水轮发电机组振摆在线监测系统及应用--以陡岭子水电站为例

水轮发电机组振摆在线监测系统及应用--以陡岭子水电站为例张金林;黄忠
【摘要】介绍了陡岭子水电站3台水轮发电机组VRS8000振摆在线监测系统的结构和功能以及测点布置，并对振摆测试数据进行了相应的分析，以提高水轮发电机组的运行水平。

%The online monitoring system for vibration of the three VRS8000 hydro-turbine generator units in Doulingzi Hydropower Station is introduced, including its structure, function and sensor arrangement.An analysis is also carried out on the obtained vibration data, which could be useful for the operation of the generator units.
【期刊名称】《水电与新能源》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】3页(P7-9)
【关键词】振摆在线监测系统;振动;摆度;水轮发电机组
【作者】张金林;黄忠
【作者单位】国电大渡河陡岭子水电有限公司，湖北十堰 442000;国电大渡河陡岭子水电有限公司，湖北十堰 442000
【正文语种】中文
【中图分类】TK730.324
陡岭子水电站位于湖北省郧西县夹河镇境内的汉江支流金钱河下游，水电站安装3台水轮发电机组，总装机容量70.5 MW，于2002年投产发电。

10多年来，水轮
发电机组机械振动、摆度，一直采用传统的人工方式测量。

在2014年3月水轮发电机组C修期间，采用智能振摆在线监测分析系统，对3台水轮发电机组振动、
摆度及抬机量进行监测与分析，便于及时发现隐患和缺陷，有针对性地维护保养，此后水轮发电机组检修方式从传统的“事故维修”和“定期维修”过渡到现代的“预知维修”[1]。

1.1 测点布置
陡岭子水电站机组振摆在线监测系统的测点，根据机组的设计性能、多年来的运行规律进行选择和布置，同时符合水轮发电机组的4大特性，即水力特性、机械特性、设备结构特性及电气特性[2-3]。

陡岭子机组上机架为承重机架，在上机架X、Y、Z方向各布置1个测点；为监视机组抬机量，在发电机法兰Z方向布置1个测点；为监测压力钢管振动，在压力钢管与蝶阀联接法兰Z方向布置1个测点；为
监测顶盖振动量，在水轮机顶盖X、Z方向布置2个测点；为测量振动相位，使振摆监测所有信号同步，在水导轴承X方向布置1个键相传感器。

1.2 传感器特点
1)摆度传感器特点。

摆度传感器采用电涡流传感器(VRS330104)，由电涡流探头+延伸电缆+前置器3部分组成，探头表面到被测面的距离为2 mm左右，能在油、水、汽等环境中长期连续工作非接触测量，灵敏度在8 mV/μm，抗干扰能力强，可靠性高，供电电压为直流-18～30 V。

2)振动传感器。

振动传感器采用低频速度传感器，该传感器是集磁电速度传感器、低频补偿器和积分器于一体的有源低频传感器，有坚固的不锈钢外壳，抗冲击、抗外界电磁场干扰能力极强。

测量频率下限可达0.5 Hz，传感器输出与振动位移成
正比，输出接线方式为插头式，供电电压为直流-24 V，灵敏度在(8±5%)mV/μm。

3)键相和抬机量传感器特点。

键相和抬机量均选用涡流传感器同摆度传感器一样。

键相器采用贴片方式，将键相器粘贴在水轮机大轴上，选用与转子相同材质的金属
片，尺寸：长×宽×厚=25 mm×15 mm×1 mm。

VRS8000振摆监测系统由振摆传感器、智能采集箱和分析软件组成，共有2个VRS8000采集箱和一个工程师站，2个采集站共用一面屏柜，工程师站同时兼做整个振摆在线监测系统的数据服务器，采集箱和工程师站之间采用TCP/IP网络联接。

通过局域网、广域网实现网络通讯，进行远程分析和诊断，振摆系统数据采用Moubus-TCP方式上传至LCU监控中心。

2.1 数据采集箱
1、2号水轮发电机组配置一个VRS8000采集箱，3号水轮发电机组单独配置1台VRS8000采集箱。

VRS8000振摆在线监测系统数据采集箱由系统框架和振动信号采集板、键相信号采集板、缓变量信号采集板和继电器输出板等组成。

系统框架提供各种工作电源，振动采集板负责采集振动信号，键相板负责采集转速信号，缓变量信号采集板负责采集缓变量信号，继电器输出板负责报警信号输出。

系统中各模块均可独立工作，其中某一通道或某一模块故障不会影响其他通道或其他模块的正常工作。

2.2 上位机及监测分析、故障诊断软件
1)实时监测。

VRS8000系统能够对机组各种参数进行实时监测，采用定时和变转速相结合的方式存储数据，形成各种数据库(时、天、周、月、年和变转速)。

一旦监测数据超过设定值时，及时报警显示并设有黑匣子数据库，数据存储采用本地存储和网络存储并存的方式，可以有效地保证数据不丢失。

在现地数据采集站及上位机结构示意图、数据表格、趋势图、波形频谱图、轴心轨迹图等形式实时显示所监测的数据[4]。

2)数据分析。

VRS8000系统具有多种信号分析功能，记录机组在各种运行工况下的所有状态数据，通过数据表格、趋势图、波形频谱图、轴心轨迹图，以根据国家及行业标准分析机组振摆产生的主要原因，分析水力、机械及电气等各种因素对机
组运行状态的影响。

连续采集机组开机、停机、过速及甩负荷的过渡过程数据，通过回放查看趋势图、波形频谱图、轴心轨迹图，分析和评价机组在过渡过程中的变化特点，随时掌握机组运行情况。

3.1 测试数据
在不同的工况和水头下1号机组振摆数据有很大的区别，通过数据分析振摆产生
原因。

测得数据见表1。

3.2 结果分析
运行中，水轮发电机组的振摆主要是由水力因素、电气因素和机械因素3个方面
引起的[5-6]。

从表1数据可见，空转时，上导X摆度0.15 mm、下导X摆度0.09 mm、上机
架水平Y振动0.03 mm；空载时，上导X摆度0.21 mm、下导X摆度0.17 mm、上机架水平Y振动0.06 mm、水导摆度空载比空转只增了0.02 mm(两工况下基
本一致)。

机组在空转和空载两个工况下运行，发现机组带上励磁后振摆有明显增加，表明电磁不平衡力对上导和下导有较大的影响，空转工况下只受到很小的机械不平衡力影响，振摆数据未随转速增大而增大，排除了转子烧组短路和空气间隙不均匀的问题。

在35%至50%额定负荷下运行是水轮发电机组振动区。

从表1中可看出，下导摆度比额定负荷时增大了0.21 mm，水导摆度比额定负荷时增大了0.08 mm，上机架垂直振动增大了0.05 mm。

振摆数据特别明显，属于水力不平衡力引起的振摆
增大，具有位能和动能的水流通过蜗壳的作用形成环流。

另外，加工和安装误差，使导水叶片、流道的形状与尺寸差别较大时，作用于转轮的水流失去轴对称时就产生一个不平衡横向力，引起转轮振动，尤其在低负荷时振动强烈，严重影响机组稳定运行。

在71.2 m和66.6 m的运行水头下，水轮发电机组所带额定负荷时振摆数据基本
相同，在空转、空载、低水头等工况下，各部振摆均在陡岭子水轮发电机组运行规程允许值内。

VRS8000振摆在线监测系统对陡岭子3台水轮发电机组安全经济运行起到重要意义，通过近7个月的运行表明，该系统运行稳定可靠，功能强大，各项性能满足使用要求，为电站机组的稳定运行和状态检修工作的开展提供了重要依据。

与此同时，及时发现和分析处理水轮发电机组振摆故障，能提高发电机组运行的可靠性，防止振摆事故发生。

【相关文献】
[1]王玲花. 水轮发电机组振动及分析[M]. 郑州: 黄河水利出版社, 2011
[2]申健. 水轮发电机组的振动、摆度测量及在线诊断探讨[J]. 四川水力发电, 2002, 21(2): 29-32
[3]DB42/T 443-2007, 湖北省发电厂机组振动技术管理规范[S]
[4]黄学然, 郑维军. 水电机组在线振摆监测系统分析与应用[J]. 贵州电力技术, 2013(12): 17-20
[5]董志伟. 赵公杰, 郭玮. 水布垭水电厂4号机组下导摆度大的原因及处理[J]. 水电与新能源, 2014(7): 59-60
[6]卢可正, 汪俊. 立式水轮发电机组振摆研究[J]. 四川水力发电, 2009, 28(A02): 140-141。