灯泡贯流式机组的状态监测与故障诊断系统设计

谢永涛，刘俊俊，贾嵘，董开松

（1.西安理工大学，陕西西安　710048；2.甘肃省电力投资集团有限责任公司，甘肃兰州　730050；3.国网甘肃电力科学研究院，甘肃兰州　730050）

灯泡贯流式机组的状态监测与故障诊断系统设计

谢永涛1，刘俊俊2，贾嵘1，董开松3

（1.西安理工大学，陕西西安710048；2.甘肃省电力投资集团有限责任公司，甘肃兰州730050；3.国网甘肃电力科学研究院，甘肃兰州730050）

灯泡贯流式水力组以其可利用水头资源丰富，机组效率高等优势，广泛应用于我国中、低水头电站领域。但由于其自身结构的独特，时常导致机组在运行过程中出现非正常振动现象，威胁机组的正常运行。从其自身结构特点入手，针对灯泡贯流式机组的常见振动故障，进行测点重新布置，设计并搭建了机组振动监测与故障诊断平台，最后，对黄河河口电站的部分振动故障进行了分析，总结。

灯泡贯流式机组；振动；监测；故障诊断

近半个世纪以来，我国大力开发水电资源，其水电总装机已经达到了2.5亿kW，绝大多数流域的中高水头资源已经开发到了一定的程度，剩下的都是水头较低的资源［1-2］。学者研究表明：灯泡贯流式机组适应于低水头的水力发电场合，且单位容量投资相对较低、可利用的水头资源相对丰富、水力损失小，效率高［3-6］。我国对大、中型灯泡贯流式水轮发电机组的研制始于20世纪80年代，起步相对较晚，但截止2000年，我国已建、在建的大、中型灯泡贯流式电站单机容量30 MW以上的机组约有100台，中低水头电站约占我国水电总装机容量的16%，表1为国内大型灯泡贯流式机组主要参数表。

表1　国内大型灯泡贯流式机组主要参数表Tab.1　Main parameter table of domestic large bulb tubular units

河口水电站位于兰州市西郊黄河干流上的一座中型水电站，距上游八盘峡水电站8 km，距下游柴家峡水电站约10 km，距兰州市区约45 km，是黄河龙～青段梯级第十七座水电站。其电站的建设目的是为了响应“优化发展陕西、宁夏火电基地，因地制宜发展新能源，优化电源电网结构，实现资源合理配置，大力加强电网建设，适时实施高一级电压工程，积极推进“西北一华北等跨大区联网工程”的口号；缓解兰州地区电力供应，改善兰州地区农业灌溉。由于黄河水质条件的复杂和灯泡贯流式机组的自身结构特点导致了河口电站在实际运行过程中时常出现非正常振动现象，威胁机组正常运行。

我国的水电机组状态监测和故障诊断系统以独立装置为主，目前尚不具备网络化、智能化的要求，主要存在以下问题［7-11］：

1）系统主要集中在对机组运行参数的监测，大多监测数据对于系统可能发生的故障或者已经发生的故障进行诊断分析较为困难，特别是对于一些可能发生故障的趋势分析不到位，例如空蚀现象。

2）针对于状态监测诊断分析方法的理论研究较为深入，但缺乏实际系统的设计。

本文主要从灯泡贯流式机组自身结构特点入手，针对机组在日常运行中的常见振动故障，在Windows平台基础上设计并搭建了机组振动监测与故障诊断系统。

1　工程概况

甘肃省黄河河口水电站正常蓄水位高程1 558 m，最大坝高37 m电站总装机见表2，容量为74 MW，多年平均发电量3.85亿kW·h，水轮发电机采用4台灯泡式贯流机组，单机容量18.5 MW，其机组水轮机型号为GZTF08C-WP-720，发电机型号SFWG18.5-88/ 7820。机组具有水力条件好、效率高、流量大、体积小等特点。

表2　河口水电站水电机组基本参数Tab.2　Basic parameters of the hydropower units of Hekou Hydropower Station

2　系统结构设计

2.1测点布置

河口水电站由于水头较低，机组呈卧式布置，结构复杂，故诱发其振动故障的原因很多［12］，大多数故障或事故都可以通过振动信号来反映。综合考虑河口电站现场情况，按照对灯泡贯流式机组的振动监测要求，河口电站测点布置情况如图1所示。

图1　测点布置图Fig.1　Arrangement of measuring points

2.2系统框架

该系统基于WINDOWS环境下的DELPHI 6.0开发工具来开发的，并采用INTERNET/INTRANET和TCP/IP网络规约进行对外通讯。通过结合Windows系统独有的网络负载平衡技术和动态网络资源管理技术，来协调各单元的工作。其系统结构框架如图2所示、监测系统见图3。由图2可知，整个系统是建立在由电厂局域网、广域网和运行分析中心局域网组成的网络平台上的；由传感器、预处理机（SPU2000）、服务器以及网络交换机等部分组成。由传感器得到机组各部件的信号，经预处理机采集和转换，将所有数据传至服务器处理和保存，其他的客户机则可以使用特定软件或利用网络浏览的方式从服务器中获取数据，以实现对机组的实时监测与诊断。

2.3主要功能

系统主要具备以下分析功能：

1）工况过渡过程分析：包括开机过程、甩负荷、停机过程等工况转换过程中摆度及振动变化过程及其与机组转速、导叶开度、气隙测值等相关数据的相对关系。

2）连续时域分析显示功能：对波形进行分析，整理出时域范围内各特征数据；显示并分析轴心轨迹。

3）连续频谱分析和显示功能：对波形进行频谱分析，整理出时域范围内各特征数据，显示极坐标图、瀑布图等。

图2　系统网络结构框架图Fig.2　The system network structure frame

图3　系统监测画面Fig.3　The system monitoring screen

4）多工况相关趋势分析

在系统中，多工况相关分析是最为重要的分析工具，通过分析多个主特征参量和另外一组参考特征参量之间的相互关系，来预测机组运行状况。

5）提供趋势预报功能，根据历史数据分布特征和当前参数的变化趋势，预测参量的发展趋势，及时提示现场工作人员进行检查和深入分析诊断；

以上多种措施使得多工况相关分析可以为了解机组运行特性和查找定位故障、指导运行和调度提供有力手段。

3　实例分析

3.1涡带工况区

在试验过程中，河口电站1号机组组合轴承摆度和水导摆度随负荷变化的瀑布图如图4所示。

图4　1号机组组合轴承摆度和水导摆度随负荷变化的瀑布图Fig.4　The waterfall curve of the swing value change of 1#Unit combination bearing and turbine guide bearing with change of load

通过组合轴承摆度-频率和水导摆度-频率曲线关系可以看出在3～7 MW负荷区组合轴承和水导均存在明显的低频振动，同时在5～6 MW之间负荷区振动最为明显。

通过对3～7 MW负荷之间的机组振动数据进行分析，发现水导和组合轴承均存在明显的低频成分，约转频的0.25倍，因此可以判断3～7 MW负荷区属于涡带工况区，其中5～6 MW之间属于严重涡带工况区。

3.2高频压力脉动区

测试机组在不同负荷下尾水管进口压力脉动，其试验结果见图5所示。

图5　尾水管进口压力脉动瀑布图Fig.5　The waterfall curve of the draft tube inlet pressure pulsation

从图5尾水管进口压力脉动瀑布图中可以看出，在3.7 MW负荷之间，机组尾水管进口压力脉动存在较大的高频压力脉动成分，经过分析此时造成这种低负荷开度高频压力脉动的主要原因是由于尾水管中的尾水水压脉动造成共振，这些是由于机组本身结构和参数和运行条件等因素决定，机组在运行中应尽量避免在该工况下运行。

3.3磁拉力不平衡

将1号机组停机过程，断励磁前后振动、摆度数据记录下来，其结果如表3所示。

表3　摆度变化表Tab.3　The swing value change chart

由表3数据可知，旋转方向不平衡磁拉力使发导轴承X向振动的减小约18 μm；固定方向磁拉力引起的主轴中心线偏移在发导处偏移约35 μm，偏移方位由键相块位置逆时针转动224.42°；使组合轴承处偏移约96 μm，偏移方位由键相块位置逆时针转动104.98°；所有数据均在安全运行范围内。

4　结论

灯泡贯流式机组具有诸多技术优势，适应于中低水头电站开发，具有十分重要的工程价值，本文针对黄河河口电站的实际运行需求，设计、开发了灯泡贯流式机组的状态监测与故障诊断系统平台，并对该电站1#机组的实际运行状况进行分析，结果表明，该系统能够对机组运行趋势进行有效预估。

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（编辑李沈）

Condition Monitoring and Fault Diagnosis System Design of the Bulb Flow-Type Generator

XIE Yongtao1，LIU Junjun2，JIA Rong1，DONG Kaisong3
（1.Xi'an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China；2.Gansu Electric Power Investment Group Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，Gansu，China；3.State Grid Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730050，Gansu，China）

The bulb flow-type generator is widely used in the middle and low head hydro power field because it can utilize a large variety of hydraulic heads available and it is efficient.But due to its unique structure，abnormal vibration phenomena frequently occur in operation，causing risks to the normal operation of the generator unit.Starting from the structural characteristics of the bulb flow-type generator，this paper re-arranges the measure points，and designs and builds the vibration monitoring and fault diagnosis platform for the common vibration fault of the Bulb Flow-type Generator.Finally，some vibration faults occurred to Hekou Hydro-Power Station on the Yellow River are analyzed and summarized.

bulb flow-type generators；vibration；monitor；fault diagnosis

1674-3814（2015）11-0089-04

TV734.2

A

2015-06-22。

谢永涛（1991—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统自动化；

刘俊俊（1982—），男，工程师，硕士，主要从事水电站检修管理；

贾嵘（1971—），男，教授，硕博士生导师，研究方向为电力系统自动化；

董开松（1966—），男，高级工程师，主要从事清洁能源并网与发电。

水轮发电机组振动与局放的监测与诊断（51279161）。

Hydroelectric Generating Set Vibration and Partial Discharge Monitoring and Diagnosis（51279161）.