水电厂设备在线监测故障诊断与状态检修

水口水电厂机组状态监测与诊断系统林礼清（福建水口发电有限公司）摘要：水口水电厂建立了一套针对轴流转桨式机组、以实用为目的的状态监测与诊断系统。文中结合工程实践，全面地描述了该系统的总体目标、设计原则、系统功能，系统总体结构、监测范围及测点布置、信号采集与预处理、软件系统组成及功能。关键词：水轮发电机组；状态监测；故障诊断0引言水口水电厂装有7台单机容量20M的水轮发电机组，多年均发电量49.5亿kW·h，承担电网的调峰、调频及事故备用任务，是福建电网的主力电厂。投产伊始，水口水电厂就有计划、有针对性地开展设备状态监测和诊断，不断积累运行经验，逐步由预防性试验向在线监测过渡。在线监测技术的广泛应用有力地促进了水电厂设备由计划检修向状态检修发展的进程。1总体目标及设计原则1.1总体目标总体目标是基于目前国内先进水，建立国内第1套针对轴流转桨式机组并以实用性为目的的状态监测、分析与诊断系统。机组状态监测与诊断系统的建立将通过预警、报警等技术手段，真正解决机组的运行安全问题，降低现场的故障发生率。通过先进的分析、诊断方法，找到引发故障的本质原因；通过一系列在线性能评测分析工具，掌握机组的性能规律；通过寿命估计、效率跟踪等方法为设备检修的合理安排提供技术依据。此外，进一步提高监测系统的集成度，使系统的一致性更强，风格和技术手段更加统一。建立机组状态监测与诊断系统，强调以下一些基本功能：a.故障预警：自动辨识机组振动状态的变化，及时预警；b.优化运行：定期形成机组状态报告，全面了解和掌握机组运行状态；c.数据录波：计算机化的机组状态信息和故障数据在线纪录；d.故障判断：准确分析故障原因，实现有针对性的检修；e.远程交流：做到移动的是数据而不是人；f.综合诊断：实现多数据源，在线监测和离线检测数据统一管理；g.预测维修：为进一步建立计算机检修管理系统（CMMS）打下基础；h.其它实用功能。1.2设计原则计算机软、硬件技术的实施遵循以下原则：a.开放式：极具灵活性以及与其它系统的兼容性；b.智能化：提高分析、诊断的自主性；c.网络型：基于Internet技术，实现资源共享；d.高可靠性：满足长期在线监测的要求。在状态监测的机理研究和实现上，要求：a.针对性强，系统实用化；b.完善信号分析手段，强化自动分析和诊断功能；c.通过多台机组的状态比较，以发现机组隐患，进而确定机组检修序列；d.能够最终解决现场检修和运行所遇到的迫切问题。2系统总体结构水口水电厂机组状态监测与诊断系统建立在由水电厂局域网、广域网和运行分析中心局域网组成的网络台上。电厂状态监测网络系统的结构如图1所示。运行分析中心电厂局域网(TCP/IP)用户终端1局域网主服务器广域网(Internet)或建立在专线上的Intranet用户终端2用户终端n路由器#1机信号采集及预处理单元监控系统数据转换器Web服务器状态数据服务器#2机信号采集及预处理单元#7机信号采集及预处理单元传感器和变送器传感器和变送器传感器和变送器状态监测局域网（TCP/IP）机组状态监测与诊断系统工程师工作站图1水电厂状态监测网络系统结构示意图安装在每台机组各部位的传感器和变送器将各种物理信号转化为电信号，传送到相应机组的信号采集及预处理单元，得到反映机组运行状态的各种特征参数、曲线、图表等，统一存储到状态数据服务器。该服务器自动运行分析和诊断软件，定期提供状态检查日志、状态发展趋势、自动状态报告，自动存储有故障时的监测数据等。Web服务器负责发布数据服务器中的数据和分析、诊断结果，包括与本地或远程的监测、分析、诊断、维护工作站的交互，定期远程发送日志、趋势以及有故障的实时数据等。水电厂管理信息系统(MIS)局域网的用户终端和通过广域网接入的其他用户终端，都可以通过浏览器查询状态数据服务器和Web服务器上的状态数据及报告，下载监测数据，完成自定义分析，或指定服务器完成特定的分析和操作。建立独立的状态监测与诊断系统TCP/IP局域网，与水电厂MIS局域网分开，以保证状态监测的实时性，避免两个系统之间的通信干扰。同时，通过Web服务器将2个网络连接起来，使MIS用户可以用浏览器方式有效地对机组状态进行监测分析和诊断。状态监测系统与监控系统的数据传递通过1立的数据转换器来实现。工程师工作站用于完成状态监测与诊断系统的配置和维护等工作，也可以用于对离线监测数据的管理和维护。3监测范围及测点布置本系统监测范围包括机组稳定性、发电机状态、水轮机状态和调速器状态等多项内容。机组测点参量见表1。表1单机测点参量一览表序号内容测点数布置地点（或信号源）1空气间隙8沿定子壁圆周互成45º2振动摆度17上导、推力、水导摆度，大轴位移，上机架、顶盖振动和定子机座振动，以及键相等3线棒振动12定子线棒端部，每支路1只4电气绝缘3发电机出口，A、B、C三相各装1只耦合器。5磁场强度1上游侧定子上端槽楔处6水压脉动5蜗壳出口、导叶进口、顶盖下空腔和尾水管入口7空化气蚀4装在导叶拐臂上8常规参量13+30电气量取自变送器，温度、油位、行程、水位、流量等由监控系统通信输出用最低的成本完成尽可能多的故障信息的监测，同时也考虑现场安装的可行性和日后维护的方便。一般地，设备状态监测的测点布置遵循以下基本原则：a.满足设备状态评价所需的监测基本参数的要求；b.考虑设备的故障诊断模型的信息要求；c.满足安装条件及限制的要求；d.适合机组的运行特点；e.测点之间具有相关性、互补性和相对独立性；f.经济性原则。3.1机组稳定性a.导轴承状态：每个轴承部位通过正交的2个电涡流传感器测出大轴运动的轴心轨迹。经过对摆度测量信号的适当分析可以找到轴承的某些缺陷。b.推力轴承状态：通过大轴轴向窜动和推力轴承支架轴向振动的频率分析，可以诊断与推力轴承有关的故障（隐患）。c.主轴状态：由大轴上3个截面的轴心轨迹可以描绘出空间轴线图，直观地掌握大轴的空间运动，了解转轴的动力学特性。d.结构振动：采用低频振动速度传感器测量机组支架结构的绝对振动。除了直接给出振动评价，经信号分析和应力估算，可以判断振动的传递路线以及支撑部件的寿命损伤情况。3.2发电机状态a.定、转子气隙：通过测量传感器与磁极之间电容的调制电流，可以得到定子圆度、转子圆度、最小磁极间隙和相位、磁极周向形貌等多种参数和曲线，同时还可以监测定子圆度蠕变、磁极伸长等。b.磁场强度：非接触式的磁场强度传感器动态地感受来自每个磁极发射的磁场强度。它可以测到最小磁场强度和相位，继而判断产生振动的原因是否为电磁力，判断是否存在匝间短路等故障，以及检测机组定、转子结构和组件由于振动、过热等导致的不衡。c.线棒振动：定子线棒的径向振动（即线棒与定子铁心的相对振动）使传感器与目标之间的距离变化。d.绝缘监测：发生在发电机定子绝缘系统内的局部放电脉冲，由局部放电分析系统的耦合器检测。通过对各相放电量、放电次以及放电相位的分析、计算和进一步的判断，可以明确绝缘的损伤程度和产生局部放电的大致位置。e.发电机运行参数：包括定子电压和电流，转子电压和电流，有功功率、无功功率、负序电流、零序电流、功角、并网相角、频率、功率因数、P-Q曲线、发电机定子铁芯和绕组温度、发电机冷却介质温度和发电机转子均温度等。3.3水轮机状态a.水力流动状态：包括蜗壳进口和尾水管锥段压力、导叶出口和顶盖下空腔压力脉动等信号。监视水力激振因素和反映过流部件的损伤，通过压力脉动的频率分析找到引发水力脉动的物理原因。b.能量参数：包括水轮机发电流量、蜗壳进口压力、电站下游水位、水轮机有效工作水头、水轮机有效出力（功率）和效率，以及水轮机扭矩、单位转速和单位流量等。c.空化监测：安装加速度传感器，测量气蚀产生的噪声强度，同时考虑效率的下降和工况的影响，经分析、计算累计得出等效气蚀作用时间。3.4调速器状态a.导叶、桨叶控制状态：主要监测导叶、桨叶接力器行程和转速，以及有功功率、无功功率、蜗壳进口压力、流量、下游水位等环境参数。通过分析过渡过程中接力器行程和转速曲线、流量-接力器行程关系曲线，发现调速器控制系统和执行机构的故障；通过调速过程相应时间、调速器波动次数等参数的在线辨识，评价调速系统的性能状态。b.协联关系：主要监测导叶、桨叶接力器行程和导叶出口处的压力脉动及环境参数，给出不同工况下的协联关系曲线和不同协联关系下的压力脉动曲线，优化协联关系或躲避不稳定负荷区运行。3.5其它信号和参数a.键相信号：采用电涡流传感器测量。利用键相信号，数据可以精确地按照整周期采样，避免频谱分析中的混叠和泄漏现象。b.环境参数：大量的监测分析和诊断功能都需要在一定的工况下进行。水轮机的振动与环境参数如功率、水头、转速、接力器行程、发电机开关状态等关系颇大。c.辅助状态信息：油温、冷却水温信号也是状态监测中反映轴承工作状态的重要参数。由于温度信号为缓变参数，同时考虑到信号的采样速率比较低，因此全部以数据通信的方式取自监控系统。4信号采集与预处理4.1信号采集与预处理系统的组成根据监测内容，机组的状态信号采集及预处理系统由振动摆度、压力脉动和空化气蚀、电磁参数、局部放电和电力参数等5个子系统及相应附件构成。从总体上看，各预处理机的软件流程如图2所示。传感器将轴系各部分的位移、压力、温度以及发电机运行状态信号、水轮机能量和空化状态信号等，变换为电压或电流信号，传送给预处理机。预处理机将传送来的反映机组各部分运行状态的数据以某种方式采集上来，经计算、整理得到所需要的状态数据，并记录在硬盘上，以便事故追忆与指导维修。同时，通过网络将数据及时传送到状态数据服务器。信号调理A/D转换采样控制实时时钟数据处理数据存贮网络通讯屏幕显示上位机开关量与键相信号输入输出控制物理信号预处理工作站信号采集箱数据通信图2预处理机软件流程4.2组态式信号采集与预处理单元组态式信号采集与预处理单元可以针对各种传感器输出信号进行数字化采集和分析处理，其通道数目、信号类型、采集策略、预处理算法等都可以灵活组态，形成多种信号采集与预处理单元，满足状态监测与诊断系统开放、灵活的内在需求。典型的组态式信号采集与预处理单元的功能特点如下：a.以双工控机作为系统的软、硬件台，充分利用PC台的优点；b.利用PC机已有的网络软、硬件资源，实现多种网络通信模式；c.系统设有配置方便的多种信号调理模块，以适应不同种类的传感器信号；d.具有模拟量输入、开关量输入/输出、键相处理、定时计数等多项功能；e.采样频率、采样时间可通过上位机或人机对话方式修改；f.可连接键盘和显示器，以便系统调试运行时使用；g.与外部设备相连的通道具有光电隔离措施；h.工业级设计，高可靠性，均无故障工作时间达到30000h以上。5软件系统组成及功能5.1系统数据结构和数据流结合系统总体结构，水电厂局域网内部的数据流