水電站警報管理的優化

R.諾維茨基

水電站警報管理的優化

R.諾維茨基

高水平的警報系統對電力行業的運行維護至關重要。闡述了水電站警報管理情況，介紹了現行警報系統的運行和管理模式，提出了在報警信號處理與管理中采用故障累積方法的具體思路與方法，著重對其在旋轉機械設備和水輪機機組上的應用和優缺點做了詳細介紹，具有一定參考價值。

水電站運行管理；警報系統；旋轉機械設備；水輪機機組

在電力行業，警報管理正逐漸成為維護作業中的核心關注點。如果是工業警報系統本身的問題，則都會有詳細的文字記錄，但是包括水電站在內的發電設施發生的各種安全事故，其中的原因就有不當警報產生的復雜情況以及隨之而來的不當操作。警報一旦發出，運行人員就應立即響應，發現問題并采取行動以防止事件升級，將緊急停機的需求降到最低。因此，警報是一道至關重要的安全屏障。

為了確保對警報的妥善管理，國際自動化協會(ISA)于2003年最先開始編制相關標準。根據最初的標準和數年的研究工作，美國國家標準學會(ANSI)和ISA頒布了ANSI/ISA-18.2-2009 《過程工業報警系統管理》標準。依據該標準和最先進的行業最佳實踐，應針對警報所固有的目標，對警報系統的性能進行連續監測和報告。

一個正常運行的警報系統應能執行以下3項重要任務。

(1) 讓運行人員警覺到工況已經發生變化，或控制和/或監控系統能識別到工況變化；

(2) 讓運行人員了解變化的性質，因為工藝的異常情況會觸發不同嚴重程度的警報，這些警報也有可能因生產設備技術條件的改變而引起；

(3) 引導運行人員采取應對措施。

圖1所示為警報目標，表1所列為運行人員異常情況下所應履行的主要職責。

圖1 警報目標

監控系統的功能之一是報警倍增 (TM) 功能。在許多情況下，該功能是有效進行警報管理的關鍵

表1 異常情況下運行人員的主要職責

組件，隨著當今用于水輪發電機組(HTG)先進的傳感器和狀態監控技術的出現，傳統報警方法演變發展為TM技術，運行人員可直接關注重要的警報而不受到其他警報噪聲的干擾。

1 高/低轉速旋轉機械系統的TM功能

采用TM設計臨時提高報警設置點，通過預置增效器確定報警標準和危險標準來表示(見圖2)。這些功能主要體現在旋轉機械運行時的轉子共振頻率上，并且僅局限于轉子共振效應和徑向振動，當設備急加速通過運行區間時這種情況就會出現(頻帶寬度從低轉速時的頻率跨越至高轉速時的頻率)。當轉子通過平衡共振頻率時，這種不平衡的能量會帶來較大的振動。有些情況下，瞬態振動會比報警門檻值要高，并且不能通過輔助的轉子平衡系統得到緩解。這時，配合先進的設備，TM技術和報警延時是啟動機組唯一有用的措施。

圖2 取決于轉速的報警級別在采用TM功能后的變化

意識到TM功能可以成功用于振動情況而不僅僅使轉子失衡，對能源組織而言是非常重要的。例如，可以應用該功能為低速HTG和其他未超過共振轉速速度的設備配置工況監測(CM)和保護系統(PS)。就水電站而言，存在一些因水流引起的振動問題，水流脈動的原因同機械振動的原因類似，兩種根本原因為受迫振動和自激振動。可以觀察到如下幾種水流脈動現象。

(1) 穩定流態。在某一時段下流量始終保持在一個點上，不發生改變。

(2) 周期流態。水流中的振動以固定時間間隔的形式重復出現-周期流態引起自由的系統結構振動-產生周期性流態頻率，協同系統的固有結構頻率而導致自激。

(3) 不穩定流態。在該流態下，特別是某一既定點的流速和壓力都隨時間而變化，因此專門的測量值也會變化。

當旋轉機械以遠低于轉子共振頻率運行時，TM功能可以提高其運行的報警管理水平。

2 水電站警報管理不善實例

某水電站安裝了兩臺可逆混流式HTG，每臺裝機容量200 MW。在額定轉速188 r/min左右運行，并且配備有新型的狀態管理系統(CMS)，該系統帶有振擺監測和保護系統，還有診斷功能。監視和保護系統用來監測數據采集，并向運行人員發出警報。無高危報警信號用于驅動緊急停機裝置。

當CMS投入使用，便已出臺了符合國際標準化委員會的警報標準。標準中描述了從A到D的4種技術情況，這取決于主軸轉子振動和轉動系統的轉速(如圖3所示)。

圖3 從主軸相關的振動和水輪發電機轉速的角度評價HTG的技術條件

垂線表示在上述實例下HTG轉動系統的額定轉速。此時，CMS系統所確定的C與D邊界上的值就是500 μm。

分析了這3臺機組24 h運行下的XY方向的振動趨勢，并根據圖2中所提的分類標準做了嚴重程度的評估。在HTG運行期間，XY向振動采集值持續高于高危報警閾值，違反了報警目標，導致CMS系統失效。根據工程設備和材料用戶協會的第191導則，如果報警信號持續20 h或以上，該信號應該被認定為常駐信號。在所述的水電站例子中，機組無法在最大負荷下連續工作20 h。但是，在機組運行的整個期間都存在報警信號。因此，將此信號認定為一種典型常駐報警信號是合理的，換句話說，該信號在一段重要時間內都處于活動狀態。這種類型的信號可以出現在本身有故障或者質量有缺陷需要維護檢修的儀器和設備上。

報警管理標準中，如果一個報警信號50%的時間都處在其所規定的范圍以外，加重了運行人員的工作負擔，就需要進行修正。針對本文案例，儀器設備均運行良好，那么報警限值就需要進行修正。

圖4為提高CMS效率的報警管理流程。應定期對采集到的數據進行分析以確定可能需要增強的方面，錯誤的系統配置可能因以下原因造成。

圖4 報警管理的優化方法

(1)根據“正常數據”，門檻值設定過高；

(2)采用最小值作為門檻值會導致頻繁出現警報指示；

(3)采集值一直比常駐的報警信號的門檻值要高。

在本案例中，測量值始終比高危報警信號的閾值高。因此，最直接的方法是抬高報警閾值。這雖然違背了標準推薦的辦法，但是可以明確潛在的原因，防止情況惡化。否則，運行人員必須通過分析采集到的數據和其他維護工具依賴CMS資產管理，并改變資產管理規則。

如果不迅速采取措施優化HTG的動態性能，就沒有理由保留先前設置的報警規則，所以必須進行調整。調整不成功，將會導致報警優化失敗，延誤運行。

針對此案例的處理措施非常簡單。需要對監測系統的報警規則進行調整，以完善對機組的維護管理工作。改善的結果就是讓振動值回落到ISO所規定的范圍內。將XY的報警值由500 μm調高至600 μm或650 μm可以很大程度縮短報警信號出現的時間。

盡管新的高危報警規則可能已經滿足了正常穩定運行的需求，但依然沒有解決機組開機過程中報警信號出現的問題。在這些初始工況下，轉子的最大振動位移可達到800 μm，隨后伴隨著一個緩慢下降的過程。

通過引入TM功能可進一步優化報警規則。TM功能由機組(或電站)的控制系統提供(如圖5所示)。可以通過由分散式控制系統(DCS)所驅動的繼電器輸出的二進制信號(圖中下方箭頭所指部分)，或者使用CMS和DCS之間的數字接口(圖中上方箭頭所指部分)啟停。

圖5 采用DCS控制的監控系統的TM功能

圖6 監控系統自動控制的TM功能

圖6中所示的報警規則來源于已知的機組異常情況。報警規則的改進必須進行報警閾值的重新設置，并使用TM功能以應對開機后12 min的振動上升過程。采用這種組合的方法進行報警管理，可以消除在運行XY向的振動持續報警。

3 TM功能的應用和實施情況

并非所有的CMS都內置了TM功能。更多的情況下，TMMAX=3，同時分辨率TMRes=1。針對水輪機械系統的應用，這一分辨率已足夠，但還不足以應對水輪機本身，此外，高分辨率可以確保系統配置精度較高。

通過DCS控制對于TM執行系統并用于水電站運行(圖5)，但有些先進的CM和PS，可以通過監控系統自動啟動該功能。

4 結 語

需要運行人員對各種警報采取措施或者引起注意。因此，報警合理化是一種經過驗證的報警管理技術，可以減少運行人員的工作負擔，以提高運行人員的反應能力。CM和PS中的高危報警信號的調試工作必須由報警合理化工作組、維護人員以及儀表專家來主導完成。

最終，報警合理化能夠減輕運行人員的工作負擔，分辨出無效的報警信息，通過提升運行人員對報警信號的信任度來增強系統的完備性，從而降低錯過關鍵報警信號的可能性，最重要的是運行人員能夠更加迅速、一致并有效地作出反應。

張卓然 鄒 瑜 譯

(編輯：朱曉紅)

1006-0081(2017)03-0028-03

2017-01-20

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