陳毅鋒（福建棉花灘水電開發(fā)有限公司）

試論水輪發(fā)電機(jī)組振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳毅鋒
（福建棉花灘水電開發(fā)有限公司）

大型水輪發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)中的作用越來越大，檢修工作也越來越重要。在發(fā)電機(jī)組檢修的過程中必須根據(jù)實(shí)際故障狀況制定對策，針對發(fā)電機(jī)組的常見振動故障，必須建立科學(xué)的故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)。本文結(jié)合水輪發(fā)電機(jī)組的振動原因，提出了振動監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

水輪發(fā)電機(jī)組；振動監(jiān)測；故障診斷；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在電力產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的過程中，水力資源不斷開發(fā)的同時(shí)，大中型水輪發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用越來越廣泛，其在電力系統(tǒng)中所占的比例也越來越大。大中型水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相等作用在電網(wǎng)安全運(yùn)行中發(fā)揮著重要的作用。因此水輪發(fā)電機(jī)組的故障診斷問題也受到廣泛的重視，一旦機(jī)組故障停機(jī)，將帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失并影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，故障的監(jiān)測、診斷和消除對安全運(yùn)行具有重要的作用。保證水電機(jī)組的正常穩(wěn)定，需要監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障預(yù)兆，做好事前維修工作，防患于未然，本文針對水輪發(fā)電機(jī)組的振動故障展開了探討。

1　水輪發(fā)電機(jī)組的振動機(jī)理和振動原因

1.1水輪發(fā)電機(jī)組的振動機(jī)理

在電力系統(tǒng)中，水輪發(fā)電機(jī)組的振動動力來自水輪機(jī)本身，水的能量成為導(dǎo)致機(jī)組這振動的重要原因，水的能量可以激發(fā)振動，也可以維持振動。

結(jié)合實(shí)際振動問題的發(fā)生狀況，有些振動取決于水輪機(jī)本身的水力性能，也有少部分故障來源于偶然因素[1]。水輪機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的同時(shí)，可能由于設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行工況等方面的因素導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)電磁振動。

從水輪發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)上分析，它主要包括轉(zhuǎn)動部分、固定部分和支持部分，如果其中任何一個(gè)部分存在機(jī)械故障都可能導(dǎo)致機(jī)組振動，這些振動直接與設(shè)計(jì)和安裝等因素有關(guān)。通常情況下，機(jī)組的振動部件主要有上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋和轉(zhuǎn)動部分，有時(shí)也會涉及到定子鐵芯。

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的過程中，受力和旋轉(zhuǎn)等因素導(dǎo)致的設(shè)備振動是難免的，通常用振動參量反映出水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，必須考慮到異常振動對設(shè)備帶來的危害，因此對水電機(jī)組振動原因的分析十分重要。

1.2水輪發(fā)電機(jī)組的振動原因

1.2.1尾水管內(nèi)低頻渦帶

針對混流式和軸流定漿式水輪機(jī)而言，低頻渦帶是導(dǎo)致振動的主要原因。產(chǎn)生渦帶的主要原因是水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪位置存在一定的水流分速度。針對混流式水輪機(jī)而言，在運(yùn)行的過程中轉(zhuǎn)輪出口位置會產(chǎn)生強(qiáng)制漩渦，漩渦內(nèi)部的壓力較小，強(qiáng)制漩渦容易出現(xiàn)空腔汽蝕現(xiàn)象，中心部分的空腔會出現(xiàn)偏心運(yùn)動，產(chǎn)生的壓力也會不斷變化，進(jìn)而引發(fā)振動。1.2.2尾水管接近轉(zhuǎn)頻的脈動

尾水管中的一部分脈動壓力，包括一部分中頻和高頻壓力。其中中頻壓力脈動頻率與發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動頻率接近，容易導(dǎo)致機(jī)組振動，也可能會帶動壓力管道的振動。接近轉(zhuǎn)頻的壓力脈動普遍存在于水葉的任何開度下，在轉(zhuǎn)速一定的情況下，頻率也會基本固定。在低頻渦帶出現(xiàn)的范圍內(nèi)，在低頻的影響下，接近轉(zhuǎn)頻的脈動將出現(xiàn)不動程度的波動。

1.2.3機(jī)組的電磁振動

在水輪發(fā)電機(jī)組的電磁振動中，可以將其分為轉(zhuǎn)頻振動和極頻振動。其中轉(zhuǎn)頻振動的頻率是轉(zhuǎn)頻的整數(shù)倍，主要原因是機(jī)械部分存在缺陷，例如發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子不規(guī)則，這種振動故障在安裝過程中已經(jīng)存在。極頻振動主要是由兩種不同的磁場相互作用而形成的，例如定子內(nèi)腔和轉(zhuǎn)子外圓之間的空隙不均勻，在運(yùn)行過程在紅釘子和轉(zhuǎn)子間形成不均勻的磁拉力，成為水輪發(fā)電機(jī)組振動的主要原因。產(chǎn)生極頻振動的原因有定子不圓、負(fù)序電流引起反轉(zhuǎn)磁勢、分瓣定子合縫間隙大等。

2　振動監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水電機(jī)組的單機(jī)容量不斷增大，機(jī)組的維護(hù)和檢修工作不斷加重，機(jī)組系統(tǒng)的故障將影響機(jī)組的正常運(yùn)行，關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定，因此必須對水輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)參量進(jìn)行持續(xù)就監(jiān)測，技術(shù)判斷機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，對機(jī)組故障做出分析和診斷，為故障消除提供可靠的依據(jù)。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在振動監(jiān)測系統(tǒng)中，將其分為重要的機(jī)械測量、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測分析和傳輸系統(tǒng)幾個(gè)部分。從功能上分析，可以將其分為數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷三個(gè)層次。

在狀態(tài)監(jiān)測部分中，需要結(jié)合前端數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，及時(shí)判斷出機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，為中央單位提供機(jī)組的運(yùn)行報(bào)告。具體而言，狀態(tài)監(jiān)測需要實(shí)現(xiàn)簡單的分析工作、快速傅里葉分析、啟停狀態(tài)和正常運(yùn)行狀態(tài)的分析、現(xiàn)實(shí)不同監(jiān)視圖像、狀態(tài)報(bào)告打印等。分析診斷部分需要將所有的狀態(tài)信息進(jìn)行整合，將涉及到的信號分析和函數(shù)分析等綜合起來，針對故障發(fā)生的原因、部位等給出相應(yīng)的檢修策略，為機(jī)組的故障管理提供指導(dǎo)[2]。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)，其中上位機(jī)主要包含中央信息處理器、隔離裝置、WEB服務(wù)器和工程師站等，下位機(jī)系統(tǒng)主要包含多種不同的屏柜。在該系統(tǒng)在紅，可以增加相應(yīng)的數(shù)據(jù)鏡像服務(wù)器，利用隔離裝置保證內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)隔離，將隔離裝置、中央信息處理器和數(shù)據(jù)鏡像服務(wù)器等構(gòu)成一個(gè)整體。系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，可以利用多種不同的傳感器將采集到的物理信息號轉(zhuǎn)換為電信號，將電信號及時(shí)傳送到狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)多種信息的收集和處理，最終得出機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的可靠信息，例如圖表、特征參數(shù)等，再將這些信息統(tǒng)一存儲在服務(wù)器中。

2.2硬件設(shè)計(jì)

2.2.1網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的局域網(wǎng)采用雙冗余的高速以太網(wǎng)，為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，可以利用數(shù)據(jù)采集單元和預(yù)處理單元實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測，如果一套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸失敗們可以自動選擇林一套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.2下位機(jī)設(shè)計(jì)

不同機(jī)組的信號采集和預(yù)處理都需要應(yīng)用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜實(shí)現(xiàn)，將標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜安裝在機(jī)組附近，它主要包括顯示器、信號采集和預(yù)處理等單元，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中包含集中組屏，機(jī)柜內(nèi)有傳感器的直流電源、顯示器、共享器、UPS電源和信號采集預(yù)處理單元[3]。

機(jī)柜內(nèi)的電源可以保證不同傳感器的正常工作，應(yīng)用接線端子連接傳感器信號和輸出信號，將采集的信號技術(shù)傳遞到預(yù)處理單元中。系統(tǒng)中的信號采集和預(yù)處理單元完成信號電氣結(jié)構(gòu)的處理，實(shí)現(xiàn)信息的同步采樣。對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，提取出機(jī)組工作的特征參數(shù)，整合機(jī)組的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警和記錄等功能，利用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞到狀態(tài)服務(wù)器中，進(jìn)行下一步的狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。信號采集和監(jiān)測系統(tǒng)為工程師提供可靠的數(shù)據(jù)，完成信號的調(diào)試、參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)自檢等功能。機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備連接如圖1所示。

圖1　機(jī)柜內(nèi)設(shè)備連接示意圖

總而言之，預(yù)處理單元接收傳感器采集的信號，將采集的信號及時(shí)傳遞到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，預(yù)處理單元發(fā)揮承上啟下的作用，將信號采集系統(tǒng)和預(yù)處理單元整合后就可以接入狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中[4]。

針對振動、擺動和壓力脈動信號，可以借助信號采集和預(yù)處理單元為系統(tǒng)配置專用的設(shè)備，對多種振動、壓力脈動等信號信號采集和預(yù)處理。內(nèi)部應(yīng)用PC平臺，將信號隔離系統(tǒng)、開關(guān)量輸入和同步采樣系統(tǒng)等整合起來。針對振動、擺動和壓力脈動等信號采集和預(yù)處理單元而言，它也發(fā)揮出承上啟下的作用，接收傳感器傳來的信息，將信息傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過計(jì)算整理后得出需要的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息，將多種信息及時(shí)記錄在存儲器中。

2.3軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，概括出水電廠局域網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流圖，見圖2。

機(jī)組的狀態(tài)信號包括振動位移、速度和壓力脈動等，將這些信號以模擬電流和電壓的形式傳遞到信號采集和預(yù)處理系統(tǒng)中，預(yù)處理單元將這些信息技術(shù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識別的數(shù)字信號，預(yù)處理單元提取出的時(shí)域數(shù)據(jù)派生出多種特征數(shù)據(jù)，將多種數(shù)據(jù)提供給狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器，工程師站可以直接與狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行連接，狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器也是整個(gè)數(shù)據(jù)流的核心[5]。

該系統(tǒng)的故障診斷部分包括報(bào)警系統(tǒng)、故障參數(shù)量化分析系統(tǒng)等。報(bào)警系統(tǒng)可以獲取在線狀態(tài)信息，將故障內(nèi)容反映出來，觸發(fā)自動診斷系統(tǒng)。故障參數(shù)量化分析系統(tǒng)可以直接反映出對應(yīng)機(jī)組的故障。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要結(jié)合常規(guī)分析算法，整合不同的過程分析方法，明確水輪發(fā)電機(jī)組的故障特點(diǎn)，在分析不同故障的過程中，選擇對應(yīng)的分析工具，并生成相應(yīng)的狀態(tài)報(bào)告。

圖2　局域網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)流

3　結(jié)束語

發(fā)電機(jī)組的故障監(jiān)測和診斷是保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要方法，本文結(jié)合水輪發(fā)電機(jī)組的振動機(jī)理和振動原因，提出了故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以完成故障信號的及時(shí)采集，將信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理服務(wù)器中，具有高效、簡單的特點(diǎn)，可以為相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供研究依據(jù)。

[1]張曉莉.基于WSNs的水輪發(fā)電機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（1）：13.

[2]代紅.水輪發(fā)電機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].三峽大學(xué)，2012，22（2）：25.

[3]吳長利，王輝斌.水輪發(fā)電機(jī)組振動在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型及維護(hù)[J].湖南電力，2011，21（4）：151.

[4]劉玉剛.水輪發(fā)電機(jī)組振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].西安理工大學(xué)，2013，25（5）：210.

[5]孔祥彬.水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].西安理工大學(xué)，2010，12（1）：26.

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2015-12-5