自動盤車測量及輔助調整系統在蓋孜水電站的應用研究

安 剛，張宇飛，李 輝，白 亮

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

自動盤車測量及輔助調整系統在蓋孜水電站的應用研究

安 剛1，張宇飛2，李 輝3，白 亮3

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

針對傳統水電廠盤車測量及人工判斷調整的缺陷，提出一種能夠滿足自動、連續測量、智能生成盤車軸線及調整方法的自動盤車測量及輔助調整系統。詳細論述了該系統的結構以及關鍵實現技術，通過在新疆蓋孜水電站2號機組上的盤車試驗，證明該系統適應于懸式機組盤車過程，并具有智能化、輕量化、部署方便等特點，適合水電廠精確化檢修應用。

盤車測量；輔助調整；水電機組；精確檢修

0 引言

機組盤車是水電站安裝與檢修的重要環節，盤車完成的質量直接影響到機組今后運行效果。國內水電站盤車一直沿用傳統的盤車方法。隨著近年來大型機組的投運，自動化盤車裝置系統[1]大量應用于機組檢修，但這些系統的應用大多是如何解決非人力轉動問題，如何準確測量和定位一直以來沒有根本的解決，同時傳統盤車耗時長、停點不準、技術人員水平與現場經驗差異一直是影響盤車最終結果的重要原因。

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

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

本文針對上述系統的不足和新疆特殊的現場情況開發出一種自動盤車測量與輔助調整系統。該系統具備自動化測量與自動調整方案生成，在盤車過程中無需人員參與記數，同時在盤車中采用了不停點測量方法，解決了機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果的影響，同時提高了測量精度，在新疆蓋孜水電站進行了應用收到了良好的效果，并具有極高的推廣價值。

1 系統結構

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

傳感器系統（見圖1）是電渦流傳感器，也叫電感式接近傳感器。它是利用導電物體在接近電磁場產生內部渦流原理，使開關內部電路參數發生變化，由此識別出有無導電物體移近，進而控制開關的通斷。其傳感器探頭由小型線圈和控制器產生震蕩電磁場，當接近被測體時，被測體表面會產生感應電流，同時產生反向電磁場。這時電渦流傳感器根據反向電磁場強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盤車中的百分表，配置見表1。

圖1 系統結構

表1 傳感器配置

（2）數據采集系統

數據采集系統采用8通道數據同步采樣系統，保證被測部位數據同步，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的干擾，采集系統通過軟件定時采樣，采樣頻率為512 Hz，保證了實時性和CPU采樣的準確性。數據采集系統由放大器、濾波器、多路模擬開關、采樣/保持電路、A/D轉換器以及接口控制邏輯電路的數據采集卡等組成（見圖2）。

圖2 數據采集系統框圖

（3）數據分析與處理平臺

數據分析與處理平臺安裝在現場筆記本中，是整個系統的核心。該平臺主要實現數據采集、數據處理、結果計算、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值是否發生變化，如果沒有明顯變化，說明水輪機下迷宮環間距不夠，需要進行調整。順時針轉動機組1圈后停止，系統進行自動采集。一般來說盤車涉及了上導、下導、水導測點，必須保證同步采樣；另外在機組轉動時，應保證實時的顯示，使觀察具有連續性。本系統采樣采用DMA傳輸方式，由采樣系統直接讀寫計算機的內存。同時由于現場存在著干擾，對于采集后的數據應進行濾波處理。當機組轉動一周后便可以得到8點的數據，同時根據盤車計算方法得出的數據和國家標準進行對比，檢查本次盤車是否需要調整，將調整的結果輸出給用戶，用于指導調整。工作流程見圖3。

圖3 系統工作流程圖

2 自動化盤車與輔助調整系統應用前期工作

2.1 機組盤車條件

1）在上導軸頸及法蘭盤（或者下導）處沿著圓周劃8等分線，上下各個部位的等分線應在同一方向上（機組旋轉方向的反方向，即逆時針方向），并順次標好對應標號。

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

3）安裝推力頭附近的導軸瓦（懸吊型為上導，傘形為下導），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）清除轉動部件上的雜物，檢查各個轉動與固定部件縫隙處，應絕對無異物、卡阻和亂碰現象。

5）在導軸承和法蘭處，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，應看到傳感器擺度變化，證明主軸處于自由狀態。

2.2 盤車傳感器布置

要進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X方向傳感器上部，并在機組劃分好的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 傳感器準備條件

將系統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。一般在安裝水輪機大軸的上導、下導、水導軸頸處，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，系統在使用傳感器前，要進行率定。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，連續測量5～6組得到樣本散點，通過多項式擬合方法得到傳感器的K，B值，將得到的K，B值配置到采集系統中。

3 新疆蓋孜水電站智能盤車應用實例

（1）電廠及盤車參數簡介

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

表2 蓋孜電站機組盤車參數

（2）第一次盤車數據與調整第一次盤車數據見表3。

表3 第一次盤車數據

系統自動給出了軸線情況和調整方案如圖5和圖6所示

圖5 軸線情況

圖6 調整方位與大小

根據圖6所示法蘭高點在6點方向，且5點7點與6點方向大小一致，所以決定在5,6,7點直鋪0.1 mm的銅墊即可完成機組盤車。

（3）第二次盤車數據與調整

盤車數據如表4所示。

表4 第二次盤車數據

圖7 機組軸線情況

系統自動給出了軸線情況如圖7所示。

根據軸線與數據情況，機組盤車基本達到國家標準，不需要進行再次盤車，盤車結束。

4 應用結論

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

（1）傳統盤車測量主要通過架百分表進行測量，用百分表測量主要有兩個缺點：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變化，造成測量的不準確，b）盤車中百分表測量大軸擺度通過點接觸，這個點由于機組每次?？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據不一致。使用電渦流傳感器并通過數據采集系統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，并在測量前進行了率定，這樣測量就不是一個點接觸，而是一個探頭測量面的距離，另外系統采集時是通過定時密集采集，按照濾波方式取得的連續測量面的平均值，這樣是符合測量盤車原理的。

（2）傳統盤車由于采用8點測量方式，同時采用百分表測量，這就要求機組在測量周期內必須一點一停，以便人工讀取并記錄數據，這樣在下一次機組轉動的時候需要加更大的沖擊力矩才能使機組開始轉動，這種沖擊力矩在人工手推的情況下對機組瞬間位移影響較小，如果大型機組在人工不能推動的情況下，必須采取機械絞盤、天車或電動盤車時，此時沖擊力矩會較大，足以產生瞬間的機組位移導致機組盤車測量的誤差。系統采用了自動測量，在機組大軸上標記了8鍵相塊，這樣機組在盤車測量過程中不需要每點一停，當機組轉動通過鍵相塊時，系統會自動采集并記錄數據，避免了以上問題。

（3）在盤車后的結論中，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。在現場使用過程中發現此方法雖然計算準確，但無法將水輪發電機組盤至一條直線的效果，尤其到盤車后期調整幅度不大的情況下，可能會出現調整過頭的情況。結合盤車的國家標準，我們認為水輪機的盤車并不必須調整為一條直線，只要求將水輪機軸和發電機軸調整到國標允許范圍之內，這樣對于盤車調整的決策就不是將兩軸進行同心處理，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軸和發電機軸拉至國家標準，同時系統可以自動輸出調整的方位和幅度，這樣可以減少不必要的盲目調整。

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

5 結束語

我國對水電機組自動盤車測量與輔助調整系統的研究開發工作尚處于不斷創新和發展的階段，該系統提高了機組檢修和安裝效率，縮短檢修安裝工期，使水電站的管理與運行向更高的自動化程度邁進了一步。

[1]范建立，林玉勝.水輪發電機組電動盤車裝置設計、調試與應用[J].設備管理與維修，2014（07）.

[2]謝建國，方仲超，程遠楚，等.水輪發電機組盤車數據處理及軟件開發[J].水電站機電技術，2016，39（2）：4-7.

[3]李德明.懸式水輪發電機組盤車計算機輔助分析[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，從事水電站水力機械設計工作。