(1.南水北調(diào)江蘇水源公司，江蘇省泵站工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)能源及電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098)

大型泵站所具有的潛在安全問題既是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)問題，也是一個(gè)日益突出的公共安全問題，受到國家、社會的廣泛關(guān)注。截至2014年底，我國已擁有大、中、小型固定灌排泵站50余萬座，其中大型泵站共383座(江蘇250余座)，裝機(jī)總功率達(dá)449萬kW；承擔(dān)防洪排澇的泵站有269座，裝機(jī)總功率222萬kW。但與如此巨大的數(shù)量相比，目前我國大型泵站的安全管理技術(shù)水平還十分落后，自動化程度不高,監(jiān)測分析滯后,評價(jià)手段單一，難以實(shí)時(shí)掌握泵站安全狀態(tài)。為此，我國泵站機(jī)組正逐步實(shí)現(xiàn)“無人值班、少人值守”的管理模式，為了減少停機(jī)時(shí)間、降低維修費(fèi)用，泵站機(jī)組檢修模式正在逐步從“計(jì)劃檢修”向“狀態(tài)檢修”過渡。

狀態(tài)監(jiān)測是“狀態(tài)檢修”的重要組成部分，指的是通過自動化的儀表裝置自動采集、顯示設(shè)備的各種運(yùn)行狀態(tài)信息，并進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)的越限報(bào)警。目前，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的研究已經(jīng)在國內(nèi)逐步開展[1]，其中火電機(jī)組[2-3]、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[4-5]、水電機(jī)組[6-7]等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測研究已取得一定的成果，與泵站機(jī)組具有諸多相似性的水電機(jī)組，已經(jīng)廣泛采用機(jī)組振動、擺度、絕緣等狀態(tài)參數(shù)的在線監(jiān)測[8-10]。從已開發(fā)和應(yīng)用的水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)來看，普遍具有較好的監(jiān)測和分析功能。但是，由于大型泵站機(jī)組其自身所具有的特點(diǎn)，這些系統(tǒng)并不能完全適用于泵站機(jī)組，目前對大型泵站機(jī)組設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測的研究仍然處于探索階段[11-12]。

針對大型泵站機(jī)組自身的特點(diǎn)，為了滿足泵站監(jiān)測的需要，研發(fā)了一套泵站設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)檢測系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理電路和各類高精度傳感器為硬件設(shè)備，準(zhǔn)確測量水力機(jī)組的振動、擺度、壓力脈動、定轉(zhuǎn)子氣隙、發(fā)電機(jī)(電機(jī))磁場強(qiáng)度等物理量，同時(shí)獲取計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，為機(jī)組建立功能全面、實(shí)用性強(qiáng)的故障診斷分析系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(見圖1)是按照全監(jiān)測內(nèi)容繪制的廠站側(cè)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖,整個(gè)系統(tǒng)是基于B/S模式。

a.監(jiān)測系統(tǒng)由上下位機(jī)兩部分組成，上位機(jī)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、WEB/應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，下位機(jī)系統(tǒng)由現(xiàn)地盤柜和傳感器組成。

b.安裝在機(jī)組各部位的傳感器將各種物理信號轉(zhuǎn)化為電信號，傳送到各狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)將這些信號采集和處理，得到反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的各種特征參數(shù)、曲線、圖表等，統(tǒng)一存儲到狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器。

c.數(shù)據(jù)服務(wù)器還會自動運(yùn)行分析和診斷軟件，定期提供狀態(tài)檢查日志、狀態(tài)發(fā)展趨勢，自動存儲用于跟蹤分析的監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

d. WEB應(yīng)用服務(wù)器主要用來發(fā)布數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)、分析結(jié)果、診斷結(jié)果，以滿足電站側(cè)用戶對監(jiān)測的需要，包括與本地或者遠(yuǎn)程的監(jiān)測、分析、診斷、維護(hù)工作站的交互。同時(shí)，還要定期向遠(yuǎn)程監(jiān)測中心監(jiān)測數(shù)據(jù)、趨勢以及有故障的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

e.工程師站完成在線監(jiān)測系統(tǒng)的維護(hù)、數(shù)據(jù)管理等功能。

廠站側(cè)Web/應(yīng)用服務(wù)器，通過專用網(wǎng)絡(luò)通道向集控中心遠(yuǎn)程監(jiān)測中心網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)測中心通信服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)。

f.網(wǎng)間通信采用光纖及超5類雙絞線實(shí)現(xiàn)連接。

為保證各個(gè)網(wǎng)段之間的連通性以及支持Internet或者Intranet，通信協(xié)議使用TCP/IP。

g.在廠站側(cè)，任何接入泵站局域網(wǎng)的用戶終端都可以通過WEB/應(yīng)用服務(wù)器訪問在線監(jiān)測系統(tǒng)的全部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測、分析診斷。

h.監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)場儀表與數(shù)據(jù)服務(wù)器通過RS485/RS232接口或者以以太網(wǎng)方式連接，由監(jiān)控系統(tǒng)采集的流量、溫度、壓力、水位等信號送給本監(jiān)測系統(tǒng)，完成統(tǒng)一的分析診斷。

2 基本監(jiān)測內(nèi)容

2.1 機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性監(jiān)測

2.1.1 機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性監(jiān)測

監(jiān)測內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

a.各導(dǎo)軸承擺度：上導(dǎo)擺度、下導(dǎo)擺度(或推力軸承擺度、法蘭擺度)、水導(dǎo)擺度。

b.機(jī)架和結(jié)構(gòu)振動：含上機(jī)架水平振動及垂直振動、定子基座水平振動和垂直振動、下機(jī)架水平振動及垂直振動、頂蓋水平振動及垂直振動。

c.壓力及壓力脈動：含蝸殼進(jìn)口壓力及壓力脈動、導(dǎo)葉出口壓力及壓力脈動、頂蓋下壓力及壓力脈動、尾水管進(jìn)口壓力及壓力脈動。

2.1.2 定轉(zhuǎn)子空氣間隙監(jiān)測

監(jiān)測內(nèi)容包括各磁極氣隙、定子圓度、轉(zhuǎn)子圓度、定轉(zhuǎn)子相對偏心、最小氣隙、最大氣隙等。

應(yīng)用于磁極松動檢查、定轉(zhuǎn)子變形檢查、定轉(zhuǎn)子移位檢查、磁軛浮動判定、氣隙不均勻量化評價(jià)。

2.1.3 定轉(zhuǎn)子間磁場強(qiáng)度監(jiān)測

監(jiān)測內(nèi)容包括磁極的磁場強(qiáng)度、磁場不均勻度。

應(yīng)用于磁回路故障判定、匝間短路判定、磁極松動判定、磁軛浮動判定。

2.1.4 機(jī)組運(yùn)行工況參數(shù)

監(jiān)測內(nèi)容包括機(jī)組有功功率、無功功率、機(jī)組勵磁電流、電壓、導(dǎo)葉接力器行程、槳葉開度、機(jī)組出口斷路器位置信號。

2.2 系統(tǒng)測點(diǎn)選擇

以洪澤湖泵站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測為例，系統(tǒng)測點(diǎn)及其位置介紹如下。

2.2.1 傳感器/變送器測點(diǎn)

機(jī)組振動擺度/壓力監(jiān)測測點(diǎn)見表1，機(jī)組定轉(zhuǎn)子空氣間隙監(jiān)測測點(diǎn)見表2，定轉(zhuǎn)子間磁場強(qiáng)度監(jiān)測測點(diǎn)見表3。

表1 機(jī)組振動擺度/壓力監(jiān)測測點(diǎn)

表2 機(jī)組定轉(zhuǎn)子空氣間隙監(jiān)測測點(diǎn)

表3 定轉(zhuǎn)子間磁場強(qiáng)度監(jiān)測測點(diǎn)

2.2.2 測點(diǎn)布置圖

測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)布置圖

2.2.3 需要從監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)場儀表輸出的參數(shù)

包括油溫、瓦溫、上游水位、下游水位、定子溫度等；這些信號對某些狀態(tài)的監(jiān)測也是至關(guān)重要的，這些參數(shù)一般情況下由監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集，在線監(jiān)測系統(tǒng)可通過與監(jiān)控系統(tǒng)的通信獲得這些信息。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)上述研發(fā)思路，布置好監(jiān)測點(diǎn)和傳感器，完成遠(yuǎn)程泵站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過一系列的實(shí)驗(yàn)測試了系統(tǒng)的功能性和穩(wěn)定性。將轉(zhuǎn)速信號和振動信號分別送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的處理與分析，得到了信號波形圖、頻譜圖、瀑布圖、趨勢圖和軸心軌跡圖，如圖3～圖7所示。

通過圖3～圖7分析研判，可以看到機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行。該在線監(jiān)測系統(tǒng)提供豐富直觀的、可組態(tài)的多個(gè)監(jiān)測畫面，從不同的角度，分層次展現(xiàn)機(jī)組的狀態(tài)信息，滿足了大型泵站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的基本要求。

4 結(jié) 論

該泵站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對象包括機(jī)組的振動、擺度、壓力脈動、能量與效率、發(fā)電機(jī)氣隙、局部放電、磁通量、線棒振動以及機(jī)組各導(dǎo)軸承瓦溫、油溫、定子溫度等參數(shù)。泵站機(jī)組安全運(yùn)行監(jiān)測技術(shù)利用監(jiān)測設(shè)備和評估手段，對泵站機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)了解機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、當(dāng)前工作狀況，對機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，對異常狀態(tài)報(bào)警，為機(jī)組的故障分析、性能評估、安全工作提供信息和準(zhǔn)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)的波形圖

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)的頻譜圖

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)的瀑布圖

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)的趨勢圖

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)的軸心軌跡圖