水電機組開停機過渡過程的遠程監測分析及診斷

唐衛平

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

水電機組開停機過渡過程的遠程監測分析及診斷

Remote monitoring and fault diagnosis of hydropower generator unit based on transient data of start-up and shutdown operation condition

唐衛平

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

從完善機組開停機過程相關信息量監測，應用網絡通信技術，采用基于基礎知識庫的模式識別故障診斷技術等方面入手，對水電機組開停機過渡過程的遠程監測分析進行闡述，對水電廠安全運行具有重要意義。

水電機組；開停機；遠程監測；分析

水電機組屬于旋轉機械的一種，在運行過程中表現出的故障形式多種多樣，故障機理也十分復雜。對機組開停機過渡過程進行遠程監測分析，可以發現機組在運行過程中不能發現的缺陷和問題，并在機組故障發生前有計劃地提前進行維修處理，對保障水電機組安全運行具有重要指導意義。

1 水電機組開停機過程分析及診斷

機組開停機過程可以發現的問題包括開停機異常振動、轉動部分機械不平衡、大軸不對中、大軸彎曲、機組轉動部件和固定部件的摩擦、機組開停機時間異常改變、機組開停機規律異常變化、導葉漏水量異常、機組開停機軸承瓦溫異常變化等。

1.1 機組開停機異常振動分析

采用監測開停機過程機組振動、擺度、壓力脈動與轉速的關系，對振動、擺度、壓力脈動信號進行頻譜分析，互相關分析，對開停機過程中監測的典型非平穩過程信號進行小波及小波包分析〔1〕。

1)開停機過程數據總體評價。通過監測機組不同水頭下多次開機過程中不同轉速、不同工況下的振動、擺度和壓力脈動，對機組開機過程運行穩定性進行總體評價，對照標準給出單次開機過程中機組振動的優良中差評價和診斷，給出歷次開停機機組振動趨勢比較。配置了頂蓋部位碰磨信號監測裝置的機組，采用特定頻譜帶分析法對碰磨信號進行提取，能輔助判斷機組頂蓋水下部分是否存在碰磨故障。

2)機組轉動部分質量不平衡分析診斷。開機過程中轉速從零升至額定轉速，從升速過程中機組轉動部分處支架水平振動、大軸擺度可分析判斷機組存在的質量不平衡情況〔2〕，決定是否進行動平衡配重處理。

3)機組軸線彎曲、機組軸線位移分析診斷。根據機組盤車結果、各部軸承瓦間隙調整結果，結合機組開機過程中大軸擺度，擺度傳感器探頭與大軸的間隙值變化等，對機組軸線彎曲、機組軸線位移進行分析診斷。

4)開停機水力諧振診斷。資料表明，國內外有部分水電機組在開停機過程中存在特有的水力諧振現象，一般通過對壓力脈動信號、振動信號的頻譜分析和互相關系分析可發現。一旦發現機組開停機過程存在水力諧振則必須采取應對措施，以免造成對設備的損害。

機組開機過程中隨轉速變化振動監測如圖1所示。

圖1 機組開機過程中隨轉速變化振動監測波形圖

1.2 機組開停機時間、規律異常改變分析

采用監測開機過程中機組開始轉動至機組轉速達到額定值、導葉 (槳葉)開度變化過程及達到穩態值的時間，導葉開始動作到首次進入同期帶(調節時間)時間，監測停機過程中機組轉速降至制定轉速的時間，導葉 (槳葉)開度降至零的時間，監測投入風閘的開出指令、制定氣壓，制定時間等。

1)機組開停機時間異常改變。機組開停機時間異常改變有，時間變長和時間變短2種現象。相同工況下，機組開停機時間變長或變短，則表明:測量信號或機組或調速控制系統等出現了異常。應全面檢查調速器參數設置、調速器控制油管路流量、壓力及執行機構、調速器測量信號、機組導葉漏水量、機組停機制動時投入風閘時刻、機組停機制動氣壓、分段關閉裝置投入及拐點位置、下游水位等〔3〕，找出原因并針對處理。

2)機組開停機規律異常改變。機組多次開停機過程中時間無變化，但開停機過程中相關參量的變化規律異常改變，表明同樣有設備隱患存在。這些現象包括轉速存在擺動或大幅波動〔4〕，開機過程機組轉速超調量、超調次數異常增加，導葉(槳葉)停頓、擺動等，應參照機組開停機時間異常改變中的介紹開展檢查處理。

1.3 機組開停機軸承瓦溫異常變化分析

采用監測開停機過程中機組轉速，各部軸承瓦溫、油溫、冷卻水溫等參量的變化過程，可以進行開停機過程各部軸承瓦溫測量值異常變化分析。軸承瓦溫的異常變化包括與歷史或經驗值比較，瓦溫穩態值變化，瓦溫升高或降低變化趨勢，瓦溫升高(或降低)變化速率異常改變等。機組開停機過程出現軸承瓦溫異常變化時，首先應排除溫度測量信號故障，然后應結合軸承安裝調整工藝、間隙分配、受力調整等情況，參照大軸擺度、油質、油溫、冷卻水溫、運行工況等監測量進行分析，確認原因并采取針對措施。

機組停機過程中導葉關閉時間分析決策監測如圖2所示。

圖2 機組停機過程中導葉關閉時間監測波形圖及分析

2 開停機過程信息量的獲取

水電機組開停機過程的遠程監測分析需要大量的信息量，開停機過程基本不涉及電氣部分，因此，凡涉及到水力因素、機械因素方面的信息量均必須監測。

2.1 水力因素

包括尾水管低頻渦帶、水輪機水封間隙等產生的水力不平衡、蝸殼、導水葉和轉輪水流不均引起的振動、壓力管道中水力振動和卡門渦引起的水輪機葉片和導葉振動等，一般采用壓力脈動傳感器監測獲取相關信息。測點包括尾水管、頂蓋、蝸殼等部位。壓力脈動傳感器應具備適合水力發電機組的基本特性，包括靈敏度、量程、精度等。壓力脈動傳感器要求動態響應時間小于1 ms，能夠分析200 Hz以上的脈動頻率，測量范圍應能滿足流道中可能出現的最高壓力或負壓。

2.2 機械因素

機械缺陷多表現為振動，振動的一般特點是其振動頻率多為轉頻或轉頻的倍數，對于立軸式機組，不平衡力一般為徑向水平方向。包括大軸扭轉振動、轉子的不平衡、不對中故障、大軸彎曲、機組轉動部件和固定部件的摩擦、導軸承瓦間隙大、推力軸承的推力頭松動和推力軸瓦不平等。應監測機組各機架振動，各部軸承擺度，定子振動等，頂蓋部位推薦監測水下部分碰磨信號。目前國內各水電廠機組普遍配置有振動擺度在線監測裝置，對獲取機械因素相關信息提供了保證。

2.3 背景量及輔助參量

背景量、輔助參量對分析機組開停機過程至關重要。需監測信息包括:水頭、負荷、導葉 (槳葉)開度、瓦溫、油溫、水溫、開停機令、停機制動氣壓、投風閘令等。

3 基于網絡的開停機遠程監測分析

隨著信息技術和計算機網絡技術的發展，網絡化與數字化成為當今各行各業的發展趨勢。水電廠一般地處偏遠地區，各水電廠也正在向 “無人值班、少人值守”方向發展，對水電機組故障分析具有較高的專業性要求，且實時性突出，迫切需要新的服務手段和相應服務技術的支持。網絡化、數字化配置以及水電裝備的遠程操作、監控與診斷維護功能是解決這一問題的有效途徑。

基于網絡的水電機組開停機遠程監測分析表現為水電設備分析的操作者與被操作對象在物理上分離，而在信息、邏輯上進行集成。一方面擴大了操作者對操作對象的控制范圍，提高了管理者對水電設備運行情況掌握的方便程度，實現了遠程的技術咨詢、遠程設備的故障診斷；另一方面，達到了水電設備信息的共享，方便對水電機組故障做出的更精確的判斷。

遠程監測分析數據傳輸及信息量大，為保障實時性，應采用數據壓縮技術，同時最大限度減少數據丟失。

4 基于基礎知識庫的開停機故障診斷分析

實行對水電機組開停機過渡過程的遠程監測分析，必須建立開停機基礎知識庫，采用基于基礎知識庫的模式識別故障診斷技術。即將機組開停機過程中的各類特征參數作為其正常模式存入基礎知識庫，通過監測機組開停機過程及狀態，分析其實際模式，并將實際模式與基礎知識庫數據預存模式進行對比，將對比結果作為故障診斷的依據，從而實現對水電廠水輪發電機組開停機過程的遠程監測分析。

開停機基礎知識庫一般包括:機組正常開機時間；機組開機正常調節時間；機組正常停機時間；機組制動轉速；機組制定額定氣壓；機組正常制定時間；機組正常停機導葉關閉時間；瓦溫正常范圍、報警值、停機值〔5〕；油溫正常值；水溫正常值；分段關閉裝置拐點位置及各段關閉時間等。

5 開停機過渡過程分析診斷的現場應用

通過擴充完善現場機組、調速控制系統監測信息量，將機組溫度、開/停機輔助參量等、調速器特征參數引入現場及湖南電科院遠程分析中心“水輪發電機組實施決策系統”。同時建立了基礎知識庫，采用數據無損壓縮和網絡技術，實現了對柘溪水電廠的水電機組開停機過渡過程的遠程監測分析及診斷。系統投運以來，已成功判斷出柘溪水電廠6號機組因漏水量大導致停機時間過長的問題以及2號、8號機組開機及并網運行時振動測點超標問題等。為水電機組開停機過渡過程中的故障診斷分析、檢修維護提供了重要支撐。

6 結語

對水電機組開停機過渡過程的遠程監測分析，是全面掌握機組狀態的重要手段。它涉及到完善機組開停機過程相關信息量監測，應用網絡通信技術，采用基于基礎知識庫的模式識別故障診斷技術等方面。該方法應用于柘溪水電廠，發現了特定水頭下存在開機振動、機組停機時間改變、導葉漏水量增大等缺陷并及時進行了處理，取得良好效果。

〔1〕楊敏，劉洋.李家峽水電站機組開停機過程非平穩振動信號的小波分析 〔J〕.水利水電技術，2005，36(10):30-33，41.

〔2〕趙道利，馬薇，張龍奎，等.水電機組振動故障的診斷與處理〔J〕，大電機技術，2005(6):44-47.

〔3〕萬長勝，豐強，豐芳.柘林水電廠B廠機組停機時間偏長的解決方案 〔J〕，江西科學，2013，31(5):671-674.

〔4〕吳小林，孟佐宏.彭水水電站1號機組停機過程中導葉開啟機組過速事故的調查分析 〔J〕，水電站機電技術，2012，35 (6):84-87.

〔5〕關小剛.大峽水電站機組軸承瓦溫過高事故停機功能 〔J〕，水電廠自動化，2008，29(4):82－83.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.02.0013

TV736

B

1008-0198(2015)02-0044-03

唐衛平 (1964)，男，高級工程師，從事水電廠生產運行、設備管理及科技攻關等相關技術工作。

2014-11-03

國網湖南省電力公司科研課題 (5216A513500N)