抽水蓄能电站发电机检修工艺流程可视化系统的实现分析

张泽展，张立峰，王 毅

（南方电网调峰调频发电有限公司检修试验中心，广东 广州 511493）

0 引 言

与传统电站建设相比，抽水蓄能电站在“无人化”的发展方面更为先进，不但能够从根本上减少人力供应，也提升了管理效率和管理准确性。目前，国内开展管理抽水蓄能电站时，主要依靠进口监控系统来实现。但是，工作人员在使用进口系统的过程中，缺乏明确的检修维护经验，以致检修工艺与实际使用需求无法紧密契合，最终造成资源浪费。

1 确定抽水蓄能电站发电机检修方案

1.1 抽水蓄能电站发电机的检修工艺内容

抽水蓄能电站使用的发电机组，主要有几种特定的稳定运行工况，其中包括发电、抽水、发电调相、抽水调相以及开停机等。实际运行过程中，受工程要求的影响，需要进行多种工况转换。转换进行时，发电机组内部的电气主设备和辅助设备需要持续操作，并进行复杂的控制。对于检修工作而言，在开展发电机检修前，应当明确发电机拥有的电磁参数。

我国抽水蓄能电站所采用的发电机组，通常为双向旋转运行的同步机组。在机组运行过程中，会产生一定规模的稳态电磁参数和瞬态电磁参数。其中，稳态电磁参数具体表现在同步电抗方面，而瞬态电磁参数则表现在瞬态电抗和超瞬态电抗两个方面。因此，对于检修工艺来说，通过判断电磁参数，能够在一定程度上获知当前发电机组的运行性能，完成检修优化。

1.2 抽水蓄能电站发电机检修系统框架

基于对抽水蓄能电站的机组特性分析，本文在开展可视化系统设计前，首先明确故障树分析的基本理念[1]。与传统的检修分析方式不同，故障树分析法能够对具有直接关联和直接影响的各个分量进行逻辑推论，从而寻求系统出现问题的影响因素的逻辑关系，再通过图形符号对逻辑关系进行表述，最终形成多个根事件共同组成的树状图。

在故障树分析中，首先应当结合技术规范、系统设计的相关资料，对所选用的发电机组的系统常态、故障态、故障事件进行定义，并依据故障分析追溯故障原因。系统故障的追溯，既应当包含对过去故障的分析，也应当包含对将来故障的预测，从而使系统能够根据资料探查基本事件。随后，要开始构造故障树。故障树的构造一般以假设条件为主要依据，根据系统资料提供边界，最终确定故障情况，如表1所示。

表1 发动机故障树系统边界条件

1.3 可视化系统设计目标

本文在进行发电机检修系统设计时，以可视化系统作为主要的设计方向。通过可视化系统的设计与应用，能够在极大程度上提升检修人员对检修工作的理解。此外，随着近些年来计算机技术与仿真技术的发展，三维仿真、虚拟现实等先进技术已经日趋成熟，能够在机组检修中发挥突出作用。

从更加宏观的层面上考虑，抽水蓄能电站开展可视化系统的应用，能够填补目前国内在该领域方面的空白，并为今后电站机组检修提供宝贵的经验。尤其是在抽水蓄能方面，发电机急速设备十分复杂，通过可视化系统的应用，能够帮助发电机检修培训全面开展，从而使更多优秀人员进入检修工作。在这个意义上，研发发电机检修的可视化系统，系统除了应当具备对故障的判断能力外，还应当具备机组检修的仿真培训功能。

此外，在检修系统的设计中，由于运用了故障树这一检修判断逻辑，使得复杂的发电机组内部部件更加具有关联系。除了要能够对当前发电机状态进行判断，可视化系统还应当结合故障树，对未来可能会出现的故障进行预测，从而形成可行方案。

2 抽水蓄能电站的发电机检修可视化系统设计

2.1 电磁参数计算

通过前文的论述可以看出，可视化系统作为发电机检修的主要手段，应当对发电机组的电磁参数拥有计算能力。因此，设计时首先应当对其进行电磁参数函数导入[2]。以稳态电抗中同步电抗的计算为例，在发动机中，励磁绕组和阻尼绕组均维持在开路状态，此时定子三相绕组在直轴进行正弦磁动势的施压时，会出现一定的直轴磁场分布。通过三维磁场的有限元分析计算方法，能够求得直轴的同步电抗。计算时通常采用斯托克斯公式：

式中，ψ为所进行计算的绕组磁链，Ne为磁场当中的单元个数，Ak为单元中第k个单元质心的矢量磁位，Vk则表示单元体积，l0k则代表第k个单元的方向单位矢量，N则为绕组的总匝数，S指绕组截面积。通过计算，最终可以获得直轴磁场的同步电抗。

2.2 可视化系统的模块设计

根据故障树的逻辑原理，检修可视化系统将发电机组的系统故障进行了汇总，并以模块的形式进行展示。以某电站所采用的大型旋转发电机组为例，该机组具有转子大、转速高等特点，在特殊水质环境下会出现故障。通过故障树分析，将其故障总结为发电机故障、主变故障、轴承故障（包含主轴轴承和推力轴承）和过流故障等。不同的模块对应的故障类型不同，系统操作可以通过模块完成对故障情况的信息查看。为了保证可视化系统能够与实时的发电机运行状态保持一致，在进行系统设计时，本文还加入了监测项目，主要测定的内容为旋转机械的震动情况。依据振动频率可以分为三种不同的参数，分别为加速度、速度以及一般位移。通过振动频率，可以十分直观地观测到谐波的分量。在该发电机组中，谐波分量与频率放大程度呈现正相关关系。

2.3 仿真动画展示设计

仿真动画是可视化系统使检修工艺流程更加直观生动的重要步骤。系统中，应当结合发电机组的特点，设计出仿真演示训练平台。参与培训的人员通过可视化系统平台，能够对机组故障情况、机组运行原理以及检修方法进行全面了解。为了实现这一目标，本文有针对地选用了三维动画作为表现方式，主要表现的内容包括检修作业准备、措施检查和检修工艺等。其中，检修工艺采用表格的方式，并采取文字描述等方式，对检修工作中的工作步骤、操作内容进行展现，再通过形象的动画演示方式进行表现，从而使文字叙述与动画相互结合，明晰表现出检修工艺的具体流程[3]。

例如，在检修工作的密封工艺中，检修手段主要包括准备工序、工具选择、安全检查和工作交底等步骤，而细分又能够划分为近100个工艺步骤，对于检修工作具有极大挑战。因此，在可视化系统中，可以采用实物对照图、模拟仿真训练的方式完成检修工艺要求。其中，检修所需运用的工具应当均有实物与之对应。在模拟仿真过程中，还需要通过实物拍摄的方式，将其以网页页面交互的方式进行呈现，从而实现条理清晰的菜单条目，帮助参与培训的人员能够清楚将仿真内容与实际检修工作一一对应。

3 结 论

综上所述，为了能够使相对复杂的抽水蓄能电站发电机组实现清晰可控的检修，需要结合目前技术手段中的虚拟现实技术进行可视化系统开发。可视化系统除了能够使发电机组的检修过程更加清晰可视外，还能够依据相关的数据统计分析，对发电机组运行过程中可能出现的一系列故障问题进行分析和预测，最终实现发电机组的高效运用。