機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在抽水蓄能電廠的應(yīng)用

楊夢(mèng)起，李政柯

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400；2.雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610000）

機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在抽水蓄能電廠的應(yīng)用

楊夢(mèng)起1，李政柯2

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400；2.雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610000）

分別介紹了兩個(gè)抽水蓄能電廠機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)瑞士Vibro-Meter公司的VM600系統(tǒng)和丹麥ROVSING Dynamics A/S公司開(kāi)發(fā)的OPENpredictorTM故障預(yù)警系統(tǒng)，首先對(duì)兩套系統(tǒng)的基本情況進(jìn)行了介紹，然后從測(cè)點(diǎn)布置、硬件性能、軟件功能以及人機(jī)交互界面等共4個(gè)方面對(duì)兩套系統(tǒng)進(jìn)行了比較，希望對(duì)其他電廠選擇振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有所幫助。

振動(dòng)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；VM600系統(tǒng)；OPENpredictorTM系統(tǒng)

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，由于受地區(qū)水力資源的限制，電網(wǎng)缺少經(jīng)濟(jì)的調(diào)峰手段，電網(wǎng)調(diào)峰矛盾日益突出，建設(shè)抽水蓄能電站以解決火電為主電網(wǎng)的調(diào)峰問(wèn)題逐步形成共識(shí)。抽水蓄能機(jī)組具有起停頻繁、水頭高、工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜及輸水系統(tǒng)中存在雙向水流等特點(diǎn)，故對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尤為重要。反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的物理量除了溫度、轉(zhuǎn)速、定子電壓電流和勵(lì)磁電壓電流之外，還包括振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)等，同其他大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械一樣，振動(dòng)也是蓄能機(jī)組最常見(jiàn)的故障表現(xiàn)形式，是影響設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，約有60%以上的設(shè)備故障或事故都在振動(dòng)信息上有所反映，而在水電機(jī)組故障或事故處理中此種誘因約為80%，如果能在機(jī)組出現(xiàn)早期故障征兆時(shí)立即采取果斷措施，防止故障或者事故的發(fā)生，則可避免造成重大的設(shè)備破壞和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，主機(jī)設(shè)備作為蓄能電站最關(guān)鍵的重大設(shè)備，選用切實(shí)有效的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)保障發(fā)電機(jī)組設(shè)備安全及穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有積極的意義。

2 蓄能電廠振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

A、B兩個(gè)蓄能電廠都非常重視機(jī)組振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和分析。A蓄能電廠自20世紀(jì)90年代就與高校、科研機(jī)構(gòu)合作研發(fā)了機(jī)組軸系振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，隨后選用瑞士Vibro-Meter公司的VM600系統(tǒng)作為機(jī)組振動(dòng)保護(hù)裝置并使用至今，在確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行方面效果顯著。B蓄能電廠采用了丹麥ROVSING Dynamics A/S公司開(kāi)發(fā)的OPENpredictorTM故障預(yù)警系統(tǒng)，既可查看測(cè)量各部位的分析圖譜，也可在報(bào)警列表中查看報(bào)警的位置、級(jí)別、類(lèi)型和圖譜等信息。

2.1 A蓄能電廠

A蓄能電廠Ⅰ期、Ⅱ期機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的瑞士Vibro-Meter公司VM600機(jī)器保護(hù)、狀態(tài)和性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“VM600系統(tǒng)”），主要包括機(jī)器保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等兩大功能，其拓?fù)鋱D見(jiàn)圖1。

圖1 A蓄能電廠VM600狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

每臺(tái)機(jī)組VM600系統(tǒng)硬件組成主要包括框架（用于安裝、連接模塊卡件等）1個(gè)、機(jī)器保護(hù)模塊MPC4+IOC4T模塊4對(duì)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊CMC16+IOC16T模塊1對(duì)、中央處理單元CPU M+IOC N模塊1對(duì)以及電源2個(gè)。

VM600系統(tǒng)提供了3種數(shù)據(jù)分析模式，即實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、歷史數(shù)據(jù)分析和瞬態(tài)分析。

2.1.1 A蓄能電廠Ⅰ期

Ⅰ期4臺(tái)機(jī)組分別配備一套VM600振動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，通過(guò)交換機(jī)將進(jìn)行初級(jí)處理過(guò)的數(shù)據(jù)送至廠房中控室內(nèi)一臺(tái)服務(wù)器，使用VM600上位機(jī)軟件可查看數(shù)據(jù)波形、圖譜等。Ⅰ期機(jī)組測(cè)點(diǎn)布置如表1所示，使用兩種類(lèi)型傳感器：Vibro-Meter電渦流位移傳感器和加速度傳感器，傳感器與其前置器成套使用，即電渦流位移傳感器TQ 402與其前置器IQS 452、加速度傳感器CA201與其前置器IPC 704。表1給出了Ⅰ期機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置說(shuō)明。

表1 A蓄能電廠Ⅰ期機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置

2.1.2 A蓄能電廠Ⅱ期

同樣，Ⅱ期4臺(tái)機(jī)組分別配備了一套VM600振動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。Ⅱ期使用的振動(dòng)傳感器為Vibro-Meter電渦流位移傳感器（TQ402、TQ407）和加速度傳感器（CE310、CE680）。表2給出了Ⅱ期機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置說(shuō)明。

表2 A蓄能電廠Ⅱ期機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置

A蓄能電廠Ⅰ期、Ⅱ期振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中鍵相傳感器采用TQ402電渦流傳感器，主要通過(guò)檢測(cè)焊接在發(fā)電機(jī)上端軸圓周上的一塊凸片，發(fā)出脈沖信號(hào)到振動(dòng)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組鍵相的測(cè)量。表3給出了A蓄能電廠機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器主要參數(shù)及配套。

表3 A蓄能電廠機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器參數(shù)及配套

2.2 B蓄能電廠

B蓄能電廠采用丹麥ROVSING Dynamics A/S公司開(kāi)發(fā)的OPENpredictorTM故障預(yù)警系統(tǒng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，其控制盤(pán)柜布置在發(fā)電機(jī)層，與機(jī)組RTU盤(pán)柜放置在一起。每臺(tái)機(jī)組分別配備一套振動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。

OPENpredictorTM系統(tǒng)硬件組成單元包括信號(hào)處理單元SPU、通訊處理模塊、通信處理器串口工具、8通道信號(hào)處理模塊、電源適配器模塊、UPS單元、交換機(jī)和現(xiàn)地工作站。其拓?fù)鋱D如圖2所示，由此可以看出其結(jié)構(gòu)與A蓄能電廠AVM600系統(tǒng)基本一樣。

圖2 B蓄能電廠OPENpredictorTM故障預(yù)警系統(tǒng)拓?fù)鋱D

除對(duì)機(jī)組軸系振動(dòng)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)之外，OPENpredictorTM系統(tǒng)中寄存器還從機(jī)組Alspa系統(tǒng)中接入了28個(gè)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，分別為機(jī)組狀態(tài)、流量（水泵和水輪機(jī)工況）、導(dǎo)葉開(kāi)度、上下游水位、有功、無(wú)功、定子電壓與電流、勵(lì)磁電壓與電流、功率因數(shù)、推力軸承瓦溫、上導(dǎo)軸承瓦溫、下導(dǎo)軸承瓦溫、水導(dǎo)軸承瓦溫、上導(dǎo)/推力軸承冷卻水溫度、下導(dǎo)軸承冷卻水溫度、上導(dǎo)/推力軸承油溫、下導(dǎo)軸承油溫、水導(dǎo)軸承油溫、水導(dǎo)軸承油位等。

B蓄能電廠8臺(tái)OPENpredictorTM狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布置（表4）完全相同，共使用2種類(lèi)型振動(dòng)傳感器，分別是Vibro-Meter電渦流位移傳感器和速度型傳感器，傳感器與其前置器配套使用，即電渦流位移傳感器TQ402及其前置器IQS452和速度傳感器CV210及其前置器IVC632。

表4 B蓄能電廠機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置

在OPENpredictorTM系統(tǒng)軟件模擬圖中可實(shí)時(shí)查看機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的各種狀態(tài)參數(shù)以及各監(jiān)測(cè)部位的振動(dòng)值，而且可以利用系統(tǒng)工具條中的瀏覽器或者模擬圖將希望查看的測(cè)點(diǎn)加載到繪圖管理器中，查看測(cè)點(diǎn)的波形圖、趨勢(shì)圖、SMAX圖、散點(diǎn)圖、軸心軌跡、自頻譜分析圖、OTA圖、CPB圖以及瀑布圖。

根據(jù)每個(gè)測(cè)點(diǎn)組態(tài)的分析方法不同，各通道對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理的參數(shù)配置也不相同。在OPENpredictorTM系統(tǒng)中，信號(hào)分析與處理的算法都被固化在SPU硬件中，所有的傳感器信號(hào)在SPU中進(jìn)行處理和計(jì)算，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)處理之后的帶有故障特征的信號(hào)，所以數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)或者信號(hào)也叫特征信號(hào)。數(shù)據(jù)分析并不是一個(gè)實(shí)時(shí)的過(guò)程，而是每隔一定時(shí)間分析一次，這個(gè)時(shí)間間隔是精調(diào)時(shí)根據(jù)綜合數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)效果來(lái)確定的。

3 振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的比較

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

與常規(guī)水電機(jī)組一樣，抽水蓄能機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)也分為絕對(duì)振動(dòng)和相對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，也稱(chēng)為軸向振動(dòng)（瓦振）和軸承座振動(dòng)（殼振），A蓄能電廠Ⅰ、Ⅱ期和B蓄能電廠振動(dòng)傳感器的布置基本相同，均兼顧到重要部位相對(duì)振動(dòng)和絕對(duì)振動(dòng)的測(cè)量，對(duì)各導(dǎo)軸承擺度和軸承座振動(dòng)、承重機(jī)架的垂直方向進(jìn)行了全面的監(jiān)測(cè)。

GB/T 7894-2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》表13中規(guī)定了在定子機(jī)座和定子鐵芯處設(shè)置傳感器，分別用以監(jiān)測(cè)定子機(jī)座和定子鐵芯的水平、垂直方向振動(dòng)。此外，可考慮將壓力脈動(dòng)（蝸殼進(jìn)口、頂蓋與轉(zhuǎn)輪間、無(wú)葉區(qū)、尾水管錐管出口）和發(fā)電機(jī)空氣間隙等內(nèi)容納入監(jiān)測(cè)范圍，以便更全面地對(duì)機(jī)組的健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)估。

3.2 硬件性能

一套振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)劣關(guān)鍵在于信號(hào)采集和處理系統(tǒng)的采樣速度、分辨率、精度、信號(hào)處理速度和抗干擾能力等指標(biāo)。兩套系統(tǒng)都采用模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高速、并行、同步數(shù)據(jù)采樣，信號(hào)采集和處理都在硬件中實(shí)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)處理精度和計(jì)算速度都很優(yōu)秀。VM600系統(tǒng)和OPENpredictorTM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊的基本參數(shù)如表5所示。

表5 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊性能[2，3]

3.3 軟件功能

3.3.1 頻率和幅值范圍

GB/T 11348.5-2008《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)定第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組》4.3中規(guī)定了測(cè)量設(shè)備應(yīng)該達(dá)到的頻率范圍和幅值范圍：

測(cè)量設(shè)備的頻率范圍應(yīng)該適合水力機(jī)械轉(zhuǎn)軸振動(dòng)較寬的激勵(lì)譜。它應(yīng)該從機(jī)器額定轉(zhuǎn)速頻率的1/4到水斗或葉片過(guò)流頻率的2倍。

測(cè)量系統(tǒng)的幅值范圍至少應(yīng)該是主要區(qū)域A-B和區(qū)域C-D之間界限值的4倍，以便能精確檢測(cè)瞬態(tài)運(yùn)行工況下的振動(dòng)。

A、B蓄能電廠機(jī)組額定轉(zhuǎn)速均為500r/min（轉(zhuǎn)頻8.133Hz），其中，A電廠Ⅰ期轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為7，Ⅱ期轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9；B電廠轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9。各狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頻率和幅值范圍設(shè)置見(jiàn)表6。

表6 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頻率和幅值范圍設(shè)置

3.3.2 瞬態(tài)分析功能

A蓄能電廠VM600系統(tǒng)可以直接查看機(jī)組啟停機(jī)過(guò)程中各通道信號(hào)的數(shù)據(jù)分析圖譜，且啟機(jī)（RUN UP）和停機(jī)（RUN DOWN）過(guò)程數(shù)據(jù)已經(jīng)由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行截取和存儲(chǔ)，用戶只需選擇感興趣的時(shí)刻，即可直接查看相應(yīng)的圖譜。

B蓄能電廠OPENpredictorTM系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)數(shù)據(jù)（機(jī)組啟停機(jī)過(guò)程等）查看，可在對(duì)機(jī)組狀態(tài)（或工況）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析參數(shù)配置時(shí)，設(shè)置有效的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔以看到信息完整、內(nèi)容豐富的圖譜。

3.3.3 與其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整合

A蓄能電廠VM600系統(tǒng)僅包括振動(dòng)量的監(jiān)測(cè)，B蓄能電廠OPENpredictorTM系統(tǒng)除對(duì)機(jī)組軸系振動(dòng)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)之外，還引入了機(jī)組狀態(tài)參數(shù)、定轉(zhuǎn)子電壓與電流量、有功功率與無(wú)功功率、上下游水位以及軸承溫度量等物理量，對(duì)進(jìn)行機(jī)組振動(dòng)特性分析來(lái)說(shuō)更加方便。實(shí)際上，VM600系統(tǒng)具備引入其他量的模塊和功能，現(xiàn)階段A蓄能電廠僅引入了有功功率過(guò)程量。

3.4 人機(jī)交互界面

VM600系統(tǒng)、OPENpredictorTM系統(tǒng)都具有比較友善的人機(jī)交互界面，都能實(shí)時(shí)查看各測(cè)量部位的振動(dòng)值，并能及時(shí)查詢機(jī)組歷史報(bào)警信息。

對(duì)于VM600系統(tǒng)，只需依次選擇數(shù)據(jù)分析模式、測(cè)點(diǎn)與分析方法，導(dǎo)入并選擇所需的時(shí)間段即可繪制出時(shí)域波形和頻譜圖，對(duì)各種工況下機(jī)組重要部位表現(xiàn)出來(lái)的頻譜特性展開(kāi)研究。VM600系統(tǒng)事件查看器可以直接定位到VM600卡件代碼以及某臺(tái)機(jī)組的某個(gè)測(cè)點(diǎn)輸出。

OPENpredictorTM系統(tǒng)可以通過(guò)樹(shù)狀瀏覽器根據(jù)需要選定某些測(cè)點(diǎn)的分析方法，在自動(dòng)打開(kāi)的繪圖管理器中對(duì)顯示模式、時(shí)段和機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，在快捷工具欄中選擇相應(yīng)的分析圖標(biāo)即可顯示對(duì)應(yīng)的圖譜。利用其系統(tǒng)工具條中的運(yùn)行和維護(hù)查看器可以查看報(bào)警信息，幫助運(yùn)行人員判斷報(bào)警產(chǎn)生的位置和危害級(jí)別，及時(shí)通知維護(hù)人員，利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段在設(shè)備缺陷和故障發(fā)展前期做出干預(yù)，提高機(jī)組的可靠性和可利用率。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合多年的運(yùn)行情況來(lái)看，VM600系統(tǒng)和OPENpredictorTM系統(tǒng)在機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與保護(hù)、軸承間隙監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮了重要的作用，有助于振動(dòng)工程師或機(jī)械技術(shù)人員掌握機(jī)組的振動(dòng)擺度變化趨勢(shì)和起因，有助于判斷并查找出機(jī)組異常或故障情況，對(duì)保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行有十分積極的意義。

[1]彭文季.水電機(jī)組振動(dòng)故障的智能診斷方法研究[D].西安:西安理工大學(xué),2007.

[2]北京韋伯瑞華測(cè)控技術(shù)有限公司（Vibro-China）.VM600Software&Hardware維護(hù)手冊(cè)[Z],2011.

[3]SHERETA D.Turbine-generator unit monitoring system as built document[Z],France,Alstom Hydropower Environment,2007.

TV736

B

1672-5387（2015）S-0066-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.020

2015-10-26

楊夢(mèng)起（1984-），男，工程師，從事水電站機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究工作。