机组运行设备诊断维护高效管理模式实施研究

当前我国大中型水电厂遵照原电力部1996年484号文的精神，正朝着“无人值班(少人值守)”的管理模式发展，根据部颁《水电厂“无人值班”(少人值守)的若干规定》，抓紧设备的技术更新改造，提高水电厂的安全经济运行管理水平和综合自动化的程度。机组运行设备状态及其稳定性对电厂、电网的安全经济运行至关重要，及早发现设备存在的隐患和缺陷，有针对性地进行设备的维护保养，实施以预测性维修体制，加强管理，将给电厂及电网带来显著的经济效益和社会效益。为此，在现有机组运行设备的基础上，特别是大型水轮发电机组，研究实施设备的状态监测与诊断系统，实现水电厂运行设备诊断与维护高效管理，是十分迫切而又极为重要的任务。
　　本文在FDI系统应用推广的基础上［1］，根据我国大型水轮发电机组运行设备的特点和管理形式，从实际出发，结合电力系统和水电厂运行的实践，特别是在已经或正在实施的监控系统和管理信息系统(即MIS系统)的大中型水电厂，研究提出一个水电厂大型水轮发电机组运行设备监测诊断、维护、管理(含调度)的集成化系统，以适应当前我国大电网的运行特点及发展，并供我国大中型水电厂实施“无人值班(少人值守)”的管理模式借鉴。

1　集成化的布置模式［2］
　　所谓集成化，就是将机组运行设备监测诊断、维护和管理（含调度)三者集成为一个统一的系统，从而在整体上获得高性能、高利用率、高效益。监测诊断、维护和管理集成化是大电网高效能量管理的体现，也是电网调度自动化的发展趋势。
　　实现以大型水电厂水轮发电机组运行设备为主的监测诊断、维护和管理的集成化主要是在建立实施设备状态监测与诊断系统的基础上与电厂的生产调度和管理信息系统(MIS系统)接口，实行电厂(或公司)维护管理领导决策，同时 通过广域通讯接口到网、省局电力调度控制系统或系统诊断分析中心，实现电网高效能量管理，既遵循电力生产规律，实现电网高效率运行，又适应电力市场的原则。建立现代化电力运营机制，应建立大型水轮发电机组状态监测与诊断系统的具体布置形式如图1所示。

　　该系统的总体布置由信号源、信号输入、状态监测、诊断系统、信号通讯、管理与调度等部分组成。状态监测与诊断系统是总体布置的主体结构。信号源是基于机组运行设备监测诊断需要获取的设备(即水轮机及过流部件、导轴承及推力轴承、发电机及定转子绝缘、调速器及励磁、润滑油油质及其他设备等)信号以及机组监控系统的有关信号。由设备状态监测装置进行信号采集及处理将选择和检测的机组状态信号进行信号分析，输入诊断分析系统，特征提取，对比识别，然后作出预测诊断，决策判断机组运行设备的好坏，寿命长短，是否停机检修或更新改造或改变机组运行条件。但是，该系统真正实施应用于现场，达到监测诊断、维护与管理的目的，还必须做大量的工作，解决几个关键技术问题，即测点的选择与布置、信号分析与处理、特征信号提取与故障类型的确定以及建立一个准确可信的专家系统等。

2　监测点的选择与布置
　　监测点的选择与布置是取得机组运行设备状态信号的重要环节，其监测点的合理性、准确性以及数量多少取决于机组运行性能的设计、设备结构特点和使用的规律性，直接影响到信号采集真实性和整个系统的诊断分析、决策判断的可信度。
　　水轮发电机组特别是大型水轮发电机组由于型号、结构的不同，加上运行工况变化多样，比较复杂，给监测点的选择与布置带来较大的困难。下面以竖式水轮发电机组为主，简略介绍机组运行设备监测点的选择与布置的原则和要求［3］。
2．1　要优化监测点
　　优化原则是监测点布置的最基本的原则。从设备监测角度来说，少是很重要的，但也要考虑它的必要性、可能性及实际应用。监测点布置应在满足诊断的基础上选择最有代表性、最能捕捉运行设备状态的监测点，或最接近于设备运行故障的监测点。
2．2　要符合水力特性
　　大型水轮发电机组的水力稳定性对机组的安全运行影响是很大的，这是水轮发电机组的固有特性。主要是水轮机及其过流部件的涡壳、顶盖、压力钢管、导水叶(含固定、活动导水叶)及尾水管的压力和压力脉动，其值大小取决于监测点的位置。所以应根据机组的水力特性，正确选择水轮机及其过流条件的最大压力及压力脉动的测点位置。
2．3　要符合旋转机械特性
　　水轮发电机组运行的稳定性能，既涉及到机组的水力特性和电气特性，又涉及机组的机械特性。水轮发电机组属于低转速旋转机械设备，因此，在监测点布置时，应考虑机组的低速旋转机械的特点，并结合机组的水力和电气干扰因素，综合、合理、准确地选择机组振动、摆度、间隙的监测点位置。
2．4　要符合设备结构特点
　　机组运行设备结构的变化，将影响机组的正常运行，降低机组运行效率及设备寿命。因此，在监测点布置上，还应根据运行设备的结构特点、故障征兆及机组运行性能进行正确选择。这一原则不但有利于监测设备运行状态，而且便于诊断评估设备的趋势及寿命。
2．5　要符合发电机电气特性
　　影响水轮发电机组稳定性运行的电气干扰也是监测诊断的重要参数。在监测点选择与布置时应根据发电机电气特性和结构综合分析。在考虑发电机负序电流或三相负荷电流不平衡所引起的相间不平衡时，应选择相电压、相电流、负序电流等参数的监测点；在考虑发电机定、转子绝缘问题时应注意选择定、转子和绕组的温度以及监测绝缘的监测点。
　　另外，涉及机组运行设备测点还有反映机组负荷特性的定、转子电流、电压、功率等；上下游水位、流量、机组的液位(含轴承油位和水压水位)以及励磁调节参数等监测点的选择和布置［4］，与常规试验测点或机组监控系统的测点没有多大变化。

3　监测信号的分析与处理
　　设备运行状态信号的取得，是设备诊断技术的基本任务，通过对信号的分析与处理，才能识别设备的运行状态，揭示设备问题的本质原因，因此分辨信号的性质，进行信号的分析与处理是至关重要的。
3．1　机组的信号特性
　　水轮发电机组运行设备状态信号是由周期信号、非周期信号和随机信号组成的，其中低频随机信号是机组运行的固有特性，由于水轮发电机组的这一特性，加上反映机组运行设备状态周期性较长，在信号采集和处理上既有它的难度又有它的特殊性。例如，在采样周期选择上，要合理地选择，提高采样数据精度，以数量经济的时域数据获取准确可靠的谱分析数据，尽量减少谱线泄漏，避免栅栏效益；应对机组振动、摆度和压力脉动信号进行整周期采样。为了分析到较低次谐波，需非周期采集及软件上实现整周期细化功能，来提高谱分析范围；在数据采集速度上，在提高A／D板数据转换和数据传输速度的基础上要采取先进的数据处理技术；在信号处理上，应注意低频随机信号的处理。
3．2　机组的信号分析
　　由于运行设备的结构特点和性能不一样，反映其设备的信号、特征、征兆也就不相同，就其设备信号分析的基本功能也是有差异的。通常通用机械设备的系统信号分析基本功能包括时域、幅值域、频域、时差域传递特性等信号分析(如图2所示)。它既适用确定性信号(含周期信号及非周期信号)的分析，又适用于随机信号的分析。

　　水轮机发电机组在系统信号分析中，不但包括通用机械设备的信号分析功能，还有自己独特的信号分析功能。图3表示了大型水轮发电机组运行设备的信号分析基本功能图。考虑到机组监测内容的不同，在常规的主机信号分析基本功能中根据需要可相应增加机组轴系系统、过渡过程、发电机气隙、油膜厚度、温度趋势、线棒绝缘，以及润滑油质等信号分析功能。

4　特征信号与故障类型
4．1　机组特征信号的获取
　　机组运行设备状态特征信号的获取是故障诊断的基础，特征信号获取的正确与否，直接影响到预测诊断的效果。通过监测机组运行设备各种运行方式下的信号和各种状态参数来识别机组运行状态，获取和分析机组运行的特征信号，提取征兆，才能对机组运行设备和性能进行诊断。
　　机组运行状态特征信号一般有两种表现形式，一是以能量方式表现出来的特征信号，另一种是物态形式表现出来的特征信号。对于 能量形式的特征信号(如振动、摆度、压力、温度、位移、电压、电流等)，可以在时域中提取征兆，也可以在频域、幅值域或相位域提取征兆；对于物态形式的特征信号裂纹、烟雾、油质等，可以采用特定的物理或化学分析方法(如探伤分析、超谱分析等)提取征兆。通常水轮发电机组特征信号是以能量形式表现为主的，以频率作为运行设备结构的重要特征，常见的水轮机发电机组特征频率［4］［5］。

f2=50　Hz　 3水轮机导叶频率f3=nr.Z1／60Z1—导叶数 4水轮机转轮叶片频率f4<