試論水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(kāi)發(fā)有限公司）

試論水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(kāi)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(lái)越大，檢修工作也越來(lái)越重要。在發(fā)電機(jī)組檢修的過(guò)程中必須根據(jù)實(shí)際故障狀況制定對(duì)策，針對(duì)發(fā)電機(jī)組的常見(jiàn)振動(dòng)故障，必須建立科學(xué)的故障監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)。本文結(jié)合水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)原因，提出了振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)；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(guò)程中，水力資源不斷開(kāi)發(fā)的同時(shí)，大中型水輪發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其在電力系統(tǒng)中所占的比例也越來(lái)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(wèn)題也受到廣泛的重視，一旦機(jī)組故障停機(jī)，將帶來(lái)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(cè)、診斷和消除對(duì)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(cè)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(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)故障展開(kāi)了探討。

1　水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)機(jī)理和振動(dòng)原因

1.1水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)機(jī)理

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

結(jié)合實(shí)際振動(dòng)問(wèn)題的發(fā)生狀況，有些振動(dòng)取決于水輪機(jī)本身的水力性能，也有少部分故障來(lái)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(dòng)。

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(dòng)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(dòng)，這些振動(dòng)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(dòng)部件主要有上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，有時(shí)也會(huì)涉及到定子鐵芯。

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的過(guò)程中，受力和旋轉(zhuǎn)等因素導(dǎo)致的設(shè)備振動(dòng)是難免的，通常用振動(dòng)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(dòng)對(duì)設(shè)備帶來(lái)的危害，因此對(duì)水電機(jī)組振動(dòng)原因的分析十分重要。

1.2水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)原因

1.2.1尾水管內(nèi)低頻渦帶

針對(duì)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(dòng)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(duì)混流式水輪機(jī)而言，在運(yùn)行的過(guò)程中轉(zhuǎn)輪出口位置會(huì)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(huì)出現(xiàn)偏心運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的壓力也會(huì)不斷變化，進(jìn)而引發(fā)振動(dòng)。1.2.2尾水管接近轉(zhuǎn)頻的脈動(dòng)

尾水管中的一部分脈動(dòng)壓力，包括一部分中頻和高頻壓力。其中中頻壓力脈動(dòng)頻率與發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近，容易導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)，也可能會(huì)帶動(dòng)壓力管道的振動(dòng)。接近轉(zhuǎn)頻的壓力脈動(dòng)普遍存在于水葉的任何開(kāi)度下，在轉(zhuǎn)速一定的情況下，頻率也會(huì)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(dòng)將出現(xiàn)不動(dòng)程度的波動(dòng)。

1.2.3機(jī)組的電磁振動(dòng)

在水輪發(fā)電機(jī)組的電磁振動(dòng)中，可以將其分為轉(zhuǎn)頻振動(dòng)和極頻振動(dòng)。其中轉(zhuǎn)頻振動(dòng)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(dòng)故障在安裝過(guò)程中已經(jīng)存在。極頻振動(dòng)主要是由兩種不同的磁場(chǎng)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(guò)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(dòng)的主要原因。產(chǎn)生極頻振動(dòng)的原因有定子不圓、負(fù)序電流引起反轉(zhuǎn)磁勢(shì)、分瓣定子合縫間隙大等。

2　振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)參量進(jìn)行持續(xù)就監(jiān)測(cè)，技術(shù)判斷機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，將其分為重要的機(jī)械測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)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(cè)和故障診斷三個(gè)層次。

在狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)需要實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(hào)分析和函數(shù)分析等綜合起來(lái)，針對(duì)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(cè)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(guò)程中，可以利用多種不同的傳感器將采集到的物理信息號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將電信號(hào)及時(shí)傳送到狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(dòng)監(jiān)測(cè)，如果一套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸失敗們可以自動(dòng)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(hào)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(hào)采集和預(yù)處理等單元，狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(hào)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(hào)和輸出信號(hào)，將采集的信號(hào)技術(shù)傳遞到預(yù)處理單元中。系統(tǒng)中的信號(hào)采集和預(yù)處理單元完成信號(hào)電氣結(jié)構(gòu)的處理，實(shí)現(xiàn)信息的同步采樣。對(duì)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(cè)和數(shù)據(jù)分析。信號(hào)采集和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為工程師提供可靠的數(shù)據(jù)，完成信號(hào)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(hào)，將采集的信號(hào)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(hào)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(cè)網(wǎng)絡(luò)中[4]。

針對(duì)振動(dòng)、擺動(dòng)和壓力脈動(dòng)信號(hào)，可以借助信號(hào)采集和預(yù)處理單元為系統(tǒng)配置專用的設(shè)備，對(duì)多種振動(dòng)、壓力脈動(dòng)等信號(hào)信號(hào)采集和預(yù)處理。內(nèi)部應(yīng)用PC平臺(tái)，將信號(hào)隔離系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)量輸入和同步采樣系統(tǒng)等整合起來(lái)。針對(duì)振動(dòng)、擺動(dòng)和壓力脈動(dòng)等信號(hào)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(lái)的信息，將信息傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過(guò)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(chǔ)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(jiàn)圖2。

機(jī)組的狀態(tài)信號(hào)包括振動(dòng)位移、速度和壓力脈動(dòng)等，將這些信號(hào)以模擬電流和電壓的形式傳遞到信號(hào)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(shí)別的數(shù)字信號(hào)，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(lái)，觸發(fā)自動(dòng)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(duì)應(yīng)機(jī)組的故障。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要結(jié)合常規(guī)分析算法，整合不同的過(guò)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(guò)程中，選擇對(duì)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(yǔ)

發(fā)電機(jī)組的故障監(jiān)測(cè)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(dòng)機(jī)理和振動(dòng)原因，提出了故障監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以完成故障信號(hào)的及時(shí)采集，將信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理服務(wù)器中，具有高效、簡(jiǎn)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(zhǎng)利，王輝斌.水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(cè)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