自動盤車測量及輔助調(diào)整系統(tǒng)在蓋孜水電站的應(yīng)用研究

安 剛，張宇飛，李 輝，白 亮

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.西安拓銳電氣技術(shù)有限公司，陜西 西安 710075；3.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

自動盤車測量及輔助調(diào)整系統(tǒng)在蓋孜水電站的應(yīng)用研究

安 剛1，張宇飛2，李 輝3，白 亮3

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.西安拓銳電氣技術(shù)有限公司，陜西 西安 710075；3.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

針對傳統(tǒng)水電廠盤車測量及人工判斷調(diào)整的缺陷，提出一種能夠滿足自動、連續(xù)測量、智能生成盤車軸線及調(diào)整方法的自動盤車測量及輔助調(diào)整系統(tǒng)。詳細(xì)論述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)，通過在新疆蓋孜水電站2號機(jī)組上的盤車試驗，證明該系統(tǒng)適應(yīng)于懸式機(jī)組盤車過程，并具有智能化、輕量化、部署方便等特點(diǎn)，適合水電廠精確化檢修應(yīng)用。

盤車測量；輔助調(diào)整；水電機(jī)組；精確檢修

0 引言

機(jī)組盤車是水電站安裝與檢修的重要環(huán)節(jié)，盤車完成的質(zhì)量直接影響到機(jī)組今后運(yùn)行效果。國內(nèi)水電站盤車一直沿用傳統(tǒng)的盤車方法。隨著近年來大型機(jī)組的投運(yùn)，自動化盤車裝置系統(tǒng)[1]大量應(yīng)用于機(jī)組檢修，但這些系統(tǒng)的應(yīng)用大多是如何解決非人力轉(zhuǎn)動問題，如何準(zhǔn)確測量和定位一直以來沒有根本的解決，同時傳統(tǒng)盤車耗時長、停點(diǎn)不準(zhǔn)、技術(shù)人員水平與現(xiàn)場經(jīng)驗差異一直是影響盤車最終結(jié)果的重要原因。

新疆電站發(fā)電引水多為冰川融水，泥沙含量較大，電廠機(jī)組運(yùn)行條件較差，使得機(jī)組大修間隔時間縮短，盤車次數(shù)增加。同時由于地域上的限制，檢修技術(shù)人員專業(yè)素質(zhì)不夠，能夠精確掌握盤車人員較少，所以機(jī)組檢修過程中更需要專業(yè)智能化工具來協(xié)助檢修人員完成大修工作。

近年來，國內(nèi)水電站針對盤車過程提出了一些方法和手段，用以提高盤車的準(zhǔn)確與適用性，文獻(xiàn)[2]采用非線性函數(shù)擬合方法進(jìn)行盤車數(shù)據(jù)處理,提出了一種綜合考慮法蘭處擺度和水導(dǎo)處擺度的刮墊厚度和最大擺度方位計算方法,并開發(fā)了相應(yīng)的盤車數(shù)據(jù)處理工具軟件。但該系統(tǒng)目前僅僅是進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬及擬合，對于整體盤車過程調(diào)整缺乏必要的指導(dǎo)性意見。同時在實(shí)際盤車中很少能夠得到類似函數(shù)的曲線。文獻(xiàn)[3]提出了采用excel規(guī)劃求解，通過坐標(biāo)分解對三導(dǎo)水輪發(fā)電機(jī)組盤車數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理的思想，并探討了機(jī)組軸線的綜合調(diào)整方法,推導(dǎo)了盤車方位調(diào)整和加墊量的計算公式。根據(jù)盤車時實(shí)際問題的分析，有效地解決了傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組盤車計算無法準(zhǔn)確綜合判斷機(jī)組軸線是否滿足擺度精度要求的問題，同時可以準(zhǔn)確給出最佳調(diào)整方位及調(diào)整量等，其缺點(diǎn)是過于復(fù)雜，僅適合理想機(jī)組盤車，未考慮盤車所出現(xiàn)的數(shù)據(jù)復(fù)雜性。

本文針對上述系統(tǒng)的不足和新疆特殊的現(xiàn)場情況開發(fā)出一種自動盤車測量與輔助調(diào)整系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備自動化測量與自動調(diào)整方案生成，在盤車過程中無需人員參與記數(shù)，同時在盤車中采用了不停點(diǎn)測量方法，解決了機(jī)組啟停過程中由于力矩突變造成的測量誤差。該方法不改變盤車基本工藝要求，還避免了人為誤差因素對盤車結(jié)果的影響，同時提高了測量精度，在新疆蓋孜水電站進(jìn)行了應(yīng)用收到了良好的效果，并具有極高的推廣價值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動盤車測量調(diào)整系統(tǒng)主要解決軸線測量問題。軸線測量問題主要是調(diào)整盤車，測出有關(guān)部位的擺度值，借此來分析軸線產(chǎn)生擺度的原因、大小和方向。并通過刮削調(diào)整有關(guān)組合面的方法，使鏡板與軸線、法蘭組合面與軸線的不垂直得以糾正，使其擺度符合國標(biāo)要求。

傳感器系統(tǒng)（見圖1）是電渦流傳感器，也叫電感式接近傳感器。它是利用導(dǎo)電物體在接近電磁場產(chǎn)生內(nèi)部渦流原理，使開關(guān)內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無導(dǎo)電物體移近，進(jìn)而控制開關(guān)的通斷。其傳感器探頭由小型線圈和控制器產(chǎn)生震蕩電磁場，當(dāng)接近被測體時，被測體表面會產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時產(chǎn)生反向電磁場。這時電渦流傳感器根據(jù)反向電磁場強(qiáng)度來判斷與被測體之間的距離。電渦流傳感器主要用于替代傳統(tǒng)盤車中的百分表，配置見表1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 傳感器配置

（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用8通道數(shù)據(jù)同步采樣系統(tǒng)，保證被測部位數(shù)據(jù)同步，采樣精度為16位AD采樣。同時使用差分輸入方式減少干擾信號對采集系統(tǒng)的干擾，采集系統(tǒng)通過軟件定時采樣，采樣頻率為512 Hz，保證了實(shí)時性和CPU采樣的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由放大器、濾波器、多路模擬開關(guān)、采樣/保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及接口控制邏輯電路的數(shù)據(jù)采集卡等組成（見圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

（3）數(shù)據(jù)分析與處理平臺

數(shù)據(jù)分析與處理平臺安裝在現(xiàn)場筆記本中，是整個系統(tǒng)的核心。該平臺主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果計算、報表輸出，同時可以配置單盤、連盤、手動與自動盤車。

（4）系統(tǒng)工作流程

首先將傳感器通過磁力表座布置在指定的部位，一般間距控制在與大軸表面1.5 mm處。然后在X和Y兩個方向推軸檢查各個傳感器數(shù)值是否發(fā)生變化，如果沒有明顯變化，說明水輪機(jī)下迷宮環(huán)間距不夠，需要進(jìn)行調(diào)整。順時針轉(zhuǎn)動機(jī)組1圈后停止，系統(tǒng)進(jìn)行自動采集。一般來說盤車涉及了上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)測點(diǎn)，必須保證同步采樣；另外在機(jī)組轉(zhuǎn)動時，應(yīng)保證實(shí)時的顯示，使觀察具有連續(xù)性。本系統(tǒng)采樣采用DMA傳輸方式，由采樣系統(tǒng)直接讀寫計算機(jī)的內(nèi)存。同時由于現(xiàn)場存在著干擾，對于采集后的數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行濾波處理。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)動一周后便可以得到8點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同時根據(jù)盤車計算方法得出的數(shù)據(jù)和國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，檢查本次盤車是否需要調(diào)整，將調(diào)整的結(jié)果輸出給用戶，用于指導(dǎo)調(diào)整。工作流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

2 自動化盤車與輔助調(diào)整系統(tǒng)應(yīng)用前期工作

2.1 機(jī)組盤車條件

1）在上導(dǎo)軸頸及法蘭盤（或者下導(dǎo)）處沿著圓周劃8等分線，上下各個部位的等分線應(yīng)在同一方向上（機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向的反方向，即逆時針方向），并順次標(biāo)好對應(yīng)標(biāo)號。

2）調(diào)整推力瓦受力，使鏡板處于水平狀態(tài)，推力瓦面應(yīng)加純凈的潤滑油作為潤滑劑。

3）安裝推力頭附近的導(dǎo)軸瓦（懸吊型為上導(dǎo)，傘形為下導(dǎo)），借以控制軸向徑向位移，瓦面涂抹豬油，瓦背面支柱螺釘用扳手輕輕擰緊，使瓦與軸的間隙為0.05 mm。

4）清除轉(zhuǎn)動部件上的雜物，檢查各個轉(zhuǎn)動與固定部件縫隙處，應(yīng)絕對無異物、卡阻和亂碰現(xiàn)象。

5）在導(dǎo)軸承和法蘭處，在X和Y方向各安裝2只傳感器作為上下兩個部件測量擺度值及相互校核用，傳感器應(yīng)貼近被測部件，可用塞尺保證距離為1.5 mm左右（4 mm擺度傳感器），如果使用2 mm擺度傳感器，保證距離為1 mm左右。

6）在法蘭盤處推動主軸，應(yīng)看到傳感器擺度變化，證明主軸處于自由狀態(tài)。

2.2 盤車傳感器布置

要進(jìn)行全自動盤車需要安裝角度傳感器，角度傳感器為擺度傳感器，安裝在上導(dǎo)X方向傳感器上部，并在機(jī)組劃分好的8個角度上安裝鍵相塊，角度傳感器距離鍵相塊小于1.5 mm。見圖4。

圖4 傳感器布置

2.3 傳感器準(zhǔn)備條件

將系統(tǒng)配備的電渦流傳感器使用磁力表座固定在大軸的盤車測量部位。一般在安裝水輪機(jī)大軸的上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)軸頸處，X方向和Y方向各部署1只。

傳感器部署好以后，將傳感器電纜綁扎好，連接好傳感器的前置器，并在傳感器上按照接線說明連接好配置的航空插頭。

2.4 傳感器率定

由于傳感器探頭與前置器匹配的問題，系統(tǒng)在使用傳感器前，要進(jìn)行率定。率定的方法為給出測量被測物體距離，并測量所得到的電壓值，連續(xù)測量5～6組得到樣本散點(diǎn)，通過多項式擬合方法得到傳感器的K，B值，將得到的K，B值配置到采集系統(tǒng)中。

3 新疆蓋孜水電站智能盤車應(yīng)用實(shí)例

（1）電廠及盤車參數(shù)簡介

蓋孜水電站位于新疆維吾爾自治區(qū)克州阿克陶縣境內(nèi)，是蓋孜河中游河段梯級電站中的第二級水電站，電站總裝機(jī)容量116 MW，引水式開發(fā)，地面廠房，裝設(shè)3臺單機(jī)容量為38.7MW、額定水頭347m的混流式立軸水輪發(fā)電機(jī)組。盤車參數(shù)見表2。

表2 蓋孜電站機(jī)組盤車參數(shù)

（2）第一次盤車數(shù)據(jù)與調(diào)整第一次盤車數(shù)據(jù)見表3。

表3 第一次盤車數(shù)據(jù)

系統(tǒng)自動給出了軸線情況和調(diào)整方案如圖5和圖6所示

圖5 軸線情況

圖6 調(diào)整方位與大小

根據(jù)圖6所示法蘭高點(diǎn)在6點(diǎn)方向，且5點(diǎn)7點(diǎn)與6點(diǎn)方向大小一致，所以決定在5,6,7點(diǎn)直鋪0.1 mm的銅墊即可完成機(jī)組盤車。

（3）第二次盤車數(shù)據(jù)與調(diào)整

盤車數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 第二次盤車數(shù)據(jù)

圖7 機(jī)組軸線情況

系統(tǒng)自動給出了軸線情況如圖7所示。

根據(jù)軸線與數(shù)據(jù)情況，機(jī)組盤車基本達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，不需要進(jìn)行再次盤車，盤車結(jié)束。

4 應(yīng)用結(jié)論

本試驗通過對蓋孜2號機(jī)組盤車的實(shí)際操作驗證了系統(tǒng)的適用性，并可迅速準(zhǔn)確的得到盤車數(shù)據(jù)，有針對性的提供機(jī)組盤車調(diào)整方案。極大的減少了盤車帶來的工作量，提高工作效率，通過軸線姿態(tài)的數(shù)據(jù)繪圖可以清楚的知道盤車調(diào)整方向，并能使用模擬仿真盤車來預(yù)估盤車結(jié)果，這對盤車調(diào)整決策是一個非常有用的方法，通過實(shí)驗盤車得出以下結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)盤車測量主要通過架百分表進(jìn)行測量，用百分表測量主要有兩個缺點(diǎn)：a）百分表伸縮依靠金屬彈簧，而金屬彈簧由于多年的使用可能造成彈簧彈性系數(shù)變化，造成測量的不準(zhǔn)確，b）盤車中百分表測量大軸擺度通過點(diǎn)接觸，這個點(diǎn)由于機(jī)組每次?？课恢茫约按筝S本身加工面不一造成盤車時測量同一位置測量數(shù)據(jù)不一致。使用電渦流傳感器并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以有效的解決該問題，由于電渦流本身測量是通過磁場感應(yīng)，并在測量前進(jìn)行了率定，這樣測量就不是一個點(diǎn)接觸，而是一個探頭測量面的距離，另外系統(tǒng)采集時是通過定時密集采集，按照濾波方式取得的連續(xù)測量面的平均值，這樣是符合測量盤車原理的。

（2）傳統(tǒng)盤車由于采用8點(diǎn)測量方式，同時采用百分表測量，這就要求機(jī)組在測量周期內(nèi)必須一點(diǎn)一停，以便人工讀取并記錄數(shù)據(jù)，這樣在下一次機(jī)組轉(zhuǎn)動的時候需要加更大的沖擊力矩才能使機(jī)組開始轉(zhuǎn)動，這種沖擊力矩在人工手推的情況下對機(jī)組瞬間位移影響較小，如果大型機(jī)組在人工不能推動的情況下，必須采取機(jī)械絞盤、天車或電動盤車時，此時沖擊力矩會較大，足以產(chǎn)生瞬間的機(jī)組位移導(dǎo)致機(jī)組盤車測量的誤差。系統(tǒng)采用了自動測量，在機(jī)組大軸上標(biāo)記了8鍵相塊，這樣機(jī)組在盤車測量過程中不需要每點(diǎn)一停，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)動通過鍵相塊時，系統(tǒng)會自動采集并記錄數(shù)據(jù)，避免了以上問題。

（3）在盤車后的結(jié)論中，我們通過盤車相似三角形原理，得出在推力頭、法蘭需磨削和加墊的方位和大小。在現(xiàn)場使用過程中發(fā)現(xiàn)此方法雖然計算準(zhǔn)確，但無法將水輪發(fā)電機(jī)組盤至一條直線的效果，尤其到盤車后期調(diào)整幅度不大的情況下，可能會出現(xiàn)調(diào)整過頭的情況。結(jié)合盤車的國家標(biāo)準(zhǔn)，我們認(rèn)為水輪機(jī)的盤車并不必須調(diào)整為一條直線，只要求將水輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸調(diào)整到國標(biāo)允許范圍之內(nèi)，這樣對于盤車調(diào)整的決策就不是將兩軸進(jìn)行同心處理，而是可以有一定的彎折，通過在軟件上的拖拉的方式將水輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸拉至國家標(biāo)準(zhǔn)，同時系統(tǒng)可以自動輸出調(diào)整的方位和幅度，這樣可以減少不必要的盲目調(diào)整。

（4）通常情況下，機(jī)組盤車需要一定的條件，尤其對推力瓦水平要求很高，該系統(tǒng)在盤車過程中也能通過測量計算全擺度發(fā)現(xiàn)推力瓦不水平的情況，這在盤車試驗中得到了驗證。

5 結(jié)束語

我國對水電機(jī)組自動盤車測量與輔助調(diào)整系統(tǒng)的研究開發(fā)工作尚處于不斷創(chuàng)新和發(fā)展的階段，該系統(tǒng)提高了機(jī)組檢修和安裝效率，縮短檢修安裝工期，使水電站的管理與運(yùn)行向更高的自動化程度邁進(jìn)了一步。

[1]范建立，林玉勝.水輪發(fā)電機(jī)組電動盤車裝置設(shè)計、調(diào)試與應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2014（07）.

[2]謝建國，方仲超，程遠(yuǎn)楚，等.水輪發(fā)電機(jī)組盤車數(shù)據(jù)處理及軟件開發(fā)[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2016，39（2）：4-7.

[3]李德明.懸式水輪發(fā)電機(jī)組盤車計算機(jī)輔助分析[J].魅力中國，2014（20）：258.

TV734

B

1672-5387（2017）01-0058-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.018

2016-06-23

國家自然科學(xué)基金項目（51209172）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（2010JK730）。

安 剛（1975-），男，高級工程師，從事水電站水力機(jī)械設(shè)計工作。