機組運行設備診斷維護高效管理模式實施研究

當前我國大中型水電廠遵照原電力部1996年484號文的精神，正朝著“無人值班(少人值守)”的管理模式發(fā)展，根據(jù)部頒《水電廠“無人值班”(少人值守)的若干規(guī)定》，抓緊設備的技術更新改造，提高水電廠的安全經(jīng)濟運行管理水平和綜合自動化的程度。機組運行設備狀態(tài)及其穩(wěn)定性對電廠、電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行至關重要，及早發(fā)現(xiàn)設備存在的隱患和缺陷，有針對性地進行設備的維護保養(yǎng)，實施以預測性維修體制，加強管理，將給電廠及電網(wǎng)帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。為此，在現(xiàn)有機組運行設備的基礎上，特別是大型水輪發(fā)電機組，研究實施設備的狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)水電廠運行設備診斷與維護高效管理，是十分迫切而又極為重要的任務。
　　本文在FDI系統(tǒng)應用推廣的基礎上［1］，根據(jù)我國大型水輪發(fā)電機組運行設備的特點和管理形式，從實際出發(fā)，結(jié)合電力系統(tǒng)和水電廠運行的實踐，特別是在已經(jīng)或正在實施的監(jiān)控系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)(即MIS系統(tǒng))的大中型水電廠，研究提出一個水電廠大型水輪發(fā)電機組運行設備監(jiān)測診斷、維護、管理(含調(diào)度)的集成化系統(tǒng)，以適應當前我國大電網(wǎng)的運行特點及發(fā)展，并供我國大中型水電廠實施“無人值班(少人值守)”的管理模式借鑒。

1　集成化的布置模式［2］
　　所謂集成化，就是將機組運行設備監(jiān)測診斷、維護和管理（含調(diào)度)三者集成為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，從而在整體上獲得高性能、高利用率、高效益。監(jiān)測診斷、維護和管理集成化是大電網(wǎng)高效能量管理的體現(xiàn)，也是電網(wǎng)調(diào)度自動化的發(fā)展趨勢。
　　實現(xiàn)以大型水電廠水輪發(fā)電機組運行設備為主的監(jiān)測診斷、維護和管理的集成化主要是在建立實施設備狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的基礎上與電廠的生產(chǎn)調(diào)度和管理信息系統(tǒng)(MIS系統(tǒng))接口，實行電廠(或公司)維護管理領導決策，同時 通過廣域通訊接口到網(wǎng)、省局電力調(diào)度控制系統(tǒng)或系統(tǒng)診斷分析中心，實現(xiàn)電網(wǎng)高效能量管理，既遵循電力生產(chǎn)規(guī)律，實現(xiàn)電網(wǎng)高效率運行，又適應電力市場的原則。建立現(xiàn)代化電力運營機制，應建立大型水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的具體布置形式如圖1所示。

　　該系統(tǒng)的總體布置由信號源、信號輸入、狀態(tài)監(jiān)測、診斷系統(tǒng)、信號通訊、管理與調(diào)度等部分組成。狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)是總體布置的主體結(jié)構(gòu)。信號源是基于機組運行設備監(jiān)測診斷需要獲取的設備(即水輪機及過流部件、導軸承及推力軸承、發(fā)電機及定轉(zhuǎn)子絕緣、調(diào)速器及勵磁、潤滑油油質(zhì)及其他設備等)信號以及機組監(jiān)控系統(tǒng)的有關信號。由設備狀態(tài)監(jiān)測裝置進行信號采集及處理將選擇和檢測的機組狀態(tài)信號進行信號分析，輸入診斷分析系統(tǒng)，特征提取，對比識別，然后作出預測診斷，決策判斷機組運行設備的好壞，壽命長短，是否停機檢修或更新改造或改變機組運行條件。但是，該系統(tǒng)真正實施應用于現(xiàn)場，達到監(jiān)測診斷、維護與管理的目的，還必須做大量的工作，解決幾個關鍵技術問題，即測點的選擇與布置、信號分析與處理、特征信號提取與故障類型的確定以及建立一個準確可信的專家系統(tǒng)等。

2　監(jiān)測點的選擇與布置
　　監(jiān)測點的選擇與布置是取得機組運行設備狀態(tài)信號的重要環(huán)節(jié)，其監(jiān)測點的合理性、準確性以及數(shù)量多少取決于機組運行性能的設計、設備結(jié)構(gòu)特點和使用的規(guī)律性，直接影響到信號采集真實性和整個系統(tǒng)的診斷分析、決策判斷的可信度。
　　水輪發(fā)電機組特別是大型水輪發(fā)電機組由于型號、結(jié)構(gòu)的不同，加上運行工況變化多樣，比較復雜，給監(jiān)測點的選擇與布置帶來較大的困難。下面以豎式水輪發(fā)電機組為主，簡略介紹機組運行設備監(jiān)測點的選擇與布置的原則和要求［3］。
2．1　要優(yōu)化監(jiān)測點
　　優(yōu)化原則是監(jiān)測點布置的最基本的原則。從設備監(jiān)測角度來說，少是很重要的，但也要考慮它的必要性、可能性及實際應用。監(jiān)測點布置應在滿足診斷的基礎上選擇最有代表性、最能捕捉運行設備狀態(tài)的監(jiān)測點，或最接近于設備運行故障的監(jiān)測點。
2．2　要符合水力特性
　　大型水輪發(fā)電機組的水力穩(wěn)定性對機組的安全運行影響是很大的，這是水輪發(fā)電機組的固有特性。主要是水輪機及其過流部件的渦殼、頂蓋、壓力鋼管、導水葉(含固定、活動導水葉)及尾水管的壓力和壓力脈動，其值大小取決于監(jiān)測點的位置。所以應根據(jù)機組的水力特性，正確選擇水輪機及其過流條件的最大壓力及壓力脈動的測點位置。
2．3　要符合旋轉(zhuǎn)機械特性
　　水輪發(fā)電機組運行的穩(wěn)定性能，既涉及到機組的水力特性和電氣特性，又涉及機組的機械特性。水輪發(fā)電機組屬于低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機械設備，因此，在監(jiān)測點布置時，應考慮機組的低速旋轉(zhuǎn)機械的特點，并結(jié)合機組的水力和電氣干擾因素，綜合、合理、準確地選擇機組振動、擺度、間隙的監(jiān)測點位置。
2．4　要符合設備結(jié)構(gòu)特點
　　機組運行設備結(jié)構(gòu)的變化，將影響機組的正常運行，降低機組運行效率及設備壽命。因此，在監(jiān)測點布置上，還應根據(jù)運行設備的結(jié)構(gòu)特點、故障征兆及機組運行性能進行正確選擇。這一原則不但有利于監(jiān)測設備運行狀態(tài)，而且便于診斷評估設備的趨勢及壽命。
2．5　要符合發(fā)電機電氣特性
　　影響水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性運行的電氣干擾也是監(jiān)測診斷的重要參數(shù)。在監(jiān)測點選擇與布置時應根據(jù)發(fā)電機電氣特性和結(jié)構(gòu)綜合分析。在考慮發(fā)電機負序電流或三相負荷電流不平衡所引起的相間不平衡時，應選擇相電壓、相電流、負序電流等參數(shù)的監(jiān)測點；在考慮發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子絕緣問題時應注意選擇定、轉(zhuǎn)子和繞組的溫度以及監(jiān)測絕緣的監(jiān)測點。
　　另外，涉及機組運行設備測點還有反映機組負荷特性的定、轉(zhuǎn)子電流、電壓、功率等；上下游水位、流量、機組的液位(含軸承油位和水壓水位)以及勵磁調(diào)節(jié)參數(shù)等監(jiān)測點的選擇和布置［4］，與常規(guī)試驗測點或機組監(jiān)控系統(tǒng)的測點沒有多大變化。

3　監(jiān)測信號的分析與處理
　　設備運行狀態(tài)信號的取得，是設備診斷技術的基本任務，通過對信號的分析與處理，才能識別設備的運行狀態(tài)，揭示設備問題的本質(zhì)原因，因此分辨信號的性質(zhì)，進行信號的分析與處理是至關重要的。
3．1　機組的信號特性
　　水輪發(fā)電機組運行設備狀態(tài)信號是由周期信號、非周期信號和隨機信號組成的，其中低頻隨機信號是機組運行的固有特性，由于水輪發(fā)電機組的這一特性，加上反映機組運行設備狀態(tài)周期性較長，在信號采集和處理上既有它的難度又有它的特殊性。例如，在采樣周期選擇上，要合理地選擇，提高采樣數(shù)據(jù)精度，以數(shù)量經(jīng)濟的時域數(shù)據(jù)獲取準確可靠的譜分析數(shù)據(jù)，盡量減少譜線泄漏，避免柵欄效益；應對機組振動、擺度和壓力脈動信號進行整周期采樣。為了分析到較低次諧波，需非周期采集及軟件上實現(xiàn)整周期細化功能，來提高譜分析范圍；在數(shù)據(jù)采集速度上，在提高A／D板數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸速度的基礎上要采取先進的數(shù)據(jù)處理技術；在信號處理上，應注意低頻隨機信號的處理。
3．2　機組的信號分析
　　由于運行設備的結(jié)構(gòu)特點和性能不一樣，反映其設備的信號、特征、征兆也就不相同，就其設備信號分析的基本功能也是有差異的。通常通用機械設備的系統(tǒng)信號分析基本功能包括時域、幅值域、頻域、時差域傳遞特性等信號分析(如圖2所示)。它既適用確定性信號(含周期信號及非周期信號)的分析，又適用于隨機信號的分析。

　　水輪機發(fā)電機組在系統(tǒng)信號分析中，不但包括通用機械設備的信號分析功能，還有自己獨特的信號分析功能。圖3表示了大型水輪發(fā)電機組運行設備的信號分析基本功能圖。考慮到機組監(jiān)測內(nèi)容的不同，在常規(guī)的主機信號分析基本功能中根據(jù)需要可相應增加機組軸系系統(tǒng)、過渡過程、發(fā)電機氣隙、油膜厚度、溫度趨勢、線棒絕緣，以及潤滑油質(zhì)等信號分析功能。

4　特征信號與故障類型
4．1　機組特征信號的獲取
　　機組運行設備狀態(tài)特征信號的獲取是故障診斷的基礎，特征信號獲取的正確與否，直接影響到預測診斷的效果。通過監(jiān)測機組運行設備各種運行方式下的信號和各種狀態(tài)參數(shù)來識別機組運行狀態(tài)，獲取和分析機組運行的特征信號，提取征兆，才能對機組運行設備和性能進行診斷。
　　機組運行狀態(tài)特征信號一般有兩種表現(xiàn)形式，一是以能量方式表現(xiàn)出來的特征信號，另一種是物態(tài)形式表現(xiàn)出來的特征信號。對于 能量形式的特征信號(如振動、擺度、壓力、溫度、位移、電壓、電流等)，可以在時域中提取征兆，也可以在頻域、幅值域或相位域提取征兆；對于物態(tài)形式的特征信號裂紋、煙霧、油質(zhì)等，可以采用特定的物理或化學分析方法(如探傷分析、超譜分析等)提取征兆。通常水輪發(fā)電機組特征信號是以能量形式表現(xiàn)為主的，以頻率作為運行設備結(jié)構(gòu)的重要特征，常見的水輪機發(fā)電機組特征頻率［4］［5］。

f2=50　Hz　 3水輪機導葉頻率f3=nr.Z1／60Z1—導葉數(shù) 4水輪機轉(zhuǎn)輪葉片頻率f4<