机组状态在线监测系统在锦屏水电站的应用

2012-12-17锦屏水力发电厂张冬生窦学刚付晓宇

电子世界 2012年15期

锦屏水力发电厂张冬生窦学刚顾挺付晓宇杨浩郑钰

1.引言

锦屏水电站位于四川省凉山州盐源、木里、冕宁三县交界处，系雅砻江流域的龙头电站，是国家“西电东送”、“川电外送”能源发展战略的重要组成部分。锦屏水电站包括锦屏一级、锦屏二级水电站，总装机8400MW。锦屏一级水电站大坝为混凝土双曲拱坝，坝高305m，为世界同类坝型中第一高坝；总库容77.6亿m³，调节库容49.1亿m³；装机6台，总装机容量3600MW，多年平均发电量为166.2亿kW・h。锦屏二级水电站通过16.7km的引水隧洞引水发电，采用上游调压方式，最大水头达318.8m；总库容1401万m³，调节库容为496万m³；装机8台，总装机容量4800MW，多年平均发电量为242.3亿kW・h。锦屏水电站采用华科同安TN8000机组状态在线监测系统。

2.锦屏水电站机组状态在线监测系统组成及测点布置

2.1 机组状态在线监测系统组成

锦屏水电站机组状态监测系统由传感器、数据采集单元、服务器及相关网络设备、软件等组成，该监测系统网络图如图1所示。系统为分层分布式结构，按层次分为电站层（上位机系统）和现地层两级。电站层设备包括状态数据服务器、WEB/应用服务器、工程师工作站、网络设备、打印机等。

现地层设备包括机组现地监测数据采集单元、各种传感器、通讯接口、附件设备等，安装在现地数据采集站内。每台机组现地层设备设有一个数据采集站，数据采集站的设备集中组屏在1面布置于发电机层的控制盘内。电站层设备和现地层设备之间采用环型网结构，网络介质为光纤，如图1。

图1 锦屏一级电站机组状态在线监测系统网络图

2.2 机组状态在线监测系统测点布置

锦屏水电站机组状态监测系统可以实时采集、显示稳定性数据（振动、摆度、压力脉动、抬机量、噪声）和气隙数据变化，也可以显示工况参数如机端电压、电流、有功、无功等，该系统传感器由稳定性监测传感器和气隙监测传感器构成。

2.2.1 稳定性传感器测点分布

第1类电涡流传感器测点分布：键相信号，上导轴承X、Y向摆度，下导轴承X、Y向摆度，水导轴承X、Y向摆度，机组抬机量（测量大轴轴向位移），以上测点主要测量传感器探头相对旋转大轴的间距。

第2类低频振动传感器测点分布：上机架X、Y径向水平振动，上机架Z向垂直振动，下机架X、Y径向水平振动，下机架Z向垂直振动，顶盖X、Y径向水平振动，顶盖Z向垂直振动，定子机座X、Y向水平振动，定子机座Z向振动，定子铁芯水平振动，定子铁芯垂直振动，以上测点主要测量水轮发电机组各固定部件低频振动。

第3类压力脉动传感器测点分布：蜗壳压力脉动、转轮与导叶间压力脉动、锥管进口压力脉动、肘管进口压力脉动、肘管肘位压力脉动，主要测量压力脉动（压力持续波动值）。

第4类传声器测点分布：发电机运行噪声监测，水轮机运行噪声监测，主要测量水轮发电机组噪声大小，间接反映水轮发电机组运行工况，图2为锦屏一级电站测点分布图。

2.2.2 发电机气隙传感器测点分布

锦屏水电站发电机气隙传感器采用加拿大Vibrosystm VM5.0平板电容传感器，8个测点均匀布置在发电机定子内壁上部，主要测量发电机定、转子间隙，为评价定转子气隙状态提供依据。

3.机组状态在线监测系统常用分析工具

3.1 机组稳定性监测常用分析工具

机组稳定性监测常用分析工具包括趋势分析、时域波形分析、频谱分析、瀑布图分析、轴心轨迹分析、轴系图分析、工况分析等七种工具，下面介绍其中的一种。

趋势分析法：利用相关趋势分析功能，用户可制作机组的各种特性曲线，监测机组性能变化，及时发现机组故障及缺陷。常见趋势分析曲线有机架振动、摆度、压力脉动随负荷变化曲线；机架振动、摆度、压力脉动随转速变化曲线；机架振动、摆度随励磁电流变化曲线；有功、流量、效率随导叶开度变化曲线；流量、效率、耗水率随负荷变化曲线瓦温、油温变化曲线；相关参数随水头变化曲线等。下面用趋势分析法对一起水轮机蜗壳导流环板撕裂的数据曲线进行分析。

图3所示某电站一台机组正常运行中，蜗壳中3处导流环板撕裂导致水力严重不平衡，机组各导轴承等X向摆度峰峰值、1倍频相位值随时间变化的曲线图。X轴为时间，Y轴六条曲线分别是上导、下导、水导X向摆度的峰峰值和1倍频相位值，最下边曲线为顶盖垂直振动的峰峰值和1倍频相位值。由趋势分析法可知，突变时刻发生于02:44:42，上导、下导、水导X向摆度的峰峰值和1倍频相位值发生大幅突变，顶盖垂直振动的峰峰值和1倍频相位值大幅突变，其中各部件峰峰值突变均在170μm以上且持续，1倍频相位值突变均在100°以上且持续，严重超出机组正常范围。

图2 锦屏一级电站机组状态监测系统测点分布图

图3 机组各部件摆度及振动曲线图

表1 发电机气隙状态评价表

3.2 机组气隙监测常用分析工具

机组气隙监测常用分析工具包括定转子特性评价、定转气隙偏差检查、磁极伸长状态检查、转子机械强度检查、过速气隙特性分析、定子相对热膨胀检查、辅助分析异常摆度和开、停机过程气隙特性分析等工具，下面介绍其中的一种。

水轮发电机定子内圆半径最大值与最小值之差，即两者之间的半径差R为定子圆度，通常定义定子圆度时将发电机转子视为理想圆。

水轮发电机转子外缘半径最大值与最小值之差，即两者之间的半径差r为转子圆度，通常定义转子圆度时将发电机定子视为理想圆。图4为某电站利用定转子特性评价工具，分析、评价发电机气隙状态水平的示意图。

某电站机组的转子不圆度为0.7mm(2.1%)，定子不圆度为1.4mm(4.2%)，其他指标见图4，气隙状态处于优良水平如表1。

4.机组状态监测系统投产初期存在的不足

该系统电站层和现地层采用环型网结构，因此，这种结构在机组投产初期主要存在以下不足：

电站层和现地层不能形成环型网络，只能以单网结构运营，此时某台机组网络故障会影响整个电站机组状态监测系统数据的传输功能；

随着投产机组台数的增多，这种单网结构可能会因传输数据堆积造成整个电站机组状态监测系统故障。

5.锦屏水电站开展机组状态在线监测系统的现实意义

5.1 保障机组安全、稳定、经济运行的重要手段

锦屏水电站机组状态监测系统主要通过以下功能保障机组安全、稳定、经济运行。

该系统实时监测画面中各种自带的直观易懂的图形或曲线实时显示稳定性数据变化、气隙数据变化，便于运行人员实时监测机组各部件运行状况，时刻确保机组状态良好。

当运行工况发生变化时，利用状态监测系统自动积累的数据，建立机组稳定运行工况库和不稳定运行工况区，提醒值班人员避免或是缩短机组在不稳定工况下运行的时间，指导机组在稳定工况区运行，优化机组效率，指导机组经济运行；当机组稳定性数据、气隙数据曲线发生小幅或大幅突变甚至严重超出机组运行极限时，能够及时发出预警、报警信号，便于值班人员第一时间掌握机组异常信息并采取相应措施，确保机组稳定运行。

该系统可以自动生成检修前、后各种状态报告，通过对比历史数据、曲线，既可以分析瞬态过程和热稳定过程气隙变化数据趋势，又可以检验机组的安装质量、评价机组检修效果，最终通过调整使机组在最优状况下运行。

利用电厂局域网构建厂级机组状态监测网，设备管理工程师在网络允许范围内，即可实现机组的在线监测远程分析和诊断，随时掌握机组的状态，确保机组处于可用的良好状态。

5.2 值班人员判断、评估并网机组可靠性最有力的分析工具

值班人员可以充分利用机组状态监测系统这一平台，准确判断、评估并网机组的可靠性。正常时，机组各部件的振动、摆度、压力脉动、抬机量、噪声和气隙数据曲线均在正常的范围内波动，机组稳定运行。当上述曲线超出正常曲线范围发生瞬时性突变且短时恢复到正常范围内时，该情况可能由于工况、调负荷、跨振动区等原因引起，一般不会影响机组安全、稳定运行；当机组某个部件出现松动或是异常，上述曲线会发生超出正常曲线范围的突变，突变后的曲线较稳定且持续存在时，该情况可以判定机组某个部位出了问题。此时，值班人员根据具体的特征曲线分析、判断是水轮机还是发电机的问题，根据异常产生的部位采取不同措施找出曲线发生突变的原因，恢复机组正常运行曲线，确保机组稳定运行。

5.3 指导机组检修和开展机组状态检修的重要技术基础与依据

图4 发电机定、转子圆度模拟图

该系统可以利用自带的各种分析诊断工具，对机组异常信息进行深入分析，辅助发现异常原因，指导机组检修工作；同时，它也是未来机组状态检修的技术核心，充当着设备健康状况诊断医生的重要角色，其最终目的是为机组状态检修服务提供依据、技术支持，根据状态监测系统获得的机组特征信号，准确掌握设备状态情况，合理安排机组小修、大修和扩修。

5.4 锦屏水电站实际情况的必然要求

锦屏一级额定水头200m，最大水头240m。锦屏二级采用上游调压室结构，“4洞8机”布置方式，额定水头288.0m，最大水头318.8m，是世界上混流式机组中水头最高的电站。因此，锦屏水电站单机容量大、水头高、装机容量大等特点决定了机组状态在线监测系统必须具有高的实用性、可靠性，尤其发生突发情况可以通过预设的振摆、气隙数据报警信号及时提醒值班人员加强监视和采取必要措施防止发生机组飞逸过速的重大事故。

锦屏水电站也是国调直调电站，送出线路通过锦屏—苏南±800KV直流特高压送至华东电网，该输电线路起点位于四川省锦屏换流站，受端位于江苏省苏南换流站，额定输送容量7200MW，最大连续输送容量7600MW。因此，锦屏水电站将在国网中担任重要的调峰、调频和事故备用任务，这就要求水轮发电机组在其整个出力范围内具有充分的可用性，值班人员必须准确了解和掌握机组的真实运行工况和运行性能。

5.5 锦屏水电实施“无人值班”（少人值守）高效值班模式的必然要求

锦屏两级电站投产后，按照二滩公司的总体部署，投产后的机组将实施接入雅砻江流域集控中心（成都）调度的方案，即雅砻江流域集控中心将统一调度锦屏水电站14台机组，电站现场将无人值班。

锦屏水电站作为国内“一厂两站”最大的电站，电站总定员190人，是国内巨型电站中值班人数最少的电站。锦屏水电站现场将采取“少人值守、两大班制”的值班模式，即电站现场运行、维护人员分为两班，每班工作半个月，休息半个月，两班交替上班、休息。这样高效的值班模式使得锦屏水电站机组台数多和值班人数少的矛盾尤为突出，这就要求电站具有很高的自动化水平、信息化水平，需要发展更加成熟、可靠的机组状态监测系统，建立预测维护理论系统与维护实施系统，实现水电站运行设备监测、维护、高效管理。