基于计量数据应用的汽轮发电机状态在线感知与诊断系统

慕慧娟，马晓春(新疆维吾尔自治区计量测试研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概述汽轮发电机状态在线感知与诊断系统

1.1 系统构成

系统由下位机(数据采集箱)、上位机(服务器)、网闸等几个部分组成，每台汽轮发电机组分别配置1台下位机，两台下位机可共用一个上位机(服务器)。

系统的下位机安装在机柜中，为便于维护和调试，机柜内配置一台482.6 mm(19”)LCD和键盘。原来TSI系统安装的振动传感器不需要任何改动，不影响TSI系统的正常工作，从TSI系统的缓冲输出采集振动和键相等信号，利用主机模块完成与各数据采集子模块和上位机的通讯功能。

下位机(数据采集箱)框架内除了必须配置2个电源模块和1个主机模块外，还有12个模块可以根据监测对象需要进行配置[1]。系统架构示意图如图1所示。

图1 系统架构示意图

键相模块：作为整周期采样同步信号，必须安装，2路。

振动量模块：可测量轴振、瓦振、轴向位移和胀差，4路。

过程量模块：可测量温度和负荷等4～20 mA信号，24路。

系统的上位机(服务器)通过一条以太网线与下位机通讯，除了完成振动数据存储和信号分析功能外，还实现了可视化监测、故障自动诊断、故障处理建议。

1.2 系统主要功能

(1)低速盘车时晃度监测。在大机组低速盘车时监测各转子的晃度，可以纠正长期以来根据单个偏心判断所有转子是否存在热弯曲的误区，还可以判断转子是否存在初始弯曲和永久弯曲，测量表明是否存在机械缺陷，是否存在电磁干扰，轴系是否对中，转子是否有效顶起，机组检修情况，机组是否可以冲转等。相关趋势分析如图2所示。

图2 相关趋势分析

(2)轴承圆周振幅监测。在轴承上安装两个电涡流传感器时，通过计算，可以得到轴承圆周方向任意角度转子的振动情况，可以确定轴承圆周振动的极值，为机组保护、振动分析、故障诊断和故障处理提供更有效的依据，如报警阈值的设置、不平衡位置确定、轴承刚度下降和松动等。

(3)转子在轴承中位置监测。实时监测转子在轴承中的位置，可以分析盘车和启停机时转子是否顶起，顶轴系统是否工作正常，轴承是否磨损、轴瓦是否松动，轴系是否对中，轴系是否存在碰摩的可能以及碰摩的位置，阀序和阀门开度是否合理以及调整方向，热膨胀是否合理，油质劣化、轴瓦断油，振动和瓦温变化与转子负载的关系等。轴系位置图如图3所示[2]。

图3 轴系位置图

2 机组状态可视化

2.1 事件列表

汽轮发电机组轴系可视化智能实时监控系统能够显示事件发生的时间和事件类型。时间清单如图4所示。

图4 时间清单

2.2 趋势分析

系统可分析任一个或多个参量相对某个参量的变化趋势，其中横轴和纵轴可任意选定，时间段可任意设定。

3 三维可视化动态实时监测

汽轮发电机组轴系可视化智能实时监控系统可以通过对发电机组轴系各种动静间隙的实时计算，结合三维实际效果图，可视化显示轴承各间隙的变化，结合机组的振动水平，根据最小间隙与相应位置设计间隙的比值自动识态，全面反映转子顶起高度、转子在轴承中的位置、油膜厚度，并以不同颜色显示。生动形象、准确可靠地判断常见的碰磨、松动、不平衡、不对中、油膜涡动、汽流激振、部件脱落等故障，具备颜色报警功能，并自动推出故障部位。还能够剔除振幅计算时直流部分的影响，防止误报和漏报。以监视图、棒表、数据表格、曲线等方式实时显示所监测的数据和状态，能够自动识别盘车、升降速、定速、带负荷和正常运行等状态。系统独创性的可视化功能，对电厂运行人员来说有两大关键作用：

(1)在机组启动前进行一些十分关键又容易忽视的条件确认。如转子顶起高度、轴系晃动度是否满足机组安全启动条件，可视化画面都给出了具体数值，通过数据定性直观分析，可以提前发现机组存在的一些潜在危险源，避免事故的发生和扩大化。

(2)对于机组整体的运行状况，系统也给出了综合判断，划分为优秀、良好、合格各等级，通过不同的颜色进行显示。运行人员只需要观察可视化画面颜色变化，即可以在第一时间发现机组运行状态变化，并且可以直接获取机组故障的结论和运行指导建议，大大降低了电厂人员掌握汽轮发电机组振动分析处理的难度。对一些隐蔽性较强(故障发生但是振动幅值变化不明显)的故障，系统可视化功能具有独一无二的优势。

3.1 振动和转速

可视化监测图如图5所示。其中B1～B8表示第1到第8号轴承，大写的X、Y和V分别表示轴承水平方向、垂直方向轴振和垂直方向瓦振，单位是μm，正常字体颜色是黑色，超过警告值是黄色(为了对比，背景改为灰色)，超过危险值是红色，左边中部显示转速，单位是rm-1，并显示转动方向。转动体下方是轴向位移和胀差，单位是mm，正常色块颜色是黑色，超过警告值是黄色，超过危险值是红色。

图5 可视化监测图

3.2 轴系监测

如上图所示，在图形中下部显示汽轮发电机和发电机转子组成的轴系状态，转子、动叶和发电机等转动部分用黑色表示，转动的快慢与转速有关，转速越高，转动越快。壳体和隔板等静止部分用白色表示，各种密封状态用七种颜色表示，除了停机时用黑色表示外，其他运行状态对应不同颜色，如表1所示。

表1 运行状态下的对应颜色

与目前常用的三级分类相似，优秀和良好可看作正常，可以长期运行；合格和警告可看作警告，可以在加强监测的情况下运行；危险和建议停机处理可看作危险，需要查找原因，调整运行参数或停机处理。

3.3 轴承状态监测

如上图所示，系统在图形下方显示各轴承的状态，轴承的形状与轴承类型有关。轴承油膜的颜色与密封状态一样，用七种颜色表示。大写X、Y是传感器位置，小写x、y是物理水平与垂直方向坐标。小写x、y后而的数字是转子中心在轴承中的偏移量(以物理坐标为基准)，同时显示合成后的大小和角度(以x轴正方向起点为零度，逆时针旋转)。

4 诊断分析

根据故障机理和现场诊断经验，分析汽轮发电机组常见振动故障存在的充要条件，通过对实时和历史数据的全面分析，根据通频振幅和各频段振幅、相位的大小和变化趋势，计算常见振动故障的充要条件的可信度，结合影响故障的因素，确定故障的严重程度，以图形方式直接显示故障结论和变化趋势，使得所有用户都可以根据系统的诊断结果判断机组的状态。汽轮发电机组故障诊断知识库和算法库由专家提供，在系统后台运行和维护，不需要用户去掌握复杂的振动信号分析方法。

5 应用效果

汽轮发电机状态在线感知与诊断技术是轮发电机设备正常高效运行的保障，而技术的应用主要是基于汽轮发电机中的在线监测系统与监测装置，根据汽轮发电机的状态与质量，基于在线监测与诊断技术可以实现对整体系统的有效监测效果。

5.1 可以实现对机组安全事故的有效防御

基于在线监测技术可以实现对汽轮发电机运行状态的监测，而监测中所积累的信息数据可以为在线状态维修与事故预测提供依据，进而很好的实现对安全事故的预测。在线监测技术引入到汽轮发电机中之后，其电网安全事故得到了有效的防御效果，许多事故都由于得到了提前的预测与解决被避免，为中国的电力系统发展奠定了基础。

5.2 实现对汽轮发电机的在线实时监测效果

汽轮发电机在运行过程中容易出现各种状态的变化及相关故障情况，而通过该技术的应用不仅有效的实现了对设备的监测，同时也很好的实现了对设备运行寿命的分析，避免了由于设备问题而出现的影响正常运行的情况，提高了设备的使用效率与使用质量。

5.3 为状态维修提供了方向依据

状态维修技术是指在针对设备运行过程中可能出现的问题采取预防性措施就被称为状态维修，而维修的重点技术对其运行状态进行诊断与分析，明确设备运行过程中的故障原因与故障性质，然后分析其出现程度与设备的未来使用寿命。而通过在线监测技术可以实时的获取设备运行状态信息，对于设备未来可能出现的问题有着预判效果，同时也为其状态维修操作提供了方向依据[3]。

6 结语

随着现代信息科技的高速发展，数据已经成为企业发展的基础依据和有效工具，对企业的壮大起到了非常重要的作用。计量数据采集与应用不仅能在现代高要求的压力下为企业赢得更多新的发展机遇。同时，计量数据采集和应用也能高效帮助企业实现公司内部所有领域的有效管理，也能最大程度地服务好企业外部的其他领域，获得最新的发展咨询，让运行处在稳定的状态，同时获得更好的发展。