水电厂实施状态监测的关键技术

1、水电厂实施状态监测的关键技术郑松远（北京华科同安监控技术有限公司）摘要： 状态监测作为状态检修的技术核心，在很多水电厂得到了推广应用，但由于缺乏对水电站状态监测的深入认识，使得状态监测无法满足状态检修的需要。本文结合笔者多年积累的经验，从监测参数选取、传感器选择、特征信号提取、监测系统功能定位及监测系统构成等方面详细阐述了水电厂实施状态监测的关键技术，供水电站在规划、设计、选型和实施状态监测系统时提供借鉴作用。主题词： 水电机组 状态监测 状态检修1、概述随着电力体制改革的不断深入，“网厂分开、竞价上网”工作的推行，发电企业正面临前所未有的挑战，如何转变观念，切实加强管理、降本增效、提高企业的

2、竞争力成为发电企业所要解决的紧迫任务和重要课题，而推行状态检修就是一种有效途径。要实施状态检修，首先必须实现状态监测。因此，状态监测作为状态检修的技术核心，在很多水电厂得到了推广应用，更多水电厂正在规划实施状态监测，越来越多的新建电站在设计时就包含了状态监测系统。但由于缺乏对水电站状态监测的深入认识，很多水电站尽管安装了很多监测系统，但仍然无法全面掌握电厂主设备的运行状况，显然无法满足状态检修的需要。本文结合笔者多年积累的经验，从监测参数选取、传感器选择、特征信号提取、监测系统功能定位及监测系统构成等方面阐述水电厂实施状态监测的关键技术，希望在水电站规划、设计、选型和实施状态监测系统时能提供借

3、鉴作用。2、监测参数选取随着计算机技术、信息检测与处理技术、传感器技术、故障诊断技术的快速发展和现场应用经验的不断积累，水电厂设备的状态监测内容从最早的水轮机组的振动、摆度和脉动监测分析，推广到发电机气隙监测分析、磁场强度监测分析、局部放电监测分析、油色谱监测分析、汽蚀监测分析，监测对象涉及到水轮机、发电机、主变等水电厂主要设备和各种辅助设备，为状态检修奠定了良好的技术基础。监测参数的选择与布置是获取机组运行状态信号的重要环节，其选择和布置是否合理将直接影响信号采集的真实性以及数据分析和故障诊断的可信度。一般来讲，测点的选择和布置取决于机组的设计运行性能、设备的结构特点和机组的运行规律本身机组

4、的特点。 在进行测点的选择和配置时，应该对测点进行优化。这是测点选择和布置的基本原则。从经济的角度考虑，测点应尽可能的少，但同时也必须充分考虑状态监测、分析以及故障诊断地需要。在进行测点的选择时，应在满足状态监测、分析和故障诊断的基础上，选择最有代表性、最能准确捕捉运行设备状态的监测点。测点的选择和布置要符合水电机组运行的四个特性，即水力特性、机械特性、设备结构特点及电气特性。机组稳定性监测参数机组稳定性监测参数包括：机架振动、大轴摆度、压力脉动、抬机量、瓦温、油温、油位等。典型的机组稳定性监测系统侧点配置图：摆 度上导X向摆度、上导Y向摆度、下导X向摆度、下导Y向摆度、水导X向摆度、水导Y向

5、摆度、振 动上机架水平X/Y振动、上机架垂直振动、下机架水平X/Y振动、下机架垂直振动、顶盖水平X/Y振动、顶盖垂直振动压力脉动蜗壳进口压力、尾水管进出口压力脉动、顶盖下压力脉动、活动导叶进出口压力抬机量、键相来自监控系统信号各导轴承瓦温、油温、油位、冷却水温等工况参数有功功率、无功功率、励磁电压/电流、导叶/浆叶开度、水头能量监测参数包括水轮机有效出力（功率）、蜗壳测流断面上的压差水头、水轮机蜗壳进口水头、水轮机尾水管出口水头、水轮机有效水头。通过上述参数可以计算得到水轮机过机流量、水轮机效率、水轮机扭矩、水轮机单位流量等参数。发电机空气间隙与磁场强度监测参数各磁极实时空气间隙、最小空气间隙

6、及其磁极号、发电机定转子不圆度、转子中心与定子中心偏移量。各磁极磁场强度实时波形及最大磁场强度。各磁极空气间隙及磁场强度变化曲线。发电机局部放电监测参数各相放电量、放电相位、放电次数主变油色谱监测参数监测六种故障气体（包括氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔和一氧化碳）的浓度（PPM）。3、传感器选型传感器的可靠、准确与否，将直接影响到状态监测系统的可信度。所以，在选择传感器时在充分考虑水电机组特点的基础上选择可靠的产品，使得传感器具有针对性和适用性。选择和使用一次传感元件（包含传感器和变换器）时，应注意以下几个方面：根据水电站机组运行设备信号输出的特点，即低频随机信号的特点，选择高精度高输出性能优的

7、低频传感器。由于机组运行转速较低，传感器的频响范围一般应控制在02KHz。在筛选传感器时，尽量选择符合要求的性能好的传感器（精度、重复性、线性度、迟滞、灵敏度、零漂）。根据使用条件及周围环境选择传感器。机组运行设备在线监测要求传感器在使用时安全稳定，长久耐用、准确可靠地反映设备运行状态。水电厂状态监测最主要的传感器有摆度传感器、机架振动传感器、压力脉动传感器、气隙传感器。根据美国石油学会标准振动、轴向位置和轴承温度监测系统（API670）和我国电力行业标准水轮发电机组振动监测装置设置导则（DL/T556-94）的要求，测量大轴摆度的传感器一般应采用电涡流传感器。实际上，世界上从事旋转机械振动监

8、测的著名公司无一例外均采用涡流传感器来测量轴的径向振动，在中国电力行业都有大量的应用业绩。但对于某些机组，上导摆度的测量由于受到上导测量部位励磁引线的影响，电涡流传感器输出信号存在严重失真现象，为此在该部位摆度的测量必须采用抗电磁干扰强的电容传感器。摆度传感器建议采用国外高性能的传感器，同比国内或国外杂牌传感器，其具有精度高、互换性好、线性度高、零漂温漂小和可靠耐用的优点。 对于水轮机组来说，低频振动是其固有的特性，所以，水轮机组的固定部件的低频振动测量一直是个难点，其传感元件选择不当将直接影响到测量效果。用于测量水轮机组固定部件振动的传感器有加速度传感器合速度传感器两种。加速度传感器尽管其频

9、响下限很低，但是由于水轮机组固定部件振动的加速度很小，导致加速度传感器的信号输出极其微小，导致无法分辨信号与干扰，造成很大测量误差，从很多采用加速度测量机架振动的水电厂反馈信息来看也基本如此，故水电厂一般不宜采用加速度传感器来测量机架振动。加速度传感器一般应用于频率较高或有较大冲击的地方，如定子铁芯振动的测量。因此机架振动测量一般需采用速度传感器，而国外从事机组振动监测的几家主流厂家生产的速度传感器，其频响下限都比较高，一般在4Hz以上，不能满足低频测量的要求，国内部分厂家针对水电机组特点生产的低频振动传感器，其低频特性较好，并且已在国内众多的水电工程上应用，实践证明其性能稳定可靠。因此，机架

10、振动的测量建议采用国产低频速度传感器，而不能一味强求采用进口传感器。压力脉动传感器通常采用压力变送器，不同于一般的压力测量，压力脉动的测量不仅要求所选变送器具有很高的测量精度，而且要求具有良好的动态特性以满足实时监测的要求。同时，由于部分测点存在负压，所选变送器必须满足负压区的压力及脉动测量。气隙传感器通常采用平板电容传感器，不同厂家不同性能的传感器价格相差很大，由于气隙传感器价格昂贵，部分水电厂从经济角度出发采用价格较低的传感器；部分状态监测系统生产厂家在投标时为了降低投标额也喜欢推荐价格较低的传感器。由于气隙传感器是粘贴在定子内壁上，粘贴后不易拆卸，且大量机组安装时只能在大修转子吊出后才能

11、进行，因此，一旦某个传感器出现故障，基本上就无法更换，因此，笔者建议在气隙传感器的选型时要尽量采用高性能的且在国内有广泛应用业绩的传感器。4、特征信号提取机组运行设备状态特征信号的获取是反映机组运行状态的基础，特征信号获取的正确与否，直接影响到预测诊断的效果。实施机组状态监测与诊断就是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、维护与管理。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（含振动、摆度、压力、

12、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（台探伤分析、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的。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，由于水轮机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，应合理选择采样周期，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

13、谱线泄漏，避免栅栏效益。为此应对机组振动、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，需在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，同时还要采用和加强低频滤波、相关滤波以及混合滤波技术。水电机组的状态监测涉及机组的水力特性、机械特性、设备结构特点和电气特性，是多学科多系统的知识综合，对水电机组的有关设备进行状态监测时，必然涉及到国内外各种不同专业公司的监测系统，因此要实现设备特征信号的提取，首先必须将各种系统进行集成，使之成为一个有机的整体，才能综合提取

14、反映机组状态的信息，以满足水电厂实现状态监测乃至状态检修的需要。在提取机组特征信号时，考虑到水电机组运行的特点和故障特征必须引入机组工况分析方法。机组工况分析是水力发电机组的固有特性，也是机组运行设备状态分析的重要环节。通过机组工况分析，不但能准确为机组的安全稳定运行提供可靠的信号数据，而且有利于对机组运行的故障类型和失效原因进行有效地分析。通常机组运行时（或运行试验时），可进行以下工况分析：空载无励变转速工况、空载额定转速变励磁工况、变负荷工况、甩负荷工况、调相工况和稳定工况。5、状态监测系统功能定位状态监测作为状态检修的技术核心，其最终目的是为状态检修服务，根据状态监测系统获得的机组特征信

15、号，实时了解机组运行状态变化，确定机组是否存在异常，发生异常时辅助分析异常原因并指导检修。但需要指出的是，状态监测系统不是万能工具，不是部分水电厂想象中的理想化的全智能诊断系统，机组一有异常就能自动给出准确的故障定位，它仅仅是为现场人员进行机组状态分析提供分析和诊断工具。实时监测：以各种直观易懂的图形或表格显示机组各部件运行状态，便于运行人员或检修人员实时了解机组各部件运行状态。预警报警：状态监测系统必须能根据ISO、IEC、GB等国内外有关水轮发电机组性能指标评价标准、主设备供货厂商提供的性能保证值和现场运行经验，建立各工况下的报警定值和样本数据，实时自动判断机组运行状态，当状态发生变化时，

16、及时发出报警和预警信号，便于运行人员第一时间掌握机组异常信息，避免异常进一步扩散。指导运行：利用状态监测系统自动积累的数据，建立机组稳定运行工况库和不稳定运行工况区，指导机组在稳定工况下运行。性能评估：状态监测系统应具有各种试验功能，自动记录各种试验数据，并形成相关试验曲线和报告，反映机组稳态特性和过渡过程特性；自动生成检修前后各种状态报告，以评价检修效果；利用系统提供工具定期制作性能曲线，监测各部件性能变化，及时发现机组异常、缺陷和故障。指导检修：利用系统积累的在线监测数据，及时发现机组缺陷，合理安排小修、大修和扩修；利用系统提供的各种分析诊断工具，对机组异常信息进行深入分析，辅助发现异常原

17、因，指导检修。6、状态监测系统构成随着信息检测技术和传感器技术的发展，状态监测对象从水轮机组发展到发电机、变压器，从主要设备发展到辅助设备，监测内容从机组稳定性监测，发展到发电机状态监测（气隙监测、磁场强度监测、局部放电监测）、水轮机汽蚀监测、主变油色谱监测等。电厂应根据其设备的结构特点、机组的运行规律和自身经济承受能力，选择监测项目。状态监测系统可以是一个相对独立的监测单元，如机组稳定性监测单元、发电机气隙监测单元，也可以是全厂网络化的集成监测系统（如图1）。电厂可以一次性投资安装所有监测项目，也可以统筹规划，实施时根据经济状况由小到大进行逐渐扩展。状态监测系统构成7 结语水电机组的状态监测作为