振动摆度监测系统在水轮发电机组状态检修中的主要应用

顾丹峰

[摘 要]振动摆度监测系统对水轮机组的振动、摆度及压力脉冲进行了实时监测与诊断，实现了准确、快速、直观地反映水轮机组的状态信息，并作为一种有效检测手段应用于状态检修工作中。

[关键词]振动摆度；监测系统；水轮发电机

中图分类号：TG833 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0210-02

一、机组诊断摆度监测技术对状态检修的重要性

振动摆度，是指水轮发电机组在运转过程中，因机械因素、水力因素、电磁因素等不同的影响因素导致的振动摆度现象。振动摆度是水轮发电机组运行过程中较为常见的问题。振动摆度问题的出现影响机组正常运转，严重时会引发机组与厂房的损坏，甚至造成重大运行故障事故发生。因此，振动摆度已经成为水轮发电机组运行状态评价的重要指标。

状态检修是目前针对水轮发电机组较为流行的设备检修方式，通过振动摆度检测系统可以增强设备检修的针对性及有效性，提升设备的使用效率、运转的稳定效率及综合运转效率。在开展水轮机组状态检修时要求对机组进行实时状态的检测与故障诊断，对机组潜在的故障与隐患进行预判。振动摆度是机组设备运行是否平稳的最为直接有效的表征，因此，对机组振动摆度进行实时检测与分析诊断是水轮发电机组实现运转实时状态监测重要的组成部分，也是对水轮发电机组进行状态检修不可或缺的技术手段之一。

二、振动摆度诊断监测系统的功能

振动摆度监测系统一般由传感器、监测保护仪表或计算机显示器、统计分析软件三部分组成。其中，传感器由探头与前置放大器组成，完成振动摆度信号源的搜索、滤波及放大功能，在搜索信号源并记录数据后将数据输入计算机，利用统计分析软件进行分析处理及故障诊断的分析监测功能，并实现报警甚至紧急停机功能。

振动摆度诊断监测系统为实现对机组运行状态的监测、预防性维护及检修要求，系统的诊断监测软件应具备以下功能：

（1）实时监测。在传感器追踪数据并输入系统，显示器要通过实物树的图表方式实时显示所监测设备运行数据的状态，并对运转故障进行报警显示。

（2）回顾追踪。系统要自动记录数据越限时相关的数据信息，可实现为追综事故发生前后的一段时间的相关运行数据，可进行最终分析及纸质打印功能的实现。

（3）振动摆度分析。振动摆动功能分析要实现：

时域分析：波形、幅度数值、轴心运转轨迹、轴心位置、振动棒图分析等功能的实现；

趋势分析：通过已有的数据进行过去发展轨迹特征分析、预测未来发展趋势分析及趋势预报等；

靶图分析：实现直观的频谱靶图与矢量靶图分析等；

故障职能诊断：通过上述的时域、趋势及靶图分析等工具，结合技术工作人员的业务经验，实现对监测对象故障的诊断，及时给出故障部位及其故障性质，提出合理的解决对策与处理意见。

三、机组振动摆度监测系统测点布置及故障判断及分析

1 测点布置及故障判断

振动摆度监测系统为实现其实时监测与分析诊断的功能，要在水轮发电机组的三部导轴承、上下机架、顶盖、定子铁芯、尾部水管等关键部位安装传感器，实时测量发电机组的摆度、振动、压力脉冲等物理运转参数。同时，接入机组有功功率、无功功率、导叶开度、水头、流量等参数，实现对水轮发电机组状态的实时监控检测。具体的振动摆度检测系统测点及布置数量等详见下表1：

2 振动监测与故障诊断分析方法

（1）时域信号分析

传感器时间测量的信号即位时域信号。水轮发电机振动摆渡检测系统是在高噪音、强干扰的环境下进行工作，因此检测信号会受到一定的干扰，需要对其进行特殊处理，状态监测与故障诊断系统中的时域信号是指传感器信号经滤波、采样、A/D变换，放大等预处理后送到计算机后作出的信号幅值随时间变化的图形或波形，这里信号幅值可以是位移、速度、加速度等量。

观察信号幅值的变化规律，可运行时域信号波形图，对描述信号特征的数字进行提取，例如最大方差，此时可以对特定信号X（t）进行特征量的计算：

最大峰值的定义公式为：

，

其中Xi满足Xi ≥Xi-1 且Xi≥Xi+1。

通过计算最大峰值，可以得出信号中幅值的最大波动程度，并可以将其表示为波形中的平均值。

（2）功率谱分析

该信号分析功能是较为常用的一种频域分析法，主要是通过FFT的变换，将时域信号整体分解为若干频率成分之和，进而在分析信号频率成分及分量能量大小的基础上衡量幅值。该方法是将信号分析从一个域转换到新的一个域，通过转换角度来分析问题。

功率谱密度函数的计算公式如下：

设S* w（w）是 S（w）的共扼复数，则自功率谱密度函数为：

率谱密度函数也可以由自相关函数经付立叶变换而得到，此时相应的公式为：

可以做功率谱分析的数据既可以是来自位移、速度、加速度传感器的实时振动信号，可以是硬盘上的记录历史数据或数据库中的数据。

四、振动摆度监测系统应用经验及未来发展趋势

1.振动摆度诊断监测系统应用经验

当水轮机止漏环等部件出现脱落或者出现导流板撕裂现象时，顶盖振动摆度会超出正常范围，出现明显增大情况，此时监测系统中的频谱会发生扭曲；在导流板撕裂时在蜗壳入口门与尾水门处可以听见明显的撞击声音，止漏环脱落不明显。

水轮机止漏环脱落时，机组推力轴承的受力增大，外在变现为推力瓦温会升高。水轮机特征频率：当水轮机过流等构件发生故障时，振动摆度的频谱图将以水轮机特征频率或其倍数频率成分分布。发电机电磁因素振动：定子铁芯振动会明显增大，其频谱图中以50HZ倍频成分为主。轴瓦间隙偏大或分布不均匀：相应轴承摆度增大，瓦的温度成规律变化。

2.振动摆度诊断监测系统发展趋势

完善的电路保护，抑制电磁干、电源波动及传感器损坏情况发生；实现自检测功能，自动识别传感器短路、短路及掉电等故障，更加完善的专家系统及强大的网络诊断。

综上，随着我国水利水电事业的快速发展，水轮发电机组的技术发展水平逐渐成熟，并出现大型甚至是巨型化发展趋势。水电站对设备日常运行的平稳度及安全性的要求越来越高，传统的基于时间设备检修模式，已经逐渐不再适应实时设备检测检修需要。水电站对设备故障诊断与维修的精准，及有针对性的要求越来越明显。设备状态检修技术利用了先进的设备运行指标及频谱状态检测与针对技术，通过对设备运行进行实时监测、诊断、分析甚至是预判等，综合评价分析设备的运转健康状况，实现科学有效安排检修计划与内容，实施检修设备，节约检修维护费用，减少设备非计划性的停摆时间，延长设备的使用寿命，为电力的安全生产提供了有效保障。

参考文献

[1] 费炳生.水轮发电机组振动摆度诊断监测系统[J].水电站机电技术水，2011（3）.