謝永濤，劉俊俊，賈嶸，董開松

（1.西安理工大學，陜西西安　710048；2.甘肅省電力投資集團有限責任公司，甘肅蘭州　730050；3.國網甘肅電力科學研究院，甘肅蘭州　730050）

燈泡貫流式機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設計

謝永濤1，劉俊俊2，賈嶸1，董開松3

（1.西安理工大學，陜西西安710048；2.甘肅省電力投資集團有限責任公司，甘肅蘭州730050；3.國網甘肅電力科學研究院，甘肅蘭州730050）

燈泡貫流式水力組以其可利用水頭資源豐富，機組效率高等優(yōu)勢，廣泛應用于我國中、低水頭電站領域。但由于其自身結構的獨特，時常導致機組在運行過程中出現非正常振動現象，威脅機組的正常運行。從其自身結構特點入手，針對燈泡貫流式機組的常見振動故障，進行測點重新布置，設計并搭建了機組振動監(jiān)測與故障診斷平臺，最后，對黃河河口電站的部分振動故障進行了分析，總結。

燈泡貫流式機組；振動；監(jiān)測；故障診斷

近半個世紀以來，我國大力開發(fā)水電資源，其水電總裝機已經達到了2.5億kW，絕大多數流域的中高水頭資源已經開發(fā)到了一定的程度，剩下的都是水頭較低的資源［1-2］。學者研究表明：燈泡貫流式機組適應于低水頭的水力發(fā)電場合，且單位容量投資相對較低、可利用的水頭資源相對豐富、水力損失小，效率高［3-6］。我國對大、中型燈泡貫流式水輪發(fā)電機組的研制始于20世紀80年代，起步相對較晚，但截止2000年，我國已建、在建的大、中型燈泡貫流式電站單機容量30 MW以上的機組約有100臺，中低水頭電站約占我國水電總裝機容量的16%，表1為國內大型燈泡貫流式機組主要參數表。

表1　國內大型燈泡貫流式機組主要參數表Tab.1　Main parameter table of domestic large bulb tubular units

河口水電站位于蘭州市西郊黃河干流上的一座中型水電站，距上游八盤峽水電站8 km，距下游柴家峽水電站約10 km，距蘭州市區(qū)約45 km，是黃河龍～青段梯級第十七座水電站。其電站的建設目的是為了響應“優(yōu)化發(fā)展陜西、寧夏火電基地，因地制宜發(fā)展新能源，優(yōu)化電源電網結構，實現資源合理配置，大力加強電網建設，適時實施高一級電壓工程，積極推進“西北一華北等跨大區(qū)聯網工程”的口號；緩解蘭州地區(qū)電力供應，改善蘭州地區(qū)農業(yè)灌溉。由于黃河水質條件的復雜和燈泡貫流式機組的自身結構特點導致了河口電站在實際運行過程中時常出現非正常振動現象，威脅機組正常運行。

我國的水電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)以獨立裝置為主，目前尚不具備網絡化、智能化的要求，主要存在以下問題［7-11］：

1）系統(tǒng)主要集中在對機組運行參數的監(jiān)測，大多監(jiān)測數據對于系統(tǒng)可能發(fā)生的故障或者已經發(fā)生的故障進行診斷分析較為困難，特別是對于一些可能發(fā)生故障的趨勢分析不到位，例如空蝕現象。

2）針對于狀態(tài)監(jiān)測診斷分析方法的理論研究較為深入，但缺乏實際系統(tǒng)的設計。

本文主要從燈泡貫流式機組自身結構特點入手，針對機組在日常運行中的常見振動故障，在Windows平臺基礎上設計并搭建了機組振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。

1　工程概況

甘肅省黃河河口水電站正常蓄水位高程1 558 m，最大壩高37 m電站總裝機見表2，容量為74 MW，多年平均發(fā)電量3.85億kW·h，水輪發(fā)電機采用4臺燈泡式貫流機組，單機容量18.5 MW，其機組水輪機型號為GZTF08C-WP-720，發(fā)電機型號SFWG18.5-88/ 7820。機組具有水力條件好、效率高、流量大、體積小等特點。

表2　河口水電站水電機組基本參數Tab.2　Basic parameters of the hydropower units of Hekou Hydropower Station

2　系統(tǒng)結構設計

2.1測點布置

河口水電站由于水頭較低，機組呈臥式布置，結構復雜，故誘發(fā)其振動故障的原因很多［12］，大多數故障或事故都可以通過振動信號來反映。綜合考慮河口電站現場情況，按照對燈泡貫流式機組的振動監(jiān)測要求，河口電站測點布置情況如圖1所示。

圖1　測點布置圖Fig.1　Arrangement of measuring points

2.2系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)基于WINDOWS環(huán)境下的DELPHI 6.0開發(fā)工具來開發(fā)的，并采用INTERNET/INTRANET和TCP/IP網絡規(guī)約進行對外通訊。通過結合Windows系統(tǒng)獨有的網絡負載平衡技術和動態(tài)網絡資源管理技術，來協調各單元的工作。其系統(tǒng)結構框架如圖2所示、監(jiān)測系統(tǒng)見圖3。由圖2可知，整個系統(tǒng)是建立在由電廠局域網、廣域網和運行分析中心局域網組成的網絡平臺上的；由傳感器、預處理機（SPU2000）、服務器以及網絡交換機等部分組成。由傳感器得到機組各部件的信號，經預處理機采集和轉換，將所有數據傳至服務器處理和保存，其他的客戶機則可以使用特定軟件或利用網絡瀏覽的方式從服務器中獲取數據，以實現對機組的實時監(jiān)測與診斷。

2.3主要功能

系統(tǒng)主要具備以下分析功能：

1）工況過渡過程分析：包括開機過程、甩負荷、停機過程等工況轉換過程中擺度及振動變化過程及其與機組轉速、導葉開度、氣隙測值等相關數據的相對關系。

2）連續(xù)時域分析顯示功能：對波形進行分析，整理出時域范圍內各特征數據；顯示并分析軸心軌跡。

3）連續(xù)頻譜分析和顯示功能：對波形進行頻譜分析，整理出時域范圍內各特征數據，顯示極坐標圖、瀑布圖等。

圖2　系統(tǒng)網絡結構框架圖Fig.2　The system network structure frame

圖3　系統(tǒng)監(jiān)測畫面Fig.3　The system monitoring screen

4）多工況相關趨勢分析

在系統(tǒng)中，多工況相關分析是最為重要的分析工具，通過分析多個主特征參量和另外一組參考特征參量之間的相互關系，來預測機組運行狀況。

5）提供趨勢預報功能，根據歷史數據分布特征和當前參數的變化趨勢，預測參量的發(fā)展趨勢，及時提示現場工作人員進行檢查和深入分析診斷；

以上多種措施使得多工況相關分析可以為了解機組運行特性和查找定位故障、指導運行和調度提供有力手段。

3　實例分析

3.1渦帶工況區(qū)

在試驗過程中，河口電站1號機組組合軸承擺度和水導擺度隨負荷變化的瀑布圖如圖4所示。

圖4　1號機組組合軸承擺度和水導擺度隨負荷變化的瀑布圖Fig.4　The waterfall curve of the swing value change of 1#Unit combination bearing and turbine guide bearing with change of load

通過組合軸承擺度-頻率和水導擺度-頻率曲線關系可以看出在3～7 MW負荷區(qū)組合軸承和水導均存在明顯的低頻振動，同時在5～6 MW之間負荷區(qū)振動最為明顯。

通過對3～7 MW負荷之間的機組振動數據進行分析，發(fā)現水導和組合軸承均存在明顯的低頻成分，約轉頻的0.25倍，因此可以判斷3～7 MW負荷區(qū)屬于渦帶工況區(qū)，其中5～6 MW之間屬于嚴重渦帶工況區(qū)。

3.2高頻壓力脈動區(qū)

測試機組在不同負荷下尾水管進口壓力脈動，其試驗結果見圖5所示。

圖5　尾水管進口壓力脈動瀑布圖Fig.5　The waterfall curve of the draft tube inlet pressure pulsation

從圖5尾水管進口壓力脈動瀑布圖中可以看出，在3.7 MW負荷之間，機組尾水管進口壓力脈動存在較大的高頻壓力脈動成分，經過分析此時造成這種低負荷開度高頻壓力脈動的主要原因是由于尾水管中的尾水水壓脈動造成共振，這些是由于機組本身結構和參數和運行條件等因素決定，機組在運行中應盡量避免在該工況下運行。

3.3磁拉力不平衡

將1號機組停機過程，斷勵磁前后振動、擺度數據記錄下來，其結果如表3所示。

表3　擺度變化表Tab.3　The swing value change chart

由表3數據可知，旋轉方向不平衡磁拉力使發(fā)導軸承X向振動的減小約18 μm；固定方向磁拉力引起的主軸中心線偏移在發(fā)導處偏移約35 μm，偏移方位由鍵相塊位置逆時針轉動224.42°；使組合軸承處偏移約96 μm，偏移方位由鍵相塊位置逆時針轉動104.98°；所有數據均在安全運行范圍內。

4　結論

燈泡貫流式機組具有諸多技術優(yōu)勢，適應于中低水頭電站開發(fā)，具有十分重要的工程價值，本文針對黃河河口電站的實際運行需求，設計、開發(fā)了燈泡貫流式機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)平臺，并對該電站1#機組的實際運行狀況進行分析，結果表明，該系統(tǒng)能夠對機組運行趨勢進行有效預估。

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（編輯李沈）

Condition Monitoring and Fault Diagnosis System Design of the Bulb Flow-Type Generator

XIE Yongtao1，LIU Junjun2，JIA Rong1，DONG Kaisong3
（1.Xi'an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China；2.Gansu Electric Power Investment Group Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，Gansu，China；3.State Grid Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730050，Gansu，China）

The bulb flow-type generator is widely used in the middle and low head hydro power field because it can utilize a large variety of hydraulic heads available and it is efficient.But due to its unique structure，abnormal vibration phenomena frequently occur in operation，causing risks to the normal operation of the generator unit.Starting from the structural characteristics of the bulb flow-type generator，this paper re-arranges the measure points，and designs and builds the vibration monitoring and fault diagnosis platform for the common vibration fault of the Bulb Flow-type Generator.Finally，some vibration faults occurred to Hekou Hydro-Power Station on the Yellow River are analyzed and summarized.

bulb flow-type generators；vibration；monitor；fault diagnosis

1674-3814（2015）11-0089-04

TV734.2

A

2015-06-22。

謝永濤（1991—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)自動化；

劉俊?。?982—），男，工程師，碩士，主要從事水電站檢修管理；

賈嶸（1971—），男，教授，碩博士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化；

董開松（1966—），男，高級工程師，主要從事清潔能源并網與發(fā)電。

水輪發(fā)電機組振動與局放的監(jiān)測與診斷（51279161）。

Hydroelectric Generating Set Vibration and Partial Discharge Monitoring and Diagnosis（51279161）.