机组状态监测系统在大唐国际水电站的应用

90 机组状态监测系统 在大唐国际水电站的应用 摘要 随着大唐国际水电事业的快速发展和一些大中型水电站的建成 探索 无人值班 集中控制 点检定 修 的水电管理理念 水电机组状态监测技术在大唐国际得到了快速的推广应用 并取得了良好的效果 本文 从状态监测系统监测项目的选择 系统结构 功能定位等方面介绍了大唐国际实施状态监测系统的情况 并介 绍了大唐国际在实施水电机组状态监测技术方面多年积累的探索性经验 希望可为各大中型电站规划 设计 选型和实施状态监测系统时能提供借鉴作用 关键词 水轮发电机组 状态监测 稳定性 1 概述 随着大唐国际水电开发的快速推进 大唐国际一些大中型和特大型水电站已经建成或正在建设 之中 这些电站的建设和投运 对机组的安全 稳定 经济运行提出了更高的要求 对机组的运行 管理和检修维护模式需要进行创新和变革 作为强有力的技术支持手段 实施机组状态监测有利于 机组的安全稳定运行 有利于电厂管理模式的变革和创新 目前 建立完整的状态监测系统在技术 上已经成熟 国内众多水电厂的实践经验表明 开展机组状态监测取得了良好的效果 这已成为行 业内的普遍共识 因此 在大唐国际各水电站实施机组状态监测是必然的选择 同时 利用最新网 络技术 将各电站状态监测数据实时传送至大唐国际各生产管理部门和技术支持单位 可实现对机 组状态远程监测和分析诊断 为大唐国际水电生产经营集约化管理提供技术基础 目前 大唐国际所属的在运水电站基本上配套安装了机组状态监测系统 在建机组也已进行了 配套采购 筹建项目在设计阶段就提出了关于实施机组状态监测的明确要求 从已投运的电站实施 效果看 状态监测系统在及时发现故障隐患 避免破坏性事故的发生 分析和掌握机组的运行特性 指导机组运行和检修维护 辅助进行各项性能试验 提高电厂数字化和网络化水平等方面可发挥很 好的作用 2 状态监测项目的选择 随着现代传感器技术和信号处理技术的提高 水电机组状态监测技术得到了快速发展 监测对 象可涉及到水轮机 发电机 变压器及电站主要辅助设备 监测内容覆盖了机组的振动 摆度 压 力脉动 空化与效率 发电机气隙 局部放电 磁通量等等 为此 大唐国际根据各水电站机组的 容量 结构特点 运行规律和自身经济承受能力 合理选择监测项目 统筹规划 量力务实 对于 单机容量较小的机组 一般只监测振动 摆度和压力脉动等稳定性参数 而对于彭水 戈兰滩等大 中型水电站 则配置尽可能多的监测内容 实现对机组的全方位监测 2 1 机组稳定性监测 91 振动 摆度与压力脉动是表征机组稳定性的直接信号和稳定与否的判据 强烈的振动将影响水 轮机组的正常运行 并降低机组和一些部件的使用寿命 当引起厂房 压力管道的共振和机组出力 波动时 机组则无法正常运行 因而振动 摆度与压力脉动成为评价机组运行状态的重要指标 通 过对水轮发电机组的振动 摆度和压力脉动等稳定性信号进行在线监测 有利于了解机组的运行特 性 优化机组运行 及时发现故障和指导机组检修 我国已相应制定了多部国家和行业标准 从机 组基本技术条件 机组安装 启动 运行和现场测试等方面对机组振动的要求和等级做出了详细规 定 大唐国际也已制订了相应的振动管理导则 明确要求所有机组必须安装振动在线监测系统 目 前大唐国际已投运和在建的水电机组均配套安装了稳定性在线监测系统 2 2 发电机空气间隙监测 水轮发电机定子与转子之间的空气间隙由于制造质量 安装工艺等因素 还有运行时定转子结 构部件受到电磁力和离心力的作用 设计选定的气隙值在机组安装 试运行以后往往会发生变化 不均匀的气隙将直接影响发电机的电气特性和机械性能的稳定 通过在线监测发电机定 转子间空 气间隙 可以及时掌握发电机运行过程中定子的变形趋势和大小 以及转子磁极的松动和结构变形 通过检查气隙不均匀性 可以检验发电机制造 安装和维修质量 由于气隙不均匀会导致磁拉力不 平衡 引起振动 故气隙监测还可作为机组振动监测的辅助分析工具 因此对发电机气隙进行监测 具有重要的实际应用价值 目前 发电机气隙监测已经成为水电机组状态监测系统的一个重要组成 部分 已有成熟实用的产品 并广泛得到应用 目前 大唐国际在建的单机容量大于 100MW 的水 电机组都配置了空气间隙监测系统 2 3 发电机局部放电监测 局部放电是发生在高压定子绕组绝缘中的小电火花 在高压绝缘系统中 在绝缘内部小空隙里 或者在绝缘的表面都有可能发生局部放电 在通常情况下 质量良好的定子绕组在良好的工作条件 下仅有少量的局部放电发生 然而 50 多年的经验表明 由于绕组长期受高温 高电压 振动以 及油污 潮湿和化学物质的作用 定子绕组绝缘将不断恶化 其产生的局部放电将呈十倍或更高的 速率增长 同时局部放电又加速了绕组绝缘的恶化 因此 通过监测局部放电可有效监测定子绕组 的绝缘 根据近年来的事故统计表明 发电机定子绕组绝缘故障占总事故的 40 以上 其中大部分是由 局部放电造成的 而通过安装局部放电监测系统 可在发电机正常运行的情况下及时在线评估绕组 的绝缘状态 掌握绕组内部绝缘可能出现的恶化情况 并能提前给出绕组绝缘故障的故障风险预报 避免突发性故障的发生 同时 通过局部放电监测系统 还可以辅助发现导致绝缘故障的主要原因 所以 在线局部放电监测是预知维修和辅助维修非常有用的工具 目前 大唐国际在建的单机容量 大于 100MW 的水轮发电机都配置了的发电机局部放电监测系统 2 4 发电机磁通量监测 大量的定子绝缘故障及转子绕组故障都会伴随着对应空间位置的磁通量变化 正是基于这一原 理 可以通过检测发电机定转子间隙中的磁通量来分析定转子的电气状态 探知发电机电磁不平衡 例如 当某一磁极发生匝间短路 则当这个磁极掠过磁通量传感器位置会比其它磁极所产生的磁通 量更小 从而明确地定位此故障 又如通过长期监测定子某一位置的磁通量 通过分析其变化规律 可判断定子线棒有无放电 短路等故障 同时对于磁极松动等转子机械故障也可以精确地检测 具 有很好的实用性 为了有效地进行诊断 通常把磁场强度监测与气隙监测结合起来一并考虑 可以 判断不平衡是由电气故障还是由不均匀的空气间隙引起的 一台机组一般只需配置一个磁通量测点 目前 大唐国际在部分大机组上配套了发电机磁通量监测系统 92 3 系统构成 状态监测系统可以是一个相对独立的监测单元 也可以是全厂网络化的集成监测系统 各电站 可以一次规划整体实施 也可以统筹规划分步实施 从状态监测技术的发展和电厂数字化 网络化 信息化的发展来看 采用具有综合分析功能 网络化和集成化程度高的机组状态监测系统已经成为 各水电厂的共识 对于单机容量较小的机组 由于一般只监测振动 摆度和压力脉动等稳定性参数 同时电站 网络条件有限 一般采用相对独立的稳定性监测分析单元 监测单元一般带有分析和存储功能 通过高速采集各种传感器的波形数据 通过 FFT 变换等数据处理方式进行特征提取 实现时域 幅值域 频域 时差域 传递特性等信号分析 获取较为全面的动态信息 包括幅值 相位 频 率 振动波形 轴心轨迹和振动趋势等 并能存储长期的历史数据和实现事故追忆 这些系统一 般均能提供波形 频谱 轴心轨迹 趋势分析 瀑布图等专业分析工具 对分析机组状态和事故 诊断具有较大帮助 对于大中型水电站 则采用网络化和集成化程度高的机组状态监测系统 整套状态监测系统由 传感器 数据采集单元 数据服务器 WEB 服务器及相关网络设备 软件等组成 采用分层分布 式结构 典型系统是大唐国际彭水水电站机组状态监测系统 图 1 是彭水水电站机组状态监测系统 网络图 全厂状态数据服务器和工程师工作站及相关网络设备等控制站设备安装在电站中控室 通 过 WEB 服务器与电站 MIS 系统通信 每台机组配置一面标准屏柜 安装在发电机层 在屏柜配置 有数据采集单元 液晶显示器及辅助设备 实现对机组相关监测参数的采集 处理 分析 以图形 图表 曲线等直观的方式在计算机屏幕显示器上显示 同时将数据通过网络被传至状态数据服务器 供进一步的状态监测分析和诊断 该系统还预留了接口 将来实现对主变 GIS 等系统的状态监测 分析和诊断 图 1 TN8000 状态监测系统网络 图 93 4 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 我们认为 现阶段的状态监测系统 还只是为现场人员进行机组状态分析提供分析 和诊断工具 还没达到想象中的理想化的全智能诊断系统 因此在规划时要有适当的定位 而不能 脱离现实 大唐国际状态监测系统主要功能定位如下 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 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 辅助发现异常原因 指导检修 远程分析与诊断 由于投运初期电厂缺乏状态监测与状态检修的专业人才 为充分发挥系统作 用 必须将机组的状态信息通过网络实时传送至大唐国际生产管理部门和技术支持单位 通过远程 94 监测和分析诊断 上级主管部门可实时掌握机组的运行状态 指导机组运行和检修维护 辅助电厂 处理各种疑难故障 满足水电生产集约化管理的需要 5 实施状态监测的主要环节 水电机组状态监测系统的实施是一个系统化的工程 为保证系统的正常投运和长期稳定地发挥 作用 综合大唐国际多年的经验 我们认为主要要抓好以下几个环节 5 1 尽量在建设阶段同步实施 在电站建设阶段 同步实施机组状态监测系统 具有以下几方面的优点 可以根据监测系统的 需要布置相应的测点和相关监测参数 并统筹规划所有设备的布置位置 网络方式 保证状态监测 系统规划的全面 完整和统一 有利于状态监测系统与主机的配合 协调 与计算机监控系统的通 讯和系统集成 便于现场施工安装调试 有利于在机组投产试运阶段参与完成各项试验和机组性能 评估 早投入早受益 并为日后状态监测系统更好地发挥作用创造条件 如大唐国际龙马水电站 1 机组在建设阶段同步安装了北京华科同安公司的 TN8000 振动摆度监测分析系统 利用该系统的在 线试验功能方便地完成了各种稳定性常规试验 特别是在现场调试时为解决机组上导摆度较大的问 题 利用此系统进行了动平衡试验 分两次共 80Kg 对机组进行了配重 使上导摆度从 360um 降到 100um 以下 对应上导瓦温降低了 5 使 1 机组得以顺利投运 解决了现场实际困难 节约了试 运成本 取得了很好效果 5 2 抓好设备配置和选型 在进行测点的选择和配置时 应根据机组特点进行优化 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 在设备选型时 按照可靠性 实 用性 针对性 开放性 先进性和集成化高的原则 选择适用于机组特点的设备 在选择传感器时 尽量采用国内外著名厂商生产的并有较多应用业绩的产品 同时要充分考虑水轮机组的特点 使得 选用的传感器具有针对性和适用性 在选择数据采集单元时应采用成熟可靠 有良好低频信号处理 能力 并已在工业现场得到长期实践考验的产品 5 3 制订配套的管理制度 机组状态监测系统不仅对水电站设备管理工程师提出了更高的专业技术要求 而且需要有配套 的管理制度作为保障 如果没有配套的管理制度 将最终会导致状态监测系统无法充分地发挥作用 为此 中国大唐集团公司制订了水电振动技术管理工作规定 大唐国际严格执行此规定 将设专人 负责对全公司所属电站状态监测管理监督工作 并要求每个电站设专人负责机组状态监测系统的维 护和使用 大唐国际还将定期组织相关的培训工作和所属电站专业人员的技术交流活动 提高各电 站专责的专业水平 各电站专责每日需对状态监测的数据进行分析 对异常数据要及时上报上级领 导并编写状态分析报告 提出分析 处理意见 每月做一次电站所有机组运行状态的分析 汇总当 月机组状态分析报告 对机组运行的安全性作出评估 对需要处理的设备提出处理意见 建立电站 状态监测数据台帐 以备随时调用 保证设备运行状况的可追溯性 负责状态监测设备的维护 保 证监测设备各部件正常稳定运行 我们相信随着管理制度的完善 各电站必将习惯状态监测系统的 使用 就象对待生产设备一样重视 从而有力地推动了状态监测系统在大唐国际的应用 保障机组 安全稳定的运行 为实现水电站 无人值班 集中控制 点检定修 的管理模式打下坚实基础 6 结语 95 随着大唐国际水电事业的快速发展和一些大中型水电站的建成 水电机组状态监测技术在大唐 国际得到了快速的