监测效果影响较大，对于翼型汽蚀仅限于发现其产生，很难评估其破坏能力，因此可知绝大多数可以采用低廉的综合分析法，避免空腔汽蚀和间隙汽蚀，可以产生非常明显的经济效益。4机组电气状态监测子系统机组电气状态监测系统在线监测发电机定、转子空气间隙，可以直接测量出经过长期运行后定子的变形趋势及大小；转子磁极的松动和结构变形；定转子同心度的定位偏差和改变倾
10、向，以及在正常运行和电气事故冲击过程中动态气隙是否满足安全标准，对于评估发电机的稳定性有着不可替代的和十分重要的作用。具体的检测过程采用在定子内部贴装薄片状气隙传感器实现，目前已有标准的传感器可购买，效果容易保证。一般机组运行多年后，绝缘材料在机械、热力、电力和环境的作用下会逐步老化，由于绝缘隐患所引起的局部放电，起因于发电机的绝缘老化、放电，定于槽楔中绑线松动造成的断股和槽放电等。大部分绝缘老化都会造成局部放电（电晕），即高压绝缘层中的小火花，都可以通过局部放电测试来检测。这种方法是通过检测局部放电脉冲的频率、幅值、极性和相位来评估绝缘系统的老化程度。以往发电机局部放电测试被高强度电子噪声干
11、扰，使得测试结果很难分析，需要高度的专业水平才能做出正确的分析。但是，随着近期高新技术的不断发展，可以消除噪声干扰并将局部放电量化的仪器和传感器被开发出来，使得测试过程的进行和结果分析可以由电站的一般非专业工作人员在机组运行的情况下完成，增强了系统的实用性。致力于通过检测局部放电来诊断和测试绝缘质量和老化程度，有利于延长检修周期，降低检修和生产成本，保证设备的良好状态和提高设备的利用率。绝缘监测的实用技术是基于对局部放电产生的放电脉冲的监测，比较廉价的方式可以直接监视和分析定子中性点的接地电流或者更完备的增加各相电流及转子电流的波形监测，可以定性的评估出绝缘老化的状态。对于典型的放电能够根据绕
12、组的电气长度精确定位，昂贵的方案是采用电容式检测法也能达到同样效果，其分析技术要求较低。5网络通讯子系统（1）状态数据服务器提供整个网络访问的数据源，即所有用户均可以在网上实时查看状态监测的结果报告，专门的用户还可以实时的分析和诊断当前的机组状态。所以，此数据服务器为全自动的冗余数据库，并且具有完全的开放性和扩张能力。（2）Web服务器提供整个网络的访问服务及防火墙，在用户规模和用户访问量较小时也可省略（但性能降低了），主要是完成状态监测网和用户局域网的物理连接，采用浏览服务和TCP-IP通道技术，阻止病毒和破坏性程序的迅速感染。（3）工程师工作站作为整个网络的维护、监视和培训设备，可以由专门
13、的值守人员使用，实时地监视和分析整个系统的各类数据。（4）数据交换站完成其他扩展性在线监测系统向状态监测网络的开放性接入工作，并且完成计算机监控系统中已测物理量在状态监测网络中的共享使用，并通过单向获取数据方式从根本上杜绝病毒的传播，避免对监控系统的影响。在状态监测系统实施计划中，还有许多的实际工作需要分批分期循序渐进地实施。由于机组稳定性、机组效率、机组汽蚀及发电机运行状态监测等系统发展较早，可以较好的互相映证，达到倍增效应，所以先期完善这些系统其应用效果和经济效益更为明显。状态监测网络在投资较少时可以先不考虑，但其构建将使一套监测系统变为多人多地点同时进行不同工作的全新状态监测模式，充分发
14、挥了投资的效益和状态监测的实用性，使整个的性能倍增且可以根据实际情况选择与状态监测网络同步发展与规划，或者甚至优先实施以保证实用效果的构建方式。三、状态监测系统的应用以PSTA系列机组状态监测系统为例就实际应用简述如下：PSTA系统（如图4）是为了全面满足水力机组现场试验、状态分析、故障诊断等技术需求，全新开发的集监测、记录、分析、报告制作为一体的便携式信号采集和分析处理系统。PSTA采用成熟的PC硬件平台和Windows操作系统，在操作简洁、维护方便的基础上提供了强大监测分析和诊断功能。它是一个多用途的系统，通过配置不同的传感器测点和信号，可以实现多种目的的测试和分析工作。用户可以根据自己的
15、试验目标，不断扩展PSTA系统的应用功能。在PSTA系统中，SPU2000信号采集处理单元是长沙华能中电控制设备有限公司与北京奥技异电气技术研究所针对水轮发电机组特点专门研制的双CPU型数据采集装置。已在国内各大中型电厂安装了150余台，运行稳定。状态监测系统的大量在线信号分析计算都由SPU2000装置完成，是PSTA系列状态监测系统的重要组成部分。SPU2000信号采集处理单元是一个可在机架上安装的标准插箱式仪器，其内部使用双PC平台和Intel处理器，集成了信号隔离，抗混滤波器，同步采样，开关量输入，继电器输出控制等多种功能，可支持键盘，显示器，网卡等多种设备。工业级设计，高可靠性，抗干扰
16、能力强，平均无故障工作时间达到30000h。利用PC机已有的网络软硬件资源实现多种网络通信模式。采用标准化模块，采用插入式结构，接口简单、灵活。对各种不同测量信号系统设有配置方便的多种信号调理模块，以便适应不同种类的传感器信号（如电压、电流等形式），具有易换性和可热插拔的特点。PSTA系统软件，采用PSTA-H监测软件平台，在功能设计时充分考虑了现场的实际情况，具有较强的针对性、实用性。从通用软件功能设置和软件实现技术上讲，不论是监测功能、数据分析功能、预报警功能，还是数据管理功能，PSTA-H监测软件的设计完全是针对水轮发电机组的，充分考虑了水力发电机组受机械、电磁、水力因素多的特点，强调变转速、变励磁、变负荷等过程的对比分析，为此提供大量过程趋势分析和多工况(负荷、水头、励磁等)相关趋势分析等，不是水轮机、汽轮机、压
