水电站机组智能盘车系统设计与应用

刘润根，杨 虹，李 辉，白 亮，张宇飞

（1.江西省水利规划设计院，江西 南昌 330029；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048；4.西安拓锐电气技术有限公司，陕西 西安 710075）

水电站机组智能盘车系统设计与应用

刘润根1，杨 虹2，李 辉3，白 亮3，张宇飞4

（1.江西省水利规划设计院，江西 南昌 330029；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048；4.西安拓锐电气技术有限公司，陕西 西安 710075）

针对传统人工盘车精度差、耗时长、缺乏精确调整方法的缺陷，提出了一种能够自动连续测量、智能生成盘车调整方案的水电机组智能盘车系统。随后论述了该系统的结构、原理以及其数据处理平台的功能。在白云山水电站以国家标准进行了盘车试验，结果证明该系统具有通用性好、方便灵活、智能化高的特点，适合在水电站及检修公司推广应用。

盘车系统；水电机组；检修

中国水电系统经过近20年的快速发展，现在水电装机总容量已经超过了2亿kW，建成大中小水电站超过了4.5万座［1］。水电机组是水电厂的关键设备，机组运行状态的好坏直接影响水电厂的安全运行［2］。水电机组盘车是调整水轮机轴与发电机轴轴线的过程，在水电站大修过程中，盘车的时间和精度对于大修质量和大修时间影响巨大。随着越来越多水电机组的投运，自动化盘车系统［3-4］大量应用于机组检修。但这些盘车系统仅解决了自动转动问题，并不能提高盘车的速度与工艺，且已有自动化盘车系统造价高、维护复杂，无法得到很好应用［5-7］。

为了提高盘车的准确与适用性，文献［8］提出了一种基于改进遗传算法提取正弦信号参数的求解方法。该方法通过遗传算法实现了连续采样数据的正弦拟合，突破了传统等角8点盘车的局限，但在实际盘车中并非所有盘车数据都能呈现正弦曲线，通过数据拟合可能出现对盘车中高点位置判断不准的情况。文献［9］建立了任意角盘车摆度公式，通过计算机对盘车数据进行处理及拟合，并在云峰发电厂进行了应用。该方法不依靠8点定位，而是通过连续测量拟合构成正弦曲线，多次测量后选择1条接近正弦曲线的实测值作为盘车数据。但该方法在实际盘车中需多次测量，忽略了盘车实际条件且无法指导盘车的调整，现场适应性较差。

本文从水电站机组盘车的实际情况出发，研究了自动测量以及自动出具调整方案的方法，开发出一种实用的智能盘车系统。系统采用先进的传感器与快速采集装置完成不停点盘车测量，计算机自动记录数据并自动出具盘车调整方案。通过白云山水电站1号机组盘车试验，效果良好，具有较高的推广应用价值。

1 机组盘车轴线处理调整方式与计算

1.1 轴线调整方式水轮发电机组轴线的调整通常采用在推力头与镜板之间加铜或钢垫、刮削推力头与镜板之间绝缘垫、中间联轴法兰面之间加铜或钢垫和刮削中间联轴法兰接触面四种方式［10］。（1）推力头与镜板之间加垫。此种调整方式操作简单、易行，速度快，修正量易掌握，反复调整次数少，节省调整时间。但在推力头与镜板之间加金属垫，易破坏推力头与镜板之间的绝缘，当发电机转子绝缘下降时，推力瓦与镜板之间极易形成轴电流，造成推力瓦烧蚀或润滑油变质。另外，金属垫与镜板之间接触面小，易引起镜板变形。（2）刮削推力头与镜板之间绝缘垫。此种调整方式安全、可靠、易行。但调整速度慢，修正量不易掌握，需反复多次调整，对调整人员业务素质要求高。此种调整方式较为常见。（3）中间联轴法兰面之间加铜或钢垫。此种调整方式操作简单、易行，速度快，修正量易掌握，反复调整次数少，节省调整时间。此种调整方式也较常见。（4）刮削中间联轴法兰接触面。此种调整方式操作难度大，速度慢，需专用设备，修正量不易掌握。一般不采用此种调整方式。

1.2 轴线调整计算不论总轴线曲折情况如何，只要法兰及水导处摆度均符合规定即可。如果轴线曲折小，而摆度较大，可采用刮削推力头底面或绝缘垫的方法综合调整；若采用上述方法调整仍达不到要求时，才处理法兰结合面［11-12］。

水导轴颈处的倾斜值:

式中：Jca为水导轴颈处的倾斜值，mm；Φc为水导处的全摆度值，mm；Φa为上导处的全摆度值，mm；Φca为水导处的净摆度值，mm。

（1）刮削推力头或绝缘垫底面的最大厚度：

式中：δ为推力头或绝缘垫最大刮削厚度，mm；L为上导测点至法兰测点的距离，mm；L1为水导测点至法兰测点的距离，mm；L2为上导测点至水导测点的距离，mm。

（2）处理法兰结合面时，需刮削或加垫的最大厚度：

式中：δφ为法兰结合面应刮削或垫入的最大厚度，mm；Jc为由法兰结合面与轴线不垂直造成水导处的曲折倾斜值，mm；Dφ为法兰盘直径，mm；Jcba为按法兰处倾斜值成比例放大至水导处的倾斜值，mm；Jca为法兰处实际倾斜值，mm。

δφ为正值时，该点法兰处应加金属垫，或在它对侧刮削法兰面；δφ为负值时，则相反。

2 智能盘车系统结构

系统结构如图1所示，由传感器、数据采集器、笔记本电脑组成。传感器是测量部件，用以替换传统盘车的百分表，一般选用非接触式电涡流传感器；采集装置主要用于将传感器信号变成数字信号，完成信号的调理和A/D转换。笔记本电脑是系统的控制中枢和分析计算中枢，用于盘车数据的分析计算，仿真模拟，以及出具调整方案等。

2.1 传感器布置传感器采用电涡流传感器，该根据检测线圈与被测导体之间的涡流效应原理进行测量，和传统百分表测量相比，具有非接触测量、精度高、抗干扰能力强等优点。

在系统中需要配置7只电涡流传感器，其中6只为测量传感器，1只为角度传感器。6只传感器中3只作为X方向传感器，放置轴瓦轴颈处并在机组1点方向，另外3只作为对照，并设置为Y方向，发安置放置轴瓦轴颈处并在机组3点方向。

2.2 数据采集器数据采集系统采用8通道数据同步采样系统，保证被测部位数据同步，采样精度为16位AD采样，同时使用差分输入方式减少干扰信号对采集系统的干扰，采集系统通过软件定时采样，采样频率为512 Hz，这样既保证了实时性又保证了CPU采样的准确性。

数据采集系统包括放大器、滤波器等在内的信号调理电路和包括多路模拟开关、采样/保持电路、A/D转换器以及接口控制逻辑电路的数据采集卡组成。

图1 系统结构

多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道中的某一路通道，让这些信号共享采样/保持电路和A/D转换等器件。多路模拟开关在控制信号作用下，按指定的次序把各路模拟信号分时地送到A/D转换（ADC）成数字信号。

该系统要求采集传感器时应采用同步采样，但是用同步采样需要8块AD采样芯片，同时控制电路也很复杂。在实现时有较大难度，本文采用一块AD采样芯片，兼顾同步性采用了分组采集（伪同步采集）方式。

2.3 数据分析与处理平台数据分析与处理平台安装在现场笔记本中，是整个系统的核心。该平台主要实现数据采集、数据处理、结果计算、报表输出，同时可以配置单盘、连盘、手动与自动盘车。

数据分析与处理平台采用DELPHI2006系统编制，该系统主要有如下功能：

盘车图功能。盘车图功能是主界面，它表达了原始盘车数据记录情况与盘车时的配置信息，在盘车过程中起到监视数据作用。它具备实时显示传感器数据，加载和保存盘车数据功能，其界面如图2所示。

图2 盘车图功能

盘车表功能。盘车表主要用于配合电厂记录数据的习惯，对盘车后数据进行表格化处理，与电厂盘车记录表格一致，界面如图3所示。

图3 盘车表功能

（3）盘车轴线图显示。盘车轴线图主要用于将测量数据通过计算绘制成空间轴线图，用于表达机组轴线倾斜方向与倾斜程度，为轴线调整提供依据。其程序截图如图4所示。

图4 盘车轴线图

（4）调整方案功能。通过数据与式（2）、式（3），可以计算出本次推力头和法兰的调整方位以及调整量，该功能主要用于轴线调整决策以及刮削绝缘垫的方法和大小，其界面如图5所示。

（5）仿真调整功能。由于在以上调整方案中是通过理论计算得到的调整量，其目的是将机组发电机轴与水轮机轴调整为一条直线，并与中轴线重合，但在实际盘车中很难达到这种理想的状态，在盘车国家标准中只要求法兰摆度与水导摆度在合理的范围之内即可，该系统开发了仿真调整功能，通过软件进行模拟仿真盘车，在软件上进行盘车调整模拟以代替实际的盘车调整尝试，这样可以减少盘车次数与大量的人工劳动，界面如下图6所示。

3 白云山一级水电站智能盘车应用

图5 调整方案界面

图6 仿真调整功能

3.1 电站及机组盘车参数简介白云山一级水电站位于江西省吉安市青原区富田镇，属长隧洞引水式发电站，电站安装有两台单机容量6.5 MW的立轴混流式水轮发电机组，装机容量 13 MW，机组设计流量 15.8 m3/s，电站首台机组 1978年并网发电。其1号机组盘车参数如表1所示。

3.2 盘车准备在上导轴颈及下导处沿着圆周划8等分线，并顺次标好对应标号。调整推力瓦受力，使镜板处于水平状态。在上导轴颈、下导轴颈，水导轴颈处，X方向和Y方向各安装一只传感器。系统在使用传感器前，要进行率定，将率定值配置到采集系统中。

3.2 第1次盘车数据与调整盘车数据如表2所示。系统自动给出的机组总轴线如图7所示。系统自动给出的调整方案如图8所示。

3.3 第2次盘车数据与调整在第1次盘车测量中发现发电机轴严重不合格（标准值为8丝），水轮机轴合格，系统建议调整方案为在3点调整2.8，2点调整2.5，1点调整1.3。通过系统手工模拟并结合建议调整方案，决定在2、3点推力头刮削1.5丝，进行第2次盘车。此次盘车结果并不理想，仅仅比第1次盘车法兰最大值小5丝，从数据来看下导全摆度数据都为正值，说明机组镜板并不水平，造成推力头刮削效果不好。因此对推力瓦进行调整，由于数据根据X方向得出，且为正值，说明机组在盘车过程中偏向X方向，故提高X方向推力瓦高度2丝，之后进行第3次盘车。

表1 白云山一级水电站1号机组盘车参数

表2 第一次盘车数据

图7 盘车机组轴线图

图8 调整方案

3.4 第3次盘车数据与调整第3次盘车结果水导轴颈处最大倾斜值为21，法兰实际最大值为8，均合乎国标。从本次盘车的结果来看，虽然镜板的水平仍然有一定的倾斜，但盘车结果已经满足了国标的要求。

4 结论

本文着重论述了智能盘车系统的体系结构，并通过对白云山一级水电站1号机组盘车试验验证了系统的适用性，准确性和有效性。通过本系统可迅速准确的得到盘车数据，自动提供机组盘车调整方案，减少了盘车工作量，提高工作效率。本文有如下结论：（1）传感器采用电涡流传感器，该根据检测线圈与被测导体之间的涡流效应原理进行测量，和传统百分表测量相比，具有非接触测量、精度高、抗干扰能力强等优点。（2）传统盘车采用8点百分表测量方式，要求机组在测量周期内必须一点一停记录数据，频繁停启尤其是采用机械绞盘或电动盘车时，较大的冲击力矩会使机组产生瞬时位移导致机组盘车测量的误差。本系统由于采用了自动测量，在机组大轴上标记了8键相块，这样机组在盘车测量过程中不需要每点一停，当通过机组转动通过键相块时，系统会自动采集并记录数据，避免了以上问题。（3）本系统同时给出理想盘车方案，目的是将发电机轴和水轮机轴调成一条直线，但在现场使用过程中发现此方法虽然计算准确但无法将水轮机组盘至一条直线的效果，尤其在盘车后期调整幅度不大的情况下，可能会出现调整过头的情况。因此结合盘车国家标准，开发了手动模拟盘车，通过在软件上的拖拉的方式将水轮机轴和发电机轴拉至国家标准，同时系统可以自动输出调整的方位和调整幅度，这样可以减少不必要的调整。（4）盘车前机组条件应满足检修要求，尤其是推力瓦水平要求，该系统在盘车过程中能通过测量计算全摆度发现推力瓦不水平的情况，并在本次盘车试验中得到的验证。

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Design and application of intelligent barring system for hydro-generating unit

LIU Rungeng1，YANG Hong2，LI Hui3，BAI Liang3，ZHANG Yufei4
（1.Jiangxi Provincial Water Conservancy Planning and Design Institute，Nanchang 330029，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；3.Institute of Water Resources＆Hydropower Engineering，Xi'an University of Technology，Xi’an 710048，China；4.Xi’an Tuorui Electrical Tecnology Co.，Ltd，Xi’an 710075，China；）

For the existing problems such as poor measuring precision，long time consumption and lack of precise adjustment ways in the traditional manual barring method.An intelligent barring system is pro⁃posed，which is capable of measuring automatically and continuously，and generating adjustment plan by it⁃self.In this paper，the structure，the principle and the function of data-processing platform are discussed. A relevant test has been implemented in Baiyunshan hydropower station.The result shows that this pro⁃posed barring system has the features of high generality，flexibility，convenience and high intelligence，practical proofs that the system is suitable for the hydropower station and maintenance company.

barring system；hydro-generating unit；maintenance

TV738

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.01.012

1672-3031（2015）01-0074-07

（责任编辑：韩 昆）

2014-10-28

国家自然科学基金项目（51209172）；陕西省教育厅专项科研计划项目（2010JK730）

刘润根（1963-），男，江西人，高级工程师，主要从事水力机械设计研究。E-mail：jsjzx@jxsly.com