水轮机振动在线监测系统的分析与设计

葛笑寒，尤向阳

（三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000）

0 引言

水轮机振动监测分析系统通过对机组振动的周期性检测，能够不断地在线监测机组振动的变化情况，以尽早发现潜伏性故障，提出预警，避免发生严重事故，为机组安全运行和系统调度提供科学依据[1]。 近年来，国内外开发出的比较典型的在线监测分析系统相继面世，并在实际应用中取得了显著的经济效益和社会效益。 如： 德国申克公司的Vibrocontrol 4000 系统已在我国水口、沙溪口、天生桥、万家寨水电厂应用，但该系统局限于水轮机组振动信号的测量与分析，不具备诊断功能[2]；德国Simens 公司的Scada 系统也是常规的监测系统[3]，可用于机组的振动保护，但不能获得水力振动特性的状态参数； 国内的PSTA2003 系统能进行在线监测诊断和分析，已经在五强溪电厂应用[4]，但主要是针对振动和摆度进行分析，不太全面。 本文提出基于C++的在线监测系统，能满足监测机组技术状况和故障诊断的要求，比较全面地实现参数实时动态监测。

1 方案总体分析

1.1 系统功能

据水力机组的运行特征，在实际监测中，表征水轮机组稳定运行的参数主要有振动、摆度和压力脉动[5]。 为满足监测机组技术状况和故障诊断的要求， 水力机组振动在线监测的设置应有如下功能：基本量的测量功能，基本的波形采集功能，对监测量的时域、频域分析等功能，特殊工况下的瞬态过程记录及波形记录功能，通讯功能等。 实际上,在线监测就是监测振动信号动态记录的过程，它应包括波形监测、轴心轨迹监测、峰值监测和轴系结构监测等。

1.2 总体结构

该系统以信号采集模块为主体，以振动实时监测和振动信号分析处理软件为核心，并与安装在被测部位的振动、摆度、压力脉动传感器和输出设备相连。 其总体结构框图如图1 所示。

图1 水轮机振动在线监测系统总体结构框图Fig.1 Hydroturbine vibration on-line monitoring system overall structure

1.3 系统工作过程

系统总体工作过程为：将由传感器或其他监测仪表输出的信号，经信号采集单元的放大、隔离、滤波等预处理后， 按照分析要求转化为数字信号，传给微机， 从而进行大量的在线信号操作、 处理和加工。 系统可以对机组进行振动值的实时监测、振动值的在线分析、历史趋势分析、数据实时浏览和查询、数据保存和转换等，还可以根据反映机组稳定性状态的各种特征参数和原始数据，进行故障预警、报警，以及对机组状态进行监测分析和诊断等。

2 水轮机振动监测系统的硬件设计

硬件部分主要由传感器检测模块，数据采集模块，数据处理模块三大部分组成，其总体结构框架如图2 所示。 其中，传感器检测模块中的摆度传感器装于上导、下导、水导、励磁机和发电机集电环处的大轴处，用来测摆度。 振动传感器装于发电机组机架、水轮机顶盖、上导、下导、水导和支架上，用来测顶盖振动。 压力传感器装于尾水管、转轮上、下密封，蜗壳和导流锥中，用来测压力脉动[6]。

图2 系统硬件总体结构框图Fig.2 System hardware overall structure

2.1 传感器检测模块

2.1.1 振动测量传感器

由于大多数水轮发电机组的转速频率较低，而且压力脉动形成的振动也大都是低、中频的，所以，对振动参量的测定宜选择适于测低频振动的速度型振动传感器。 本系统选择清华大学精密仪器及机械学院生产的DP 型地震式低频振动传感器（水平振动型和垂直振动型）。 这种传感器既有抗振、耐冲击和高稳定的特点，又有良好的低频输出特性，适用于大型水轮发电机组和低速回转机械的振动监测。

2.1.2 摆度测量传感器

水轮发电机摆度的测量属于小位移动态非接触测量，所以，一般应选择电涡流位移传感器CWYDO-20 系列。 该传感器由探头、壳体、固定电缆和接头等4 部分组成。 在实际测量时，传感器和与其相匹配的延长电缆、前置器组成传感器系统。 当带有高频电流的探头内线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流。 通过电路，可将被测金属相对于传感器探头之间的距离变化转换成电压或电流变化。 电涡流传感器就是根据这一原理，实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。

2.1.3 压力脉动测量传感器

尾水管的压力脉动往往是机组振动加剧的主要诱因，这种振动的特点是频率较低，估算式为

式中：fn为机组转动频率。

因此，选用ST3088 压力变送器对尾水管的压力脉动进行测量。 其工作过程是，当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的电感量发生变化，从而引起了振荡器的振荡电压幅度变化。 这个随距离变化的振荡电压经检波、滤波和线性校正后，就变成与位移成正比的电压量。

2.2 数据采集模块

采集电路由8 个中速ADC 并行工作，时序控制由8 个循环计数器实现。 由振荡器送来100MHz 时钟经8 个循环计数器输出， 然后由8 个RAM 对数据进行存储，并通过接口电路传送给计算机。 这就完成了对传感器提供的交变电信号进行采集及处理，并得到振动的峰值和传感器间隙电压值。 本设计所选用的采集模块的内部框图如图3 所示。

数据采集是指将模拟量采集、转换成数字量，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。 一般数据采集包括模拟量、开关量和数字量3 种数据类型。 模拟量类型是数据通过A/D 转换装置输入计算机；开关量类型是数据通过开关量输入装置输入计算机；数字量类型是数据通过计算机(串、并口)通讯方式输入计算机，其数据采集的流程如图4 所示。

图3 采集模块流程图Fig.3 Acquisition module process

图4 数据采集的流程图Fig.4 Data acquisition process

2.3 数据预处理模块

在经数据采集模块得到的信号中，总有干扰成分，即所谓的噪声，噪声过大，有用的信号就不突出，因而就难以做出准确的判断。 因此，必须通过数据预处理模块设法使噪声与有用信号分离，并予以抑制和消除，改善信号质量，减少后续数据处理的工作量和难度。 通滤除干扰通常采用时域平均和滤波两种方法。 滤波法有模拟滤波和数字滤波两种方式，低通、高通、带通和带阻等4 种基本类型。 数字滤波法的实质是对采集到的离散数据进行运算，增强或提升所需要的信号，压低或滤掉干扰成分。 数据预处理模块的流程如图5 所示。由于发电机组(包括汽轮机和水轮机)的重要特征频率一般都在1kHz以下[7],故采用1kHz 的低通滤波器完全可以达到滤波效果[8]。

图5 数据预处理模块流程图Fig.5 Data preprocessing module process

3 水轮机振动监测系统软件设计与调试

3.1 软件设计

系统采用Borland C++ Builder6 作为开发工具对顶层软件进行编程[9]。 顶层软件采用模块化编程，各个模块之间用数据库SQL sever 连接起来。 系统由系统设置、实时监测、振动分析、历史趋势、数据管理以及帮助等模块组成。 其中，实时监测模块、振动分析模块是软件的主要功能模块。 实时监测模块可连续在线监测和显示机组各导轴承处的摆度情况、机架和顶盖的振动情况，以及尾水管压力脉动情况，并能以图形的方式实时显示幅值。 振动分析模块可以对机组各工况进行时域分析、频域分析、相关分析， 并以图形方式显示分析结果。 系统构建如图6所示。

图6 系统架构图Fig.6 System architecture

3.2 系统调试

利用前面所介绍的振动监测系统，对使用软件进行监测， 获得了机组实时振动波形图和棒状图，具体如图7、图8 所示。从图7 可以看出其振动位移与时间变化的关系，图8 变化动态显示各个通道随时间变化所测的振动值，可比较同一时刻各通道的振幅的大小；而且可以通过数字来实时显示棒状现在所处的位置(振幅)。

图7 实时波形显示图Fig.7 Real-time waveform display

图8 实时波形棒状图Fig.8 Real-time waveform stick diagram

4 结语

综上所述，本文对水轮机振动在线监测系统进行了方案设计， 选取影响系统稳定的最关键参数：振动、摆度、压力，并且选择能够最接近系统运行状态的点作为系统信号采集点， 对系统硬件进行设计、配置、选择，对软件进行调试分析。 结果表明，该系统可直观地了解机组的运行状态，并能对常见的运行故障做出判断，具有状态预测功能，能够比较全面地实现参数实时动态监测，对保证设备维护的准确性、及时性起到关键作用。

[1] 王善永,范文.基于状态监测和故障诊断的水电厂主设备检修计划决策系统[J].电力系统自动化,2001,25(16):45-47.

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[8] 王万岗，吴广宁.水轮机振动在线监测系统设计[J]. 仪表技术与传感器,2009(7):36-38.

[9] 朱时银,马承志.C++Builder6.0 编程实例与技巧[M].北京:机械工业出版社,2001:353-512.