浅谈水轮发电机在线监测及分析系统在五强溪水电厂的运用

刘 承 湖南省望城县桥驿镇黑麋峰抽水蓄能电厂 410000

浅谈水轮发电机在线监测及分析系统在五强溪水电厂的运用

刘 承 湖南省望城县桥驿镇黑麋峰抽水蓄能电厂 410000

由于水轮发电机组在制造工艺、安装、水力机械、电气等方面的原因，使得水轮发电机在运行的过程中不可避免的会产生振动和摆度，造成设备的损伤，设备运行效率下降，若发现不及时有可能导致事故的发生。因此，本文分析了机组振动、摆度产生的原因，并结合我厂实际，介绍了PSTA2003水轮发电机在线监测及跟踪分析系统的结构和功能及其实际运用情况。

PSTA2003系统；监测；振动；摆度

引言

五强溪电厂于1996年12月26日5台机组全部投产，总装机120万千瓦，是湖南省第一座装机容量过百万的水电厂，承担防洪、发电和航运任务，是湖南电网的主力发电厂之一。同时，随着我厂自动化程度的提高，沅水江流域梯级滚动开发接近尾声，尽快实现电厂“无人值班、远程集控”的运营模式，除了对厂站内的各种运行设备参数进行实时监控的同时，还要增加对设备运行工况的实时监测和诊断，及时发现机组的不良运行状况，尽早发现潜在隐患，提出预警，并且通过分析提出相应的改造、检修方案，避免发生重大事故；总结出机组的最佳运行环境，以提高机组运行的可靠性、经济性和机组预测检修的科学性，实现机组运行的效率最大化，电厂经济效益和社会效益的最大化。

原振动摆度监测装置投运以来，经常出现测量信号不准确或信号消失的现象，不能满足电厂对机组运行工况的监测和趋势分析。更为电厂实现“无人值班、集中控制”打下基础，改用由北京奥技异电气技术研究所研制生产的“在线状态监测及分析诊断系统”（PSTA2003系统），该装置可对机组的振动、摆度、水压、转速、导叶开度、有功、励磁电压电流等工况参数进行在线监测、诊断与分析。现场维护工程师可依托该装置读取相应的自动诊断状态报告，实时掌握水轮发电机组健康状况。以尽早发现潜伏性故障，做出趋势分析，提出预警，避免发生严重事故，为状态检修提供辅助决策。就目前改造后的3#机来看，已经大大提高对电厂3#机的振动状况的实时监测准确度，能更有效保证机组的安全稳定运行，并且1#、2#、4#、5#机也将陆续改造使用该系统。

1.在线监测系统结构简介

1.1 在线监测的网络结构

五强溪电厂机组振动摆度监测系统的主体采用北京奥技异电气技术研究所研制的PSTA2003系统平台，这个系统的网络平台与运行中心分析局域网、电厂局域网和广域网为基础，以IP/TCP为通信协议，以上位机系统和下位机系统为基础组成部分，以上位机的Hsmart服务器客户端和下位机的PSTMonitor现地监测程序为核心软件。

在线监测网络结构如图1所示。

1.2 网络组成单元的功能作用

1.2.1 上位机系统

图1 五厂在线监测系统网络结构

上位机单元是指状态数据服务器、应用服务器、工程师工作站、网络设备以及打印机等设备。网络传输应采用开放的分层分布式以太网网络结构，并满足工业通用的国际标准IEEE 802.3和TCP/IP规约。各单元功能如下：

（1）数据服务器是现地单元与上位机信息交换的中心服务器，负责存储由下位机所采集和预处理过的电气信号，机械参数和水力数值等的状态数据（数值、曲线、图表等），分析结果和诊断结果，定期生成状态检查日志，状态发展趋势，自动存储有故障时的监测数据。

（2）WEB/运用服务器是实现在线监测局域网与电厂局域网信息通信的中枢服务器，负责发布数据服务器中的数据、分析结果、诊断结果，包括与本地或者远程的监测、分析、诊断、维护工作站的交互，定期向远程发送日志、趋势以及有故障的实时数据等。

（3）工程师站的主要作用是监测画面和自动报表编辑程序；实现对监测画面的增加、删除、修改功能；实现对自动报表格式的增加、删除、修改功能；点检规程管理程序，实现对点检规程的导入、删除、增加、修改功能和对点检人员的指派、点检事件的审核统计功能；自动诊断规则编辑程序，实现对自动诊断规则的导入、删除、增加、修改功能。

1.2.2 下位机系统

下位机系统主要包括：现地单元柜及其现地信号采集预处理单元和各种信号传感器。是在线监测系统的基础单元，也是数据采集是否准确和状态报告完善与否的关键单元，各单元结构及功能如下：

（1）信号采集与预处理单元在传感器与状态数据服务器信息的交换中起着承上启下的作用。采用双主板、双CPU结构，其中信号采集程序在DOS环境下后台运行，由一块CPU卡控制，预处理程序在WINDOWS2000环境下前台运行，预处理和网络通讯由另一块CPU卡控制。同时，GPS时钟信号的接入，可以使两个CPU系统之间通过高速并行通信方式进行数据交换，保证信号采集和处理可以同步进行。同时信号采集处理单元所选用的主板是研祥标准工业级主板HSC-1621LDN，具有抗干扰能力强、运行可靠，内存容量大等特点，这样的结构和标准可以实现系统数据高速采集、高密度信号处理及其传输的要求。通过自带VGA接口显卡和100M网卡，可接CRT或LCD显示器，以完成信号调试，状态监测，参数设定，系统自检等功能。

通过信号采集预处理模块可以完成信号的电气接口处理，电气隔离，抗混滤波，并完成所有信号的同步采样；采样后的数据将进行分析处理，提取特征参数，得到机组状态数据，完成振动越线报警、预警功能、高速纪录功能，最后将数据通过现地监测局域网传至状态数据服务器，由自动诊断伺服程序完成进一步的状态监测分析和诊断。

（2）电源模块的作用：将从220V直流馈电盘和220V逆变电源盘的电源送至交直流双供逆变电源模块，并由此模块实现220V交直流逆变功能，因为正常情况下下位机由220V交流供电，直流为备用电源，它通过逆变为下位机提供工作电源，提高了在线监测系统电源的稳定性。电源箱模块则实现将220V交流电变为±24V, ±12V,+5V电压，为各种传感器和显示仪表提供工作电源。除此外在线式逆变电源模块还有抗尖峰，抗浪涌等滤波功能，明显改善交流电源质量，保证系统的稳定运行。其供电方式如图2所示：

图2 交流逆变供电方式

（3）共享器实现鼠标、键盘和液晶显示屏与各种信号预处理单元的信号链接交换，可以使人们在现地可实现对系统运行工况参数的提取和修改、图形的分析、故障的判断和诊断；而交换机则实现现地单元各种信号采集处理单元与上位机之间的通信功能。

（4）目前我厂的在线监测传感器主要有：电涡流传感器，主要用于机组轴承的水平振动监测，轴向位移监测及轴心轨迹监测和键向信号采集；低频振动传感器主要用于壳体、支架、大轴的水平及其轴向振动；压力脉动传感器将水轮机过流部件的水流压力信号变为电信号传到在线监测的信号采集系统。

2.在线监测的对象及其意义

水轮机是水轮发电机组的核心组成部分之一，其运行状态不仅影响了发电机的发电效率，而且还影响了电厂的安全运行。在这过程中最为直观的就是对水轮机组的振动和摆动进行检测，因为它能够反映和预测机组的运行状况。因此，目前我厂在线监测主要执行的是水轮机组的振动摆度监测，并且引入了蜗壳进口压力、钢管压力、尾水管进口压力脉动、有无功功率、励磁电压电流、导叶开度等模拟信号，励磁开关、机组GCB等开关量信号为水轮机振动、出力等参数作水轮机运行状况的综合分析。

2.1 水轮发电机振动产生的原因

（1）机械振动：主要是指干扰来自机械部分的惯性力、摩擦力及他力。引起的主要因素有转子的质量不平衡——转子重心与轴心产生一个偏心距，主轴旋转时在离心力的作用下，主轴将产生弯曲变形；机组轴线不正——导致转轮几何中心偏离旋转中心，在惯性离心力和弓形回旋的总用下使振幅增大；同时，在动水压力的情况下，推力轴承发生摆振。导轴承缺陷——松动、刚性不足、运行不稳和间隙过大或过小也会导致振动。推力轴承不平、推力轴承镜板与主轴不垂直、推力头松动也会造成机械振动。

（2）水拖振动：主要是指振动中的干扰来自水轮机水力部分的动水压力。引起的主要因素有水力不平衡——当流入转轮的水流失去轴对称时，出现不平衡的横向力，将造成转轮振动，造成不平衡力的主要原因是过流通道不对称；尾水管中的水力不稳定——尾水管中的水压周期性变化，压力脉动总作用于机组和基础上，引起的振动、噪声和出力波动。空腔空蚀将引起机组顶盖和推力轴承出现剧烈的垂直振动。除此外，在一定水头和导叶开度下产生的卡门涡列引起的叶片共振，导叶空蚀引起的振动，止漏环间隙不合适产生的水压脉动也会引起水力振动都会影响、破环水轮机的结构。

（3）电气振动：主要是指振动干扰来自发电机电磁部分的电磁力，当发电机的电磁力不平衡时，就会产生水轮发电机的振动。引起电磁力不平衡的主要因素：发电机在三相不对称的情况下运行，引起三相电流不平衡，使得在转子与定子之间产生能影响转子和定子之间作用力大小不定的正序旋转磁场和负序旋转磁场，使得力矩变成两倍于周波数的频率而脉动，造成转子及定子机座的振动；由于制造或安装的原因而造成发电机转子与定子间的空气隙不均匀和转子磁极形状的差别，也会产生不平衡的磁拉力振动；转子磁极绕组匝间短路或机组进相过深，导致转子电流的急剧增大，产生的不平衡磁拉力；定子铁心松动也将引起发电机组的振动。

2.2 机组状态监测点

居于水轮发电机组在生产中振动产生的主要原因及其相关部件，同时，防止因为振动的不可避免而造成对厂房、设备、电力质量的危害和影响。我厂对机组的状态监测点作了以下布置，如图3所示。

通过监测结构布置图，我们可以直观的了解该系统信号测量传感器的监测部位，以及机组当前的振动、摆度、水压等参数。

（1）摆度（X、Y水平）监测点：上导、水导、推力轴承。通过监测测出各轴承运动的轴心轨迹，分析机械故障；分析找到轴承的缺陷，如轴承间隙过大或过小、不对中等问题；监测推力轴承，可以反映推力轴承的受力状况，镜板的波浪度。如图4所示的轴心轨迹，可以很直观的得出当前工况下水轮机组的轴承运行工况。

图3 我厂3号水轮发电机组稳定性监测结构布置

图4 我厂3号机轴心轨迹图

（2）轴向振动监测点：轴向振动A、B、C三向。通过这三个量的监测得出机组因水力和负荷情况引起的抬机量、镜板的波浪度和油膜厚度，反映机组推力轴承的镜板光滑度，推力轴承的负荷分布情况和主轴的轴向位移量。也可以通过监测来分析推力轴承的故障情况。也可以将上导、水导、推力轴承的轴径中心与轴承中心轨迹连接，构成空间轴线，通过对空间轴线的分析可以得到各轴承的超重角、失重角、当前弯曲量、平均弯曲量、弯曲角，不垂直度等物理参量，其界面如图5所示。

（3）振动（X、Y、Z三维）检测：上机架、下机架、顶盖等+X、+Y水平方向、垂直方向监测，定子+X、+Z监测。通过对这些量与环境量的综合分析，一方面，可以直接给出机组的振动评价；另一方面，经过信号分析和应力估算，可以判断振动的传递路线以及支撑部件的寿命损伤情况。顶盖垂直振动包含多种频率成分，反映多种故障信息，尤其是水力对机械结构振动的影响。

（4）压力测点：蜗壳进口压力、尾水管进口压力及脉动。通过对这些量的监测分析，一是监视水力激振因素，了解水力激振对转子稳定性的影响；二是通过压力脉动反映过流部件的损伤，预测部件的寿命和安全状态，为机组大修决策提供依据。三是尾水管压力脉动可以监测涡带的形成，进而分析涡带对机组振动摆度的影响，尾水管压力脉动信号还可以诊断泄水锥脱落等故障。对这些脉动做频率分析，可以找到引发水力脉动的物理原因，进而确定检修和改造办法。

（5）环境监测：有功功率、无功功率、导叶开度；开关量监测：励磁开关、发电机出口开关。这两组监测量在综合分析机组的运行性能和其他振动情况，优化机组的最佳运行模式，有着非常现实的意义。

2.3 机组振动监测的意义

通过以上的分析和介绍，我厂采用了PSTA2003在线监测系统，对我厂机组水轮机的部分过流部件，三大轴承，上、下机架，定子和主轴的振动及摆度进行了监测，通过计算处理直观的生成了结构布置、空间轴线、水导状态、法兰摆度、主轴状态等监测页面，并利用在线监测所提供的功率普分析、阶次比分析、波形曲线、空间轴线、轨迹分析、多轨迹分析、数值表分析等分析方法，直观地看出机组的轴形曲线、振动频率、振动幅度的变化规律及故障方位。这些监测量综合环境监测和开关量监测信号，生成推力轴承报告、主轴弯曲报告、盘车校验、质量平衡等状态报告，便于数据的存取、共享和分析。

图5 空间轴线图

因此，我厂的在线监测系统，为我们对水轮机的缺陷、故障的判断分析及预防，优化机组的最佳运行环境和提高机组检修的科学性，提供了方便、高效的分析、诊断工具。为我厂机组的安全稳定运行，避免重大事故的发生，提供了有力的技术支持。

3.存在的问题及改进建议

（1）在机组涡流传感器的安装过程中，探头与监测面之间的距离精度要求较高，探头的安装需要花费很多的时间，如果对探头的固定支架加以改进或更换，那么工作效率会得到大大地提高。

（2）水轮发电机作为一个整体，我厂的在线监测仅仅只做到了对引起机组振动的水力因素和机械因素进行监测分析，而对电气因素的监测分析还未做到，这使得对转子、定子间隙、几何形状、物理效应的监测空缺，造成对一些机组振动原因无法快速确定。

（3）因为我厂的在线监测系统是一套新设备，需要专业人员对其软硬件进行维护，这方面人力不足，因此，目前对在线监测系统的有效检查、维护还是空白。

（4）技术协议要求提供振动摆度信号4～20mA模拟量信号，后经设计联络会协商采用测振测摆装置与监控下位机通信解决；目前因为费用问题，进度停滞不前，导致中控室无法及时监测3#机组振动摆度数据。且因为通讯问题，振动摆度装置无法读取机组温度、开关量等信号，导致其功能大受影响，部分分析功能目前无法实现。

（5）技术协议要求的局域网可以在线监测振动摆度数据的功能目前未能给与实现。

（6）尾水管进口水压目前一直为负值，与实际不相符，在安装工艺或接线上可能存在问题。振动摆度监测量在停机状态下飘溢量过大。对测量通道及变送器需重新进行率定。

4.结语

水轮发电机在线监测及跟踪分析系统，对设备的经济运行和事故的预防起到了积极的总用。虽然它对设备运行参数和工况的监测大大提高了我们对缺陷、故障的分析处理效率，但它作为一个对水轮发电机系统进行综合分析的工具，也就要求我们必须对水力机械、电气电机等一次、二次相关设备及知识有充分的理解，提高缺陷、故障分析诊断效率，这才能真正实现在线监测系统的价值。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.03.007

刘承，男（1980年12月），助理工程师、技师，主要从事水电厂运行管理工作。