水电站警报管理的优化

R.诺维茨基

水电站警报管理的优化

R.诺维茨基

高水平的警报系统对电力行业的运行维护至关重要。阐述了水电站警报管理情况，介绍了现行警报系统的运行和管理模式，提出了在报警信号处理与管理中采用故障累积方法的具体思路与方法，着重对其在旋转机械设备和水轮机机组上的应用和优缺点做了详细介绍，具有一定参考价值。

水电站运行管理；警报系统；旋转机械设备；水轮机机组

在电力行业，警报管理正逐渐成为维护作业中的核心关注点。如果是工业警报系统本身的问题，则都会有详细的文字记录，但是包括水电站在内的发电设施发生的各种安全事故，其中的原因就有不当警报产生的复杂情况以及随之而来的不当操作。警报一旦发出，运行人员就应立即响应，发现问题并采取行动以防止事件升级，将紧急停机的需求降到最低。因此，警报是一道至关重要的安全屏障。

为了确保对警报的妥善管理，国际自动化协会(ISA)于2003年最先开始编制相关标准。根据最初的标准和数年的研究工作，美国国家标准学会(ANSI)和ISA颁布了ANSI/ISA-18.2-2009 《过程工业报警系统管理》标准。依据该标准和最先进的行业最佳实践，应针对警报所固有的目标，对警报系统的性能进行连续监测和报告。

一个正常运行的警报系统应能执行以下3项重要任务。

(1) 让运行人员警觉到工况已经发生变化，或控制和/或监控系统能识别到工况变化；

(2) 让运行人员了解变化的性质，因为工艺的异常情况会触发不同严重程度的警报，这些警报也有可能因生产设备技术条件的改变而引起；

(3) 引导运行人员采取应对措施。

图1所示为警报目标，表1所列为运行人员异常情况下所应履行的主要职责。

图1 警报目标

监控系统的功能之一是报警倍增 (TM) 功能。在许多情况下，该功能是有效进行警报管理的关键

表1 异常情况下运行人员的主要职责

组件，随着当今用于水轮发电机组(HTG)先进的传感器和状态监控技术的出现，传统报警方法演变发展为TM技术，运行人员可直接关注重要的警报而不受到其他警报噪声的干扰。

1 高/低转速旋转机械系统的TM功能

采用TM设计临时提高报警设置点，通过预置增效器确定报警标准和危险标准来表示(见图2)。这些功能主要体现在旋转机械运行时的转子共振频率上，并且仅局限于转子共振效应和径向振动，当设备急加速通过运行区间时这种情况就会出现(频带宽度从低转速时的频率跨越至高转速时的频率)。当转子通过平衡共振频率时，这种不平衡的能量会带来较大的振动。有些情况下，瞬态振动会比报警门槛值要高，并且不能通过辅助的转子平衡系统得到缓解。这时，配合先进的设备，TM技术和报警延时是启动机组唯一有用的措施。

图2 取决于转速的报警级别在采用TM功能后的变化

意识到TM功能可以成功用于振动情况而不仅仅使转子失衡，对能源组织而言是非常重要的。例如，可以应用该功能为低速HTG和其他未超过共振转速速度的设备配置工况监测(CM)和保护系统(PS)。就水电站而言，存在一些因水流引起的振动问题，水流脉动的原因同机械振动的原因类似，两种根本原因为受迫振动和自激振动。可以观察到如下几种水流脉动现象。

(1) 稳定流态。在某一时段下流量始终保持在一个点上，不发生改变。

(2) 周期流态。水流中的振动以固定时间间隔的形式重复出现-周期流态引起自由的系统结构振动-产生周期性流态频率，协同系统的固有结构频率而导致自激。

(3) 不稳定流态。在该流态下，特别是某一既定点的流速和压力都随时间而变化，因此专门的测量值也会变化。

当旋转机械以远低于转子共振频率运行时，TM功能可以提高其运行的报警管理水平。

2 水电站警报管理不善实例

某水电站安装了两台可逆混流式HTG，每台装机容量200 MW。在额定转速188 r/min左右运行，并且配备有新型的状态管理系统(CMS)，该系统带有振摆监测和保护系统，还有诊断功能。监视和保护系统用来监测数据采集，并向运行人员发出警报。无高危报警信号用于驱动紧急停机装置。

当CMS投入使用，便已出台了符合国际标准化委员会的警报标准。标准中描述了从A到D的4种技术情况，这取决于主轴转子振动和转动系统的转速(如图3所示)。

图3 从主轴相关的振动和水轮发电机转速的角度评价HTG的技术条件

垂线表示在上述实例下HTG转动系统的额定转速。此时，CMS系统所确定的C与D边界上的值就是500 μm。

分析了这3台机组24 h运行下的XY方向的振动趋势，并根据图2中所提的分类标准做了严重程度的评估。在HTG运行期间，XY向振动采集值持续高于高危报警阈值，违反了报警目标，导致CMS系统失效。根据工程设备和材料用户协会的第191导则，如果报警信号持续20 h或以上，该信号应该被认定为常驻信号。在所述的水电站例子中，机组无法在最大负荷下连续工作20 h。但是，在机组运行的整个期间都存在报警信号。因此，将此信号认定为一种典型常驻报警信号是合理的，换句话说，该信号在一段重要时间内都处于活动状态。这种类型的信号可以出现在本身有故障或者质量有缺陷需要维护检修的仪器和设备上。

报警管理标准中，如果一个报警信号50%的时间都处在其所规定的范围以外，加重了运行人员的工作负担，就需要进行修正。针对本文案例，仪器设备均运行良好，那么报警限值就需要进行修正。

图4为提高CMS效率的报警管理流程。应定期对采集到的数据进行分析以确定可能需要增强的方面，错误的系统配置可能因以下原因造成。

图4 报警管理的优化方法

(1)根据“正常数据”，门槛值设定过高；

(2)采用最小值作为门槛值会导致频繁出现警报指示；

(3)采集值一直比常驻的报警信号的门槛值要高。

在本案例中，测量值始终比高危报警信号的阈值高。因此，最直接的方法是抬高报警阈值。这虽然违背了标准推荐的办法，但是可以明确潜在的原因，防止情况恶化。否则，运行人员必须通过分析采集到的数据和其他维护工具依赖CMS资产管理，并改变资产管理规则。

如果不迅速采取措施优化HTG的动态性能，就没有理由保留先前设置的报警规则，所以必须进行调整。调整不成功，将会导致报警优化失败，延误运行。

针对此案例的处理措施非常简单。需要对监测系统的报警规则进行调整，以完善对机组的维护管理工作。改善的结果就是让振动值回落到ISO所规定的范围内。将XY的报警值由500 μm调高至600 μm或650 μm可以很大程度缩短报警信号出现的时间。

尽管新的高危报警规则可能已经满足了正常稳定运行的需求，但依然没有解决机组开机过程中报警信号出现的问题。在这些初始工况下，转子的最大振动位移可达到800 μm，随后伴随着一个缓慢下降的过程。

通过引入TM功能可进一步优化报警规则。TM功能由机组(或电站)的控制系统提供(如图5所示)。可以通过由分散式控制系统(DCS)所驱动的继电器输出的二进制信号(图中下方箭头所指部分)，或者使用CMS和DCS之间的数字接口(图中上方箭头所指部分)启停。

图5 采用DCS控制的监控系统的TM功能

图6 监控系统自动控制的TM功能

图6中所示的报警规则来源于已知的机组异常情况。报警规则的改进必须进行报警阈值的重新设置，并使用TM功能以应对开机后12 min的振动上升过程。采用这种组合的方法进行报警管理，可以消除在运行XY向的振动持续报警。

3 TM功能的应用和实施情况

并非所有的CMS都内置了TM功能。更多的情况下，TMMAX=3，同时分辨率TMRes=1。针对水轮机械系统的应用，这一分辨率已足够，但还不足以应对水轮机本身，此外，高分辨率可以确保系统配置精度较高。

通过DCS控制对于TM执行系统并用于水电站运行(图5)，但有些先进的CM和PS，可以通过监控系统自动启动该功能。

4 结 语

需要运行人员对各种警报采取措施或者引起注意。因此，报警合理化是一种经过验证的报警管理技术，可以减少运行人员的工作负担，以提高运行人员的反应能力。CM和PS中的高危报警信号的调试工作必须由报警合理化工作组、维护人员以及仪表专家来主导完成。

最终，报警合理化能够减轻运行人员的工作负担，分辨出无效的报警信息，通过提升运行人员对报警信号的信任度来增强系统的完备性，从而降低错过关键报警信号的可能性，最重要的是运行人员能够更加迅速、一致并有效地作出反应。

张卓然 邹 瑜 译

(编辑：朱晓红)

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2017-01-20

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