水电机组开停机过渡过程的远程监测分析及诊断

唐卫平

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

水电机组开停机过渡过程的远程监测分析及诊断

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

唐卫平

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

从完善机组开停机过程相关信息量监测，应用网络通信技术，采用基于基础知识库的模式识别故障诊断技术等方面入手，对水电机组开停机过渡过程的远程监测分析进行阐述，对水电厂安全运行具有重要意义。

水电机组；开停机；远程监测；分析

水电机组属于旋转机械的一种，在运行过程中表现出的故障形式多种多样，故障机理也十分复杂。对机组开停机过渡过程进行远程监测分析，可以发现机组在运行过程中不能发现的缺陷和问题，并在机组故障发生前有计划地提前进行维修处理，对保障水电机组安全运行具有重要指导意义。

1 水电机组开停机过程分析及诊断

机组开停机过程可以发现的问题包括开停机异常振动、转动部分机械不平衡、大轴不对中、大轴弯曲、机组转动部件和固定部件的摩擦、机组开停机时间异常改变、机组开停机规律异常变化、导叶漏水量异常、机组开停机轴承瓦温异常变化等。

1.1 机组开停机异常振动分析

采用监测开停机过程机组振动、摆度、压力脉动与转速的关系，对振动、摆度、压力脉动信号进行频谱分析，互相关分析，对开停机过程中监测的典型非平稳过程信号进行小波及小波包分析〔1〕。

1)开停机过程数据总体评价。通过监测机组不同水头下多次开机过程中不同转速、不同工况下的振动、摆度和压力脉动，对机组开机过程运行稳定性进行总体评价，对照标准给出单次开机过程中机组振动的优良中差评价和诊断，给出历次开停机机组振动趋势比较。配置了顶盖部位碰磨信号监测装置的机组，采用特定频谱带分析法对碰磨信号进行提取，能辅助判断机组顶盖水下部分是否存在碰磨故障。

2)机组转动部分质量不平衡分析诊断。开机过程中转速从零升至额定转速，从升速过程中机组转动部分处支架水平振动、大轴摆度可分析判断机组存在的质量不平衡情况〔2〕，决定是否进行动平衡配重处理。

3)机组轴线弯曲、机组轴线位移分析诊断。根据机组盘车结果、各部轴承瓦间隙调整结果，结合机组开机过程中大轴摆度，摆度传感器探头与大轴的间隙值变化等，对机组轴线弯曲、机组轴线位移进行分析诊断。

4)开停机水力谐振诊断。资料表明，国内外有部分水电机组在开停机过程中存在特有的水力谐振现象，一般通过对压力脉动信号、振动信号的频谱分析和互相关系分析可发现。一旦发现机组开停机过程存在水力谐振则必须采取应对措施，以免造成对设备的损害。

机组开机过程中随转速变化振动监测如图1所示。

图1 机组开机过程中随转速变化振动监测波形图

1.2 机组开停机时间、规律异常改变分析

采用监测开机过程中机组开始转动至机组转速达到额定值、导叶 (桨叶)开度变化过程及达到稳态值的时间，导叶开始动作到首次进入同期带(调节时间)时间，监测停机过程中机组转速降至制定转速的时间，导叶 (桨叶)开度降至零的时间，监测投入风闸的开出指令、制定气压，制定时间等。

1)机组开停机时间异常改变。机组开停机时间异常改变有，时间变长和时间变短2种现象。相同工况下，机组开停机时间变长或变短，则表明:测量信号或机组或调速控制系统等出现了异常。应全面检查调速器参数设置、调速器控制油管路流量、压力及执行机构、调速器测量信号、机组导叶漏水量、机组停机制动时投入风闸时刻、机组停机制动气压、分段关闭装置投入及拐点位置、下游水位等〔3〕，找出原因并针对处理。

2)机组开停机规律异常改变。机组多次开停机过程中时间无变化，但开停机过程中相关参量的变化规律异常改变，表明同样有设备隐患存在。这些现象包括转速存在摆动或大幅波动〔4〕，开机过程机组转速超调量、超调次数异常增加，导叶(桨叶)停顿、摆动等，应参照机组开停机时间异常改变中的介绍开展检查处理。

1.3 机组开停机轴承瓦温异常变化分析

采用监测开停机过程中机组转速，各部轴承瓦温、油温、冷却水温等参量的变化过程，可以进行开停机过程各部轴承瓦温测量值异常变化分析。轴承瓦温的异常变化包括与历史或经验值比较，瓦温稳态值变化，瓦温升高或降低变化趋势，瓦温升高(或降低)变化速率异常改变等。机组开停机过程出现轴承瓦温异常变化时，首先应排除温度测量信号故障，然后应结合轴承安装调整工艺、间隙分配、受力调整等情况，参照大轴摆度、油质、油温、冷却水温、运行工况等监测量进行分析，确认原因并采取针对措施。

机组停机过程中导叶关闭时间分析决策监测如图2所示。

图2 机组停机过程中导叶关闭时间监测波形图及分析

2 开停机过程信息量的获取

水电机组开停机过程的远程监测分析需要大量的信息量，开停机过程基本不涉及电气部分，因此，凡涉及到水力因素、机械因素方面的信息量均必须监测。

2.1 水力因素

包括尾水管低频涡带、水轮机水封间隙等产生的水力不平衡、蜗壳、导水叶和转轮水流不均引起的振动、压力管道中水力振动和卡门涡引起的水轮机叶片和导叶振动等，一般采用压力脉动传感器监测获取相关信息。测点包括尾水管、顶盖、蜗壳等部位。压力脉动传感器应具备适合水力发电机组的基本特性，包括灵敏度、量程、精度等。压力脉动传感器要求动态响应时间小于1 ms，能够分析200 Hz以上的脉动频率，测量范围应能满足流道中可能出现的最高压力或负压。

2.2 机械因素

机械缺陷多表现为振动，振动的一般特点是其振动频率多为转频或转频的倍数，对于立轴式机组，不平衡力一般为径向水平方向。包括大轴扭转振动、转子的不平衡、不对中故障、大轴弯曲、机组转动部件和固定部件的摩擦、导轴承瓦间隙大、推力轴承的推力头松动和推力轴瓦不平等。应监测机组各机架振动，各部轴承摆度，定子振动等，顶盖部位推荐监测水下部分碰磨信号。目前国内各水电厂机组普遍配置有振动摆度在线监测装置，对获取机械因素相关信息提供了保证。

2.3 背景量及辅助参量

背景量、辅助参量对分析机组开停机过程至关重要。需监测信息包括:水头、负荷、导叶 (桨叶)开度、瓦温、油温、水温、开停机令、停机制动气压、投风闸令等。

3 基于网络的开停机远程监测分析

随着信息技术和计算机网络技术的发展，网络化与数字化成为当今各行各业的发展趋势。水电厂一般地处偏远地区，各水电厂也正在向 “无人值班、少人值守”方向发展，对水电机组故障分析具有较高的专业性要求，且实时性突出，迫切需要新的服务手段和相应服务技术的支持。网络化、数字化配置以及水电装备的远程操作、监控与诊断维护功能是解决这一问题的有效途径。

基于网络的水电机组开停机远程监测分析表现为水电设备分析的操作者与被操作对象在物理上分离，而在信息、逻辑上进行集成。一方面扩大了操作者对操作对象的控制范围，提高了管理者对水电设备运行情况掌握的方便程度，实现了远程的技术咨询、远程设备的故障诊断；另一方面，达到了水电设备信息的共享，方便对水电机组故障做出的更精确的判断。

远程监测分析数据传输及信息量大，为保障实时性，应采用数据压缩技术，同时最大限度减少数据丢失。

4 基于基础知识库的开停机故障诊断分析

实行对水电机组开停机过渡过程的远程监测分析，必须建立开停机基础知识库，采用基于基础知识库的模式识别故障诊断技术。即将机组开停机过程中的各类特征参数作为其正常模式存入基础知识库，通过监测机组开停机过程及状态，分析其实际模式，并将实际模式与基础知识库数据预存模式进行对比，将对比结果作为故障诊断的依据，从而实现对水电厂水轮发电机组开停机过程的远程监测分析。

开停机基础知识库一般包括:机组正常开机时间；机组开机正常调节时间；机组正常停机时间；机组制动转速；机组制定额定气压；机组正常制定时间；机组正常停机导叶关闭时间；瓦温正常范围、报警值、停机值〔5〕；油温正常值；水温正常值；分段关闭装置拐点位置及各段关闭时间等。

5 开停机过渡过程分析诊断的现场应用

通过扩充完善现场机组、调速控制系统监测信息量，将机组温度、开/停机辅助参量等、调速器特征参数引入现场及湖南电科院远程分析中心“水轮发电机组实施决策系统”。同时建立了基础知识库，采用数据无损压缩和网络技术，实现了对柘溪水电厂的水电机组开停机过渡过程的远程监测分析及诊断。系统投运以来，已成功判断出柘溪水电厂6号机组因漏水量大导致停机时间过长的问题以及2号、8号机组开机及并网运行时振动测点超标问题等。为水电机组开停机过渡过程中的故障诊断分析、检修维护提供了重要支撑。

6 结语

对水电机组开停机过渡过程的远程监测分析，是全面掌握机组状态的重要手段。它涉及到完善机组开停机过程相关信息量监测，应用网络通信技术，采用基于基础知识库的模式识别故障诊断技术等方面。该方法应用于柘溪水电厂，发现了特定水头下存在开机振动、机组停机时间改变、导叶漏水量增大等缺陷并及时进行了处理，取得良好效果。

〔1〕杨敏，刘洋.李家峡水电站机组开停机过程非平稳振动信号的小波分析 〔J〕.水利水电技术，2005，36(10):30-33，41.

〔2〕赵道利，马薇，张龙奎，等.水电机组振动故障的诊断与处理〔J〕，大电机技术，2005(6):44-47.

〔3〕万长胜，丰强，丰芳.柘林水电厂B厂机组停机时间偏长的解决方案 〔J〕，江西科学，2013，31(5):671-674.

〔4〕吴小林，孟佐宏.彭水水电站1号机组停机过程中导叶开启机组过速事故的调查分析 〔J〕，水电站机电技术，2012，35 (6):84-87.

〔5〕关小刚.大峡水电站机组轴承瓦温过高事故停机功能 〔J〕，水电厂自动化，2008，29(4):82－83.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.02.0013

TV736

B

1008-0198(2015)02-0044-03

唐卫平 (1964)，男，高级工程师，从事水电厂生产运行、设备管理及科技攻关等相关技术工作。

2014-11-03

国网湖南省电力公司科研课题 (5216A513500N)