瀑布沟水电站水轮发电机组PSTA2003在线监测分析系统应用

宋 柯，喻永松，杨 军

（四川大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 汉源 625304）

瀑布沟水电站水轮发电机组PSTA2003在线监测分析系统应用

宋 柯，喻永松，杨 军

（四川大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 汉源 625304）

介绍了瀑布沟电站（6×600M W）PSTA 2003在线监测分析系统的主要功能及应用情况，重点对在线监测的摆度、振动、稳定性、发电机空气间隙评价等具体数据进行了分析，对机组的故障作出了正确的判断，提高了水轮发电机组运行水平。

水轮发电机组；在线监测系统；振动；摆度

四川大渡河瀑布沟水电站装有6台600 MW立轴半伞混流式水轮发电机组，在线监测分析系统采用的是北京奥技异电气技术研究所的PSTA2003系统平台，通过对水轮发电机组的振动、摆度、压力脉动、空气间隙、磁场强度等物理量的在线监测，同时联合计算机监控系统的监测信息，利用各种分析、诊断策略和算法，针对瀑布沟水电站的6台机组，建立功能全面、实用性强的跟踪分析系统，提供监测、报警、状态分析、故障诊断等一系列工具和手段，实时掌握机组健康况状态，为机组安全运行，优化调度和检修指导提供有力的技术支持。

1 系统结构

PSTA2003在线监测系统由上、下位机两部分组成，上位机系统包括数据服务器、WEB服务器、工程师工作站、网络隔离安全设备及其他相关网络连接设备等，下位机系统由现地盘柜和传感器组成。安装在机组各部位的传感器将各种物理信号转化为电信号，传送到各状态监测子系统，各子系统将这些信号采集和处理，得到反映机组运行状态的各种特征参数，曲线，图表等，统一存储到状态数据服务器。数据服务器具有自动运行分析和诊断软件，定期提供状态检查日志，状态发展趋势，自动存储用于跟踪分析的监测数据功能。

在线监测分析系统网络采用分层分布式结构，由站控级和现地控制级组成，站内各节点计算机通过局域网（LAN）联接；与电站计算机监控系统通过交换机和计算机监控系统通信数据服务器相连实现数据通信；与电站MIS系统通过Web服务器和单向网络隔离装置相连实现单向数据通信；与远方集控中心等外部系统采用广域网联接，系统设备布置见图1。

2 在线监测的测点布置及监测内容

PSTA2003在线监测系统主要在水轮发电机组的导轴承、推力轴承、上下机架、顶盖、定子铁芯、定子机座、尾水管等部位布置有用于测量机组振动、摆度、机组抬机量、压力脉动、空气间隙、磁场强度等物理参数的传感器，同时接入了机组有功功率、无功功率、励磁电流、励磁电压、机组流量、导叶开度、定子电压、定子电流、机组各部位温度等参数和机组出口开关、励磁开关等开关量，实现了对水轮发电机组轴系状态（导轴承状态、推力轴承状态、主轴状态），水轮机状态（能量参数、压力脉动），发电机状态（定转子空气间隙、磁场强度、定子振动、定子变形）的监测，测点布置见图2。

3 系统功能及特点

PSTA2003系统具备丰富强大的软件功能，除防火墙、预览、打印、授权管理、系统仿真、传感器输出信号零点和增益补偿、报警规则编辑、自学习功能、全组态设计、监测画面组态功能、人机界面友好、数据存满硬盘后可进行自动压缩和遗忘、维护系统具有密码访问等功能外还具有以下功能。

图1 系统设备布置图

图2 测点布置图

3.1 自动状态报告生成功能

传统意义上的故障诊断专家系统，是一种自动分析系统，一般由数据库、知识库、规则库和推理机等几部分组成，这种模式在水轮发电机组状态监测领域被证明是有缺陷的，PSTA2003系统克服了传统专家系统的缺陷，具备以下特点：

（1）PSTA2003自动报告系统是面向最终应用的综合分析诊断系统。它不再向使用者提供诸如空间轴线分析、多工况相关趋势分析、轴心轨迹等这样的分离的、不相互关联的分析工具，而是提供给使用者各类最终的应用功能，比如性能曲线报告、量化检修参数评价、故障趋势跟踪及现场试验自动报告等。

（2）PSTA2003自动报告系统是“全自动的”，不需要使用者去进行复杂操作。使用者只需要选择制作什么时间段的哪些报告,剩下的工作自动报告生成系统就会自动完成。

（3）PSTA2003自动报告系统提供的报告内容已经不再局限于机组故障了，包括性能曲线自动整理、量化的检修及诊断参数评价、故障趋势跟踪、现场试验报告的自动生成等诸多内容。

通过对机组实际振动、摆度特性曲线的了解，使用者可以掌握机组的不同工况下振动区变化，以此为基础，通过调整机组AGC（自动发电控制）参数，达到指导优化运行的目的。而自动报告系统提供的量化检修评价参数，则直接可以用来评价和指导机组的检修工作，利用自动状态分析状态报告生成功能可以生成以下内容的自动报告：

（1）反映机组运行稳定性、经济性指标的特性曲线，包括摆度随负荷及水头的变化曲线、振动随负荷及水头的变化曲线、压力（脉动）随负荷及水头的变化曲线、抬机量随负荷及水头的变化曲线、振动及摆度随励磁电流的变化曲线、有功随接力器行程变化曲线、蜗壳差压随接力器行程变化曲线、流量随接力器行程变化曲线、流量随负荷及水头的变化曲线、效率随负荷及水头的变化曲线、监控参数（瓦温、油温等）随负荷的变化曲线等。

（2）量化评价检修参数，包括推力轴承状态的参数、主轴姿态的检修参数、轴瓦调整效果的参数、定转子空气间隙检修及诊断参数、诊断指标参数等。

（3）PSTA2003系统可以实现推力轴承弹性油箱漏油、导轴承支架变形、定子铁芯叠片松动、转子磁极伸长、定子结构变形不一致等故障趋势跟踪。

（4）现场机组甩负荷试验自动报告。

3.2 实时监测功能

实时监测是指对机组当前的运行状态进行同步监视和显示的功能，它以数值、曲线、图表等各种形式，将机组的各种状态分析数据，通过多个不同的页面展现机组的状态信息。PSTA2003提供了丰富直观的、可组态的多个监测画面，其中每一个画面中都可能包含着数据、曲线、图形、表格等不同的状态数据。

3.3 报警、预警功能

PSTA2003系统详细区分了开停机过程、事故停机过程、负荷波动过程和稳态过程，分别设计了不同的报警策略。当有预报警事件发生时，PSTA2003系统能实现以下功能：

（1）自动记录预报警事件和预报警发生时参量特征值，并记录全部预报警事件发生时刻的全部相关数据以供分析诊断使用。

（2）该报警事件可以在各终端分析、诊断软件的事件日志中浏览查询。

（3）在现地监测画面和各客户端以模拟光字牌形式自动弹出报警事件，提醒各运行人员注意。

（4）在所有现地采集单元中，都提供多路无源报警节点信号，如果该事件被绑定了报警节点输出，则输出该报警节点。

（5）启动自动诊断系统进行故障诊断。

3.4 数据分析功能

PSTA2003系统能通过时域信号图、阶次比分析图、全工况瀑布图、相位分析图、等30多种丰富实用分析方法完成机组稳态工况和暂态工况分析。

（1）稳态工况分析工具主要用来评价机组在稳态运行时的状态。PSTA2003针对水轮发电机组稳态工况能完成快速灵活的数据检索、多工况相关趋势分析、空间轴线分析、长时间趋势分析、瀑布图分析、定转子空气间隙状态分析、磁通量分析等功能。

（2）暂态工况分析工具主要用来对机组开停机、变负荷、变励磁、甩负荷过程记录数据的分析。

3.5 完备的数据存储和数据管理功能

PSTA2003系统从故障诊断和状态分析的应用出发，设计出一套能够满足诊断和分析要求的完备数据的存储策略，实现有效状态信息的在线自动记录，包括过渡过程（开停机过程）、稳态过程、故障数据、工况参数发生变化时等各种信息。这些数据库被合理地分布在现地采集单元和状态数据服务器上，针对不同的数据，分别采用关系型数据库技术和实时数据库技术实现。所有数据都采用高效无损压缩技术存储，读取时，可以自动地高保真快速还原。

为了防止网络故障时出现数据丢失，PSTA2003在现地采集装置上配置了现地数据库系统，具有自动数据备份和手工备份功能，同时也提供了数据恢复功能，以防止服务器故障导致数据库文件损坏。使用者可以任意指定时间将数据导出、备份和转移，同时提供了对导出数据的数据导入功能。

3.6 现场手动实验和实用计算功能

PSTA2003系统提供了完整的手动试验工具，包括手动数据记录、动平衡、盘车、效率试验、过渡过程试验、稳定性试验等一系列工具软件，帮助使用者完成各种现场试验、数据计算和报告制作功能。

利用PSTA2003系统的虚拟试验功能，只要机组出现一次停机过程，就可以利用空间轴线分析工具，直观给出盘车数据，质量不平衡对机架振动的影响以及配重方位等参数。

3.7 数据通讯功能和系统集成功能

PSTA2003能够方便地与电厂监控系统、电厂MIS系统、设备管理系统、远程诊断分析中心或者其它测量装置（如变压器油色谱在线监测装置）进行双向数据通讯，以实现数据共享。而且可以将其它测量装置的数据集成到状态监测系统中，并利用PSTA2003系统提供的强大分析功能，完成较为深入和细致的分析诊断，扩展了原有装置的功能。

3.8 网络化远程网络诊断功能

PSTA2003的所有分析、诊断、监测功能实现建立在高压缩比的数据传输和TCP/IP协议基础之上,无需任何其他软件的支持。使得PSTA2003系统可以在Internet网或者电网公司广域网上流畅运行。从而实现远程分析、远程诊断，降低技术服务费用。

4 应用情况

2009年12月17日至2009年12月26日，瀑布沟水电站5号机组利用PSTA2003在线监测系统对机组摆度、振动、压力脉动、空气间隙、负荷等参数的自动记录和积累，通过轴心轨迹、空间轴线、频谱图等方法对机组振动、摆度进行评价，稳定性进行分析，找出了5号机组存在的故障，为该机组检修指导提供了有力的技术支持。

4.1 机组振动、摆度评价

通过PSTA2003在线监测系统对5号机组摆度和振动的记录和分析，对照机组振动、摆度稳定负荷区和不稳定负荷区分级标准，得出机组在稳定负荷区内，上导+X、+Y向摆度，水导+Y向摆度及下机架垂直振动都处于及格水平。机组在不稳定负荷区内，水导摆度和下机架垂直振动处于及格状态。

4.2 机组稳定性分析

（1）主轴弯曲分析，通过导轴承弯曲量图、主轴初始弯曲变化图、主轴初始弯曲变化统计表对主轴弯曲分析得出结论：主轴初始连接弯曲量较大；各导轴承处主轴初始弯曲量在短时间内变化大，弯曲方位也有些变化，可能由于法兰连接不牢固造成。

（2）主轴盘车模拟分析，模拟抱死下导，上导、水导处盘车数据偏大，有调整的余地。

（3）主轴姿态分析，通过机组空间轴线图、频谱图对机组主轴姿态进行分析，机组主轴姿态在负荷250 MW后发生变化，且上导、下导、水导X向1X相位有不同程度的偏移，主要是由于经过涡带区（226 MW～307 MW）影响引起。

（4）推力轴承状态分析，推力瓦与主轴不垂直度约70μm（推荐允许值不大于30μm），不垂直方位327°，不垂直度较大。镜板波浪度约为119μm（推荐允许值不大于30μm），波浪度较大。

（5）导轴承瓦间隙分析，推荐各导轴瓦调整间隙为250μm，实测上导、下导、水导瓦间隙偏大，有调整的余地。

（6）三导不同心分析，停机过程中水导弯曲量变化较大（46μm），下导轴心偏移较大（89μm），推荐不大于允许值为60μm，说明三部导轴承存在一定的不同心。

（7）机组质量不平衡分析，质量不平衡对上机架水平振动的影响量为30μm（推荐允许值为不大于40μm），对下机架水平振动影响量约15μm（推荐允许值为不大于25μm），机组存在一定程度质量不平衡但影响不大。

（8）磁拉力不平衡分析，励磁投入前后，上机架水平振动和各导轴承摆度变化较小（上机架水平振动变化推荐允许值为不大于40μm），说明磁拉力影响很小。

（9）水力不平衡分析，机组在变负荷过程中，各部摆度在226 MW～307 MW负荷区存在0.52 Hz和0.78 Hz的低频涡带，水导水平振动在226MW-307 MW负荷区存在0.52 Hz和0.78 Hz的低频涡带，其他振动（上机架、下机架）无低频涡带区。

（10）下机架变形分析，机组在一次变负荷过程中下导摆度间隙变化较大（40μm左右），同时在其他开机并网过程中也发现同类现象，下导摆度间隙变化与功率、转速、励磁等无直接关联，可能由下机架径向变形或大轴连接松动引起。

（11）摆度、振动影响因素分析，403 MW负荷下，对上导摆度影响最大的是机械因素，占78%。

（12）不稳定负荷区（226～307 MW）下导摆度因素比例分析，不稳定负荷区226～307 MW下，对水导摆度影响最大的是水力因素。

4.3 发电机空气间隙评价

各方向气隙安装值偏差较小，转子不圆度小于4%。平均气隙趋势稳定，变化不大。两次开机过程气隙值对比无明显变化，说明磁极在机组停机后基本恢复到原来的位置，弹性伸缩性较好。

4.4 PSTA2003在线监测系统分析结论

（1）合格项目：下导摆度、水导+Y向摆度属于正常水平；上机架、下机架、定子铁芯100 Hz振动数值较小，根据评价标准属于优秀水平；不平衡磁拉力对机组振动、摆度影响较小；转子质量不平衡对机组的振动、摆度影响较小。

（2）发现问题：主轴初始弯曲程度较大；推力镜板与主轴有一定程度不垂直，镜板波浪度较大；法兰连接处可能存在连接不牢固现象；下机架在机组运行过程中出现较大弹性变形现象，下机架变形过程中可能导致三部导轴瓦不同心；当前水头下，226 MW～307 MW负荷区为机组的涡带振动区，涡带频率成分主要为0.52 Hz和0.78 Hz两种。

（3）检修建议：检查法兰连接是否牢固；对机组进行盘车，检查主轴轴线弯曲情况，并调整；盘车时应检查推力镜板与主轴垂直情况；条件允许情况下检测镜板波浪度；应避免机组在涡带振动区运行。对于下机架是否存在变形现象，以及产生变形的原因，应结合现场情况，做进一步分析与检查。

5 结语

通过PSTA2003在线监测系统在瀑布沟水电站的应用和分析，可以有效避免机组长期运行在振动区域，可以及时发现机组出现的缺陷，确保机组安全运行，同时也为瀑布沟电站机组状态检修和设备管理提供了有力的技术支持。

TP273+.5

B

1672-5387（2010）06-0080-04

2010-10-08

宋 柯（1969-），男，高级工程师，从事水电站生产管理工作。