水轮发电机转子视觉监测系统工程应用研究

万慧明 陈珏良 王 星 肖冬梅

1.东方电气集团东方电机有限公司 四川 德阳 618000 2.国家能源集团江西电力有限公司万安水力发电厂 江西 万安 343800

1 引言

水轮发电机转子是发电机的核心部件,直接关系到水电站的安全运行。机组运行时,转子受到离心力、电磁力、热应力等因素影响,会出现如磁极引出线变形、磁极线圈匝间开裂、螺栓松动等故障造成安全隐患[1]。为此,机组每次检修时,转子的检修都是重中之重。

目前,转子的巡检主要是通过人工的方式完成,需要技术人员在停机检修时钻进发电机内部,手持灯光设备逐处完成检查。该种方式检修时间长、人员工作量大,且由于灯光等原因造成漏检。另外种方式是通过人工光纤内窥镜的方式[2],该方式能够巡查的范围更大,但仍有图像不清晰,需要人工手动操作的问题。

本文提出了一种转子视觉监测系统,可在线对转子进行检测、实时分析并报警。立足工程实际应用场景和需求,详述了转子视觉监测系统设计方案,并结合实际应用,提出了该系统应注意的要点。

2 工程应用场景及需求

2.1 工程应用场景 国内某水电厂发电机额定转速为76.9r/min,磁极数量为78个,磁极处线速度约为50m/s,采用传统大回风结构(无玻璃钢挡风板),局部结构如图1所示。

图1 转子局部示意图

定子与转子区域为强磁场所区域,正上方风温在70度左右。上机架上方为冷风区,风温在40度左右。

2.2 工程应用需求 为了能够减少人工巡检量,需要设计一套视觉监测系统实现对磁极上端部的在线巡检,主要要求如下:

(1)系统安全可靠,不会对原系统造成额外的风险;

(2)能够在机组运行时完成磁极上端部所有画面的监测;

(3)采集的画面清晰明亮,磁极端部特征无模糊现象。

3 系统设计

3.1 结构布置方案设计 视觉识别系统主要包括工业相机、镜头和光源,结构方案设计需综合考虑空间、磁场、环境温度等因素的影响。

图2为本方案的结构布置方案。方案中在磁极正上方的机架上固定一个铝制屏幕罩,罩子内封装了相机和光源,屏蔽罩下方采用了一块有机玻璃作为结构光学通道。该方案能够保证无异物掉落到转子区域内,且不受主磁场影响。由于处在冷风区域,相机能够长期工作。

图2 结构布置方案

3.2 关键硬件选型 本文针对系统的关键硬件相机、镜头和光源进行了选型分析。

(1)相机选型。相机选型首先要确定需要的工程应用需要的视野范围。本方案初选用两张照片覆盖一个完整磁极,两张照片重合30%左右,此时圆周方向视野在350mm左右,径向视野需求在500mm左右。按精度1/3mm设计,至少需求横向分辨率500*3=1500,纵向分辨率350*3=1050,分辨率=1500*1050=157.5W像素。机器视觉需求一般需要在此基础上乘以4,因此相机至少需要600到800W像素之间。按4倍考虑,相机像素为3000*2100。

机组转速为76.9r/min,每转需要0.78s。一共78个磁极,每转需求至少拍摄156张照片,因此相机帧率最少为156/0.78=200帧。

由于转子在高速旋转,曝光时间的正确选取是清晰成像的关键,过大时图像会产生拖影。曝光时间<(精度1/3mm)/(运动速度50m/s)=6.6us,选取6us。

(2)镜头选型。相机像元尺寸一般在0.005mm左右,镜头放大倍率为0.005/(1/3*0.5)=0.03。按照图2的结构设计,相机距离磁极的工作距离在850mm左右。根据光学成像原理,镜头焦距为850*0.03/(1+0.03)=24.75mm,因此选择常见的24mm焦距镜头。相机传感器横向尺寸为3000*0.005=15mm,纵向尺寸2100*0.005=10.5mm,对角线尺寸为18.3mm。镜头传感器尺寸一般要求大于等于相机传感器尺寸,此时选择常见的17.6mm。

本项工程应用中,由于拍摄的视野广,磁极端面并非平面,需要考虑一定的景深需求,初步按60mm设计。景深计算公式如下:

△L=2f2FδL2/(f4-F2δ2L2) (1)

f-镜头焦距

F- 镜头的拍摄光圈值

式中

δ- 容许弥散圆直径δ=d/1730,d为传感器尺寸

L- 对焦距离

根据计算公式,可以反推出光圈值F在2.4左右,选用F2.8的光圈可以满足系统需求。如果需要增大景深,在别的参数不变的情况下,需要相应的提高F值。

(3)光源选型。此处选用高速光源,其为无频闪光源,能够应对微秒级、纳秒级的拍摄。由于安装环境复杂,其选型需结合具体相机、具体场景并经过一定的试验才能确定,具体过程此处不再赘述。

3.3 硬件系统方案设计 经过上述选型,本方案最终采用了一款200帧/s@3200x2200像素光纤接口像机,镜头为24-85mm F2.8-4D,光源为一款120W的高速光源。

转子视觉监测系统由相机、光源、屏蔽罩、现地PLC柜、图像存储服务器、图像处理服务器等组成,系统图如图3所示。

图3 转子视觉监测系统图

需要监测转子时,图像处理服务器通过光纤和PLC启动相机和光源的电源,相机正常工作,拍摄的图片通过光纤直接上传到图像存储服务器,后续图片处理、结果分析在图像处理器上完成。

3.4 应用效果 图4为机组正常运行时系统拍摄到的实物图,实物效果基本达到了工程应用需求。

图4 转子视觉监测系统拍摄实物图

4 结语

本文立足工程实际,为水轮发电机定制开发了一套转子视觉监测系统。用户能够通过该系统实时监控到以前检修期才能监测的转子,有效避免如磁极螺栓松动、磁极线圈开裂、引出线变形等常见故障的扩展。

实际工程应用中,除了文中提到的关键设备选型,还应注意如信号传输、数据存储、抗干扰、光源反光和系统工作模式等问题。本工程应用的最终成功实现,为水轮发电机开展视觉监测提供了重要参考,同时对同类高速视觉项目有较大的借鉴意义。