水轮发电机组无人值守状态监测系统开发与应用

毕启亮，王绍兴，薛子萱，唐慧颖

（1.天津机电职业技术学院，天津300350；2.中海油田服务股份有限公司，天津300450）

中国是世界上水电资源最丰富的国家之一，水电在中国国民经济建设中发挥着巨大的作用。随着互联网技术和新一代信息技术的不断发展，互联网向制造业不断渗透，新的服务模式相继出现，降低设备维修成本和提升设备的稳定可靠性已经作为提升企业经济效益的重要手段[1-2]。

近年来国内多数水电站已经安装了现地机组在线监测系统[3]，但状态检修在实际工程应用中，并未得到很好的应用[4]。由于受地域、人力和技术的限制，监测数据大多没有得到最大程度的利用。一方面，因为不能有针对性地进行现场技术服务，造成服务力量浪费的问题屡见不鲜；另一方面因为服务力量不足，无法做到随叫随到，故障往往无法获得及时有效的诊断和维修，导致设备停止运行的严重后果。因此，开展水轮发电机组无人值守状态监控系统研究对实时了解发电机组的运行状态，提高机组状态监测的实效性，降低服务成本，提高水电站的安全经济运行能力有着非常重要的现实意义。

基于此，天津机电职业技术学院联合天发总厂机电设备有限公司，围绕水力发电机组，以提高发电机组状态监测的实效性，降低服务成本为目标，基于传感器技术、信息技术、数据分析等理论方法，开展了面向个性服务的状态监控技术研究，开发了发电机组无人值守状态监测系统，为发电设备的管理提供强有力的技术支撑，有效降低了企业运营成本，并促进了企业两化融合的深入推进。

1 监测内容与监测点设计

水电机组属于大型低速旋转机械，结构复杂，生产成本很高[5]。为了更好地保障其工作性能，监测机组的稳定性尤为重要。机组的稳定性主要取决于机组的振动大小。水利发电工程因其环境较为恶劣，机组振动不可避免。绝大部分的振动故障均是由机械、电气、流体等多种原因引起的，同时电磁干扰及机组固有动力学响应均对机组振动产生影响[6]。

1.1 监测内容设计

为了确保机组的稳定性，必须将机组振动控制在限定阈值内，监测系统数据源的精准度是首先要考虑的。监测项目及监测点的设计就决定着采集信号的准确度以及诊断结果的可信度，是非常重要的环节。

基于机组的结构特性及运行工况来安装传感器，统一原则是选取机组上能够表现运行状态最佳的位置。监测点的布置既要充分考虑状态监测、数据分析以及故障诊断的需要，又要从经济的角度考虑，监测点应尽可能的少。

根据国标中对于水轮发电机组监测的规定，在符合水电机组运行的水力、机械及电气等特性基础上，根据机组结构特点，选择基本监测项目，包括压力、压力脉动（灯泡头压力脉动、尾水管压力脉动、转轮室压力脉动等）、机架和结构振动（包含灯泡头X、Y振动、发导径向振动、水导及转轮室径向轴向振动等）、各导轴承摆度（包含受油器X、Y向摆度、发导轴承摆度、水导摆度等）。监测内容如表1所示。

1.2 设备运行状态与测点的对应关系

支架、支撑振动：采集信号包括水导轴承振动、组合轴承振动、定子铁芯振动及受油器振动等。根据数据分析诊断可直接警示支架松动、裂纹等多种故障，以及水力对机械结构振动的影响。同时，也能够研判支架振动的影响范围以及变化趋势，进而评估设备的使用寿命。

轴承：传感器以正交的方式安装，采集信号包括水导，发导X、Y向摆度，进出口油温，轴承各瓦温及径向振动等。通过采集信号的数值（如相位、频率、幅值）变化可提前预警轴承润滑不良、不对中、间隙过大或过小等潜在问题。

大轴轴线：可以反映大轴轴线状态的数据源包括发导X、Y向摆度，水导X、Y向摆度，键相信号等监测信号。通过反映大轴截面轴心轨迹的空间轴线图，能够获取大轴的重心偏移、空间运动等参数，进而掌握大轴的动静态弯曲状态。

过流部件：水力因素是造成水机振动的最主要原因，故水压脉动的测量是关键，包括滚道进口水压、尾水管进口水压等信号。

通过水压及脉动值的变化可掌握水力激振对机组稳定性的影响，提前预警过流部件的缺陷及损伤，为设备维护管理提供技术支持。

此外，通过对开停机和稳态运行过程中发导X、Y向摆度，发导X、Y向振动等信号的处理，可获取转子质量不平衡状态，为动平衡配重提供依据。

对变励磁过程中发导X、Y向摆度，发导X、Y向振动，定子基座振动X、Y、Z向振动等参数的分析，确定是否存在电磁拉力不平衡，并对可能原因作定性判断，为配重和转子圆度调整提供检修指导。

对水导X、Y向摆度，水导轴承基座X、Y向振动等参数特定频率成分在不同水头、不同开度条件下的分析，确定是否存在水力不平衡，并对可能原因作定性判断，为转轮检修提供检修指导。

2 系统结构与组成

监控系统由计算机、网络设备、现地盘柜和现地传感器等组成。系统采用模块化设计，其系统结构组成图如图1所示。不同规模的电站配置的监测内容可能比完全监测内容有所减少，但是其系统结构仍可参考图1。

现地传感器层负责将监控项目的物理信号转化为电信号，传输到数据中心。现地盘柜层通过以太网和数据服务器连接。各状态监测子系统从数据中心提取数据并进行分析，以图形、表格、文字等形式统一存储到数据服务器。WEB/应用服务器通过与数据服务器的交互，将监测数据（包括实时数据和历史数据）、分析诊断结果等发布给用户。系统定期提供状态发展趋势及评价报告等。

3 系统功能实现

3.1 状态监测与显示

该模块下，系统对机组的运行状态进行实时监测，并以文字、图形、数字、表格等多种展示形式，将机组的运行状态显示在对应的窗口。用户根据终端显示，以此作为设备检修维护工作开展的依据。监测显示参数如表2所示。

监测画面从不同的角度，分层次展现机组的状态信息，包括机组概貌图、轴心轨迹图、数值表图、压力脉动图、棒图比较图、水力能量参数监测图、机架振动图、短时趋势跟踪监测、空间轴线图、轴向振动图等。

实时棒图监测图如图2所示。

3.2 数据分析功能

面向现场专业工程师或者行业内专家，系统将存储在服务器中的的数据，通过分析，以文字、波形图、趋势图、轨迹图、脉动图、棒图、数值表等丰富的形式展示，帮助工程师分析研判机组的运行状况，有利于用户及时发现故障。功率谱图如图3所示，实时轴线姿态轨迹图如图4所示。

图4 实时轴线姿态轨迹图

3.3 智能化分析诊断功能

面向电站的管理人员和运行人员，以简洁高效的形式为其提供设备的实时数据报告、状态预警及历史趋势分析报告。实现自动在线生成试验报告，做到“试验一结束，报告即生成”。趋势检查自动报告如图5所示，机组振摆/压力脉动特性评价报告如图6所示，发电机质量不平衡故障分析报告如图7所示。

图5 趋势检查自动报告

图6 机组振摆/压力脉动特性评价报告

图7 发电机质量不平衡故障分析报告

3.4 报警保护功能和预警功能

遵循从实际出发的原则，采取多样的报警规则设置程序，在报警限值的选择上对不同机组采取个性设计，实现“一机一策”的报警策略。一旦测值发生超过阈值的变化，或者达到限定值，这时提示需要及时采取措施。

当机组振动、摆度、局部放电量等关键参数未达到报警级别，但是由于机组缺陷导致上述参数存在趋势变化，可以使用趋势预警功能及早发现该问题。报警状态窗口如图8所示。

图8 报警状态窗口

4 结束语

文章从传统装备制造业在数字化转型过程中的需求出发，面向水利枢纽工程，开展了水轮发电机组无人值守状态监控技术研究，强化了在自动化、实用化方面的分析诊断技术，可随时掌握机组的运行状况，做到应修必修，有效促进了企业信息化进程，保障水利发电工程安全平稳运行。

通过状态监控系统获得运行数据，可远程指导解决现场问题，有针对性地进行现场技术服务，有效解决售后服务力量不足以及服务力量浪费等问题。同时通过机组变化趋势分析，能更合理地安排机组的检修周期，有效提高企业对设备的管理能力，降低运营成本。

文章研究成果将支持对同一类型设备的相关数据进行横向比较，统一分析，助力制造企业维护指导能力提升以及技术的改进。