R.諾維茨基

水電站警報管理的優(yōu)化

R.諾維茨基

高水平的警報系統(tǒng)對電力行業(yè)的運行維護至關(guān)重要。闡述了水電站警報管理情況，介紹了現(xiàn)行警報系統(tǒng)的運行和管理模式，提出了在報警信號處理與管理中采用故障累積方法的具體思路與方法，著重對其在旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備和水輪機機組上的應(yīng)用和優(yōu)缺點做了詳細介紹，具有一定參考價值。

水電站運行管理；警報系統(tǒng)；旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備；水輪機機組

在電力行業(yè)，警報管理正逐漸成為維護作業(yè)中的核心關(guān)注點。如果是工業(yè)警報系統(tǒng)本身的問題，則都會有詳細的文字記錄，但是包括水電站在內(nèi)的發(fā)電設(shè)施發(fā)生的各種安全事故，其中的原因就有不當警報產(chǎn)生的復(fù)雜情況以及隨之而來的不當操作。警報一旦發(fā)出，運行人員就應(yīng)立即響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)問題并采取行動以防止事件升級，將緊急停機的需求降到最低。因此，警報是一道至關(guān)重要的安全屏障。

為了確保對警報的妥善管理，國際自動化協(xié)會(ISA)于2003年最先開始編制相關(guān)標準。根據(jù)最初的標準和數(shù)年的研究工作，美國國家標準學(xué)會(ANSI)和ISA頒布了ANSI/ISA-18.2-2009 《過程工業(yè)報警系統(tǒng)管理》標準。依據(jù)該標準和最先進的行業(yè)最佳實踐，應(yīng)針對警報所固有的目標，對警報系統(tǒng)的性能進行連續(xù)監(jiān)測和報告。

一個正常運行的警報系統(tǒng)應(yīng)能執(zhí)行以下3項重要任務(wù)。

(1) 讓運行人員警覺到工況已經(jīng)發(fā)生變化，或控制和/或監(jiān)控系統(tǒng)能識別到工況變化；

(2) 讓運行人員了解變化的性質(zhì)，因為工藝的異常情況會觸發(fā)不同嚴重程度的警報，這些警報也有可能因生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)條件的改變而引起；

(3) 引導(dǎo)運行人員采取應(yīng)對措施。

圖1所示為警報目標，表1所列為運行人員異常情況下所應(yīng)履行的主要職責。

圖1 警報目標

監(jiān)控系統(tǒng)的功能之一是報警倍增 (TM) 功能。在許多情況下，該功能是有效進行警報管理的關(guān)鍵

表1 異常情況下運行人員的主要職責

組件，隨著當今用于水輪發(fā)電機組(HTG)先進的傳感器和狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)報警方法演變發(fā)展為TM技術(shù)，運行人員可直接關(guān)注重要的警報而不受到其他警報噪聲的干擾。

1 高/低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)的TM功能

采用TM設(shè)計臨時提高報警設(shè)置點，通過預(yù)置增效器確定報警標準和危險標準來表示(見圖2)。這些功能主要體現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)機械運行時的轉(zhuǎn)子共振頻率上，并且僅局限于轉(zhuǎn)子共振效應(yīng)和徑向振動，當設(shè)備急加速通過運行區(qū)間時這種情況就會出現(xiàn)(頻帶寬度從低轉(zhuǎn)速時的頻率跨越至高轉(zhuǎn)速時的頻率)。當轉(zhuǎn)子通過平衡共振頻率時，這種不平衡的能量會帶來較大的振動。有些情況下，瞬態(tài)振動會比報警門檻值要高，并且不能通過輔助的轉(zhuǎn)子平衡系統(tǒng)得到緩解。這時，配合先進的設(shè)備，TM技術(shù)和報警延時是啟動機組唯一有用的措施。

圖2 取決于轉(zhuǎn)速的報警級別在采用TM功能后的變化

意識到TM功能可以成功用于振動情況而不僅僅使轉(zhuǎn)子失衡，對能源組織而言是非常重要的。例如，可以應(yīng)用該功能為低速HTG和其他未超過共振轉(zhuǎn)速速度的設(shè)備配置工況監(jiān)測(CM)和保護系統(tǒng)(PS)。就水電站而言，存在一些因水流引起的振動問題，水流脈動的原因同機械振動的原因類似，兩種根本原因為受迫振動和自激振動?？梢杂^察到如下幾種水流脈動現(xiàn)象。

(1) 穩(wěn)定流態(tài)。在某一時段下流量始終保持在一個點上，不發(fā)生改變。

(2) 周期流態(tài)。水流中的振動以固定時間間隔的形式重復(fù)出現(xiàn)-周期流態(tài)引起自由的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動-產(chǎn)生周期性流態(tài)頻率，協(xié)同系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)頻率而導(dǎo)致自激。

(3) 不穩(wěn)定流態(tài)。在該流態(tài)下，特別是某一既定點的流速和壓力都隨時間而變化，因此專門的測量值也會變化。

當旋轉(zhuǎn)機械以遠低于轉(zhuǎn)子共振頻率運行時，TM功能可以提高其運行的報警管理水平。

2 水電站警報管理不善實例

某水電站安裝了兩臺可逆混流式HTG，每臺裝機容量200 MW。在額定轉(zhuǎn)速188 r/min左右運行，并且配備有新型的狀態(tài)管理系統(tǒng)(CMS)，該系統(tǒng)帶有振擺監(jiān)測和保護系統(tǒng)，還有診斷功能。監(jiān)視和保護系統(tǒng)用來監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，并向運行人員發(fā)出警報。無高危報警信號用于驅(qū)動緊急停機裝置。

當CMS投入使用，便已出臺了符合國際標準化委員會的警報標準。標準中描述了從A到D的4種技術(shù)情況，這取決于主軸轉(zhuǎn)子振動和轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速(如圖3所示)。

圖3 從主軸相關(guān)的振動和水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速的角度評價HTG的技術(shù)條件

垂線表示在上述實例下HTG轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)速。此時，CMS系統(tǒng)所確定的C與D邊界上的值就是500 μm。

分析了這3臺機組24 h運行下的XY方向的振動趨勢，并根據(jù)圖2中所提的分類標準做了嚴重程度的評估。在HTG運行期間，XY向振動采集值持續(xù)高于高危報警閾值，違反了報警目標，導(dǎo)致CMS系統(tǒng)失效。根據(jù)工程設(shè)備和材料用戶協(xié)會的第191導(dǎo)則，如果報警信號持續(xù)20 h或以上，該信號應(yīng)該被認定為常駐信號。在所述的水電站例子中，機組無法在最大負荷下連續(xù)工作20 h。但是，在機組運行的整個期間都存在報警信號。因此，將此信號認定為一種典型常駐報警信號是合理的，換句話說，該信號在一段重要時間內(nèi)都處于活動狀態(tài)。這種類型的信號可以出現(xiàn)在本身有故障或者質(zhì)量有缺陷需要維護檢修的儀器和設(shè)備上。

報警管理標準中，如果一個報警信號50%的時間都處在其所規(guī)定的范圍以外，加重了運行人員的工作負擔，就需要進行修正。針對本文案例，儀器設(shè)備均運行良好，那么報警限值就需要進行修正。

圖4為提高CMS效率的報警管理流程。應(yīng)定期對采集到的數(shù)據(jù)進行分析以確定可能需要增強的方面，錯誤的系統(tǒng)配置可能因以下原因造成。

圖4 報警管理的優(yōu)化方法

(1)根據(jù)“正常數(shù)據(jù)”，門檻值設(shè)定過高；

(2)采用最小值作為門檻值會導(dǎo)致頻繁出現(xiàn)警報指示；

(3)采集值一直比常駐的報警信號的門檻值要高。

在本案例中，測量值始終比高危報警信號的閾值高。因此，最直接的方法是抬高報警閾值。這雖然違背了標準推薦的辦法，但是可以明確潛在的原因，防止情況惡化。否則，運行人員必須通過分析采集到的數(shù)據(jù)和其他維護工具依賴CMS資產(chǎn)管理，并改變資產(chǎn)管理規(guī)則。

如果不迅速采取措施優(yōu)化HTG的動態(tài)性能，就沒有理由保留先前設(shè)置的報警規(guī)則，所以必須進行調(diào)整。調(diào)整不成功，將會導(dǎo)致報警優(yōu)化失敗，延誤運行。

針對此案例的處理措施非常簡單。需要對監(jiān)測系統(tǒng)的報警規(guī)則進行調(diào)整，以完善對機組的維護管理工作。改善的結(jié)果就是讓振動值回落到ISO所規(guī)定的范圍內(nèi)。將XY的報警值由500 μm調(diào)高至600 μm或650 μm可以很大程度縮短報警信號出現(xiàn)的時間。

盡管新的高危報警規(guī)則可能已經(jīng)滿足了正常穩(wěn)定運行的需求，但依然沒有解決機組開機過程中報警信號出現(xiàn)的問題。在這些初始工況下，轉(zhuǎn)子的最大振動位移可達到800 μm，隨后伴隨著一個緩慢下降的過程。

通過引入TM功能可進一步優(yōu)化報警規(guī)則。TM功能由機組(或電站)的控制系統(tǒng)提供(如圖5所示)。可以通過由分散式控制系統(tǒng)(DCS)所驅(qū)動的繼電器輸出的二進制信號(圖中下方箭頭所指部分)，或者使用CMS和DCS之間的數(shù)字接口(圖中上方箭頭所指部分)啟停。

圖5 采用DCS控制的監(jiān)控系統(tǒng)的TM功能

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)自動控制的TM功能

圖6中所示的報警規(guī)則來源于已知的機組異常情況。報警規(guī)則的改進必須進行報警閾值的重新設(shè)置，并使用TM功能以應(yīng)對開機后12 min的振動上升過程。采用這種組合的方法進行報警管理，可以消除在運行XY向的振動持續(xù)報警。

3 TM功能的應(yīng)用和實施情況

并非所有的CMS都內(nèi)置了TM功能。更多的情況下，TMMAX=3，同時分辨率TMRes=1。針對水輪機械系統(tǒng)的應(yīng)用，這一分辨率已足夠，但還不足以應(yīng)對水輪機本身，此外，高分辨率可以確保系統(tǒng)配置精度較高。

通過DCS控制對于TM執(zhí)行系統(tǒng)并用于水電站運行(圖5)，但有些先進的CM和PS，可以通過監(jiān)控系統(tǒng)自動啟動該功能。

4 結(jié) 語

需要運行人員對各種警報采取措施或者引起注意。因此，報警合理化是一種經(jīng)過驗證的報警管理技術(shù)，可以減少運行人員的工作負擔，以提高運行人員的反應(yīng)能力。CM和PS中的高危報警信號的調(diào)試工作必須由報警合理化工作組、維護人員以及儀表專家來主導(dǎo)完成。

最終，報警合理化能夠減輕運行人員的工作負擔，分辨出無效的報警信息，通過提升運行人員對報警信號的信任度來增強系統(tǒng)的完備性，從而降低錯過關(guān)鍵報警信號的可能性，最重要的是運行人員能夠更加迅速、一致并有效地作出反應(yīng)。

張卓然 鄒 瑜 譯

(編輯：朱曉紅)

1006-0081(2017)03-0028-03

2017-01-20

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