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水电机组状态在线监测系统的应用

2-4 11:40| 发布者: 电力科技在线| 查看: 4808| 评论: 0

摘要: 随着国内水电机组状态在线监测系统的不断成熟、可靠,机组状态在线监测系统必将得到长足的发展,未来的水电机组状态在线监测系统必将更加完善、功能更加强大,为水电站的安全、稳定、经济运行提供坚实的技术支撑。

锦屏水电站由二滩水电开发有限责任公司锦屏水力发电厂负责管理,系雅砻江流域的龙头电站,包括锦西、锦东水电站,总装机8400MW,是国家西电东送川电外送能源发展战略的重要组成部分。锦西水电站大坝为混凝土双曲拱坝,坝高305m,为世界同类坝型中第一高坝;装机6600MW机组,调节库容49.1亿m3,多年平均发电量166.2亿kW·h。锦东水电站通过416.7km的引水隧洞引水发电,采用上游调压室方式,最大水头达318.8m,调节库容为496m3;装机8600MW机组,多年平均发电量242.3亿kW·h。锦屏水电站均采用华科同安TN8000机组状态在线监测系统。


在线监测系统优化机组运行工况


俄罗斯萨扬-舒申斯克水电站(装机10×640兆瓦)发生特别重大安全事故(以下简称萨扬事故),造成75人死亡,13人受伤,2#7#9#发电机报废,其他机组均有不同程度损伤,厂房结构严重破坏,事故直接经济损失130亿美元。从俄罗斯政府公布的萨扬事故直接原因是2#水轮机多次超负荷运行后,剧烈振动致使顶盖固定螺栓发生疲劳损坏,最终当2#机组出力在不被推荐的II区工作时水轮机顶盖的固定螺栓损毁,随即机组转动设备在2MPa水压作用下被顶出。萨扬事故发生的原因和暴露的问题是多方面的,但是以下两点无疑在这起震惊水电界的特大事故中扮演了非常重要的角色:


一是机组运行中水轮机轴承振动幅值严重超标而未按规定卸荷并停机,即运行值班人员未有效利用水电站机组状态在线监测系统对振摆、气隙数据进行监视、分析,致终未能科学、合理优化机组运行工况,果断采取卸荷并停机措施以避免该起事故发生;

 

二是制造厂家文件和电站运行文件中均无保证检查紧固件状况的标准和紧固件的使用期限。事故后,萨扬电站#2机仅6颗螺栓仍起固定作用,其余49颗螺栓中,41颗发现了疲劳裂缝,8颗螺栓的破坏面积超过总面积的90%。可想而知,如果萨扬电站能够利用机组状态在线检测系统积累起来多年的振摆与气隙数据、曲线,可能会发现2#机顶盖机架振摆数据和曲线已经严重偏离历史曲线,严重超出了机组运行极限,必须采取停机检查的措施来消除不安全隐患。

 

鉴于萨扬事故暴露出的种种问题,2010114日,国家电监办关于吸取俄罗斯萨扬水电站事故教训进一步加强水电站安全监督管理的意见中的第六、第八条明确指出,大中型水电机组必须加强机组状态监测加强机组稳定性测试

 

水电机组状态在线监测装置应用

 

水力不平衡导致水轮机泄水锥脱落

 

1为某大型水电站一台机组正常运行中,水轮机泄水锥脱落前后导致的水力严重不平衡事故,机组上机架、下机架、顶盖水平X向振动峰峰值及转速随时间变化的曲线图。图中abc三个时段分别表示:a时段为水轮机泄水锥脱落前,各部件水平X向振动峰峰值稳定且在正常范围内;b时段为水轮机泄水锥脱落过程中,各部件水平X向振动峰峰值均开始发生大幅突变,超过正常值范围且持续;c时段为水轮机泄水锥彻底脱落后,各部件水平X向振动峰峰值已经大幅突变,突变值相对稳定且一直持续。


  

1 某大型水电站机组机架及顶盖振动曲线图

 

由趋势分析法可知,水力不平衡过程发生在b时段,机组上机架、下机架、顶盖水平X向振动峰峰值均发生大幅突变且一直持续,已经超出了机组正常范围。该大型水电站最终通过停机排水检查的方法,及时找到了曲线突变的原因并消除了这起安全隐患。

发电机气隙监测的应用

 

水轮发电机定子内圆半径最大值与最小值之差,即两者之间的半径差R为定子圆度,通常定义定子圆度时将发电机转子视为理想圆。

 

水轮发电机转子外缘半径最大值与最小值之差,即两者之间的半径差r为转子圆度,通常定义转子圆度时将发电机定子视为理想圆。图2为某电站利用定转子特性评价工具,分析、评价发电机气隙状态水平的示意图。

 

 

2 某大型水电站发电机定转子圆图

 

某大型水电站机组转子不圆度为0.11mm(0.37%),定子不圆度为2.85mm(9.5%),其他指标见图2,发电机气隙状态处于优良水平,详见表1

 

水电机组状态在线监测系统构成

 

水电机组状态在线监测系统大多由传感器、数据采集单元、服务器及相关网络设备、软件等组成。系统采用分层分布式结构,按层次划多分为电站层(上位机系统)和现地层两级。

 

电站层设备包括状态数据服务器、WEB/应用服务器、工程师工作站、网络设备、打印机等。

 

现地层设备包括机组现地在线监测数据采集单元、各种传感器、通讯接口、附件设备等。每台机组现地层设备设一个数据采集站,每个数据采集站设备集中组屏在一面标准控制盘内,控制盘布置在发电机层机旁。电站层设备和现地层设备之间采用环型网络结构,网络介质为光纤。

 

水电机组状态在线监测系统可以实时采集、显示稳定性数据(振动、摆度、压力脉动、抬机量、噪声)和气隙数据变化,也可以显示工况参数如机端电压、电流、有功、无功等。

 

1 某大型水电站发电机气隙状态评价表

 


在线监测系统的重要意义

 

安稳运行重要手段

 

水电机组状态在线监测系统具有以下五大功能,保障机组安全、稳定、经济运行。

 

实时监测功能:以各种直观易懂的图形或曲线实时显示稳定性数据变化、气隙数据变化,便于运行人员或检修人员实时了解机组各部件运行状态,随时确保机组状态良好。

 

预警报警功能:根据主机厂提供的性能参数值和现场运行调试经验,建立各工况下的报警定值和样本数据,自动实时判断机组运行状态,当状态发生变化时,及时发出报警和预警信号,便于值班人员第一时间掌握机组异常信息并采取相应措施。

 

性能评估功能:自动生成检修前、后各种状态报告,通过对比历史数据、曲线趋势,以评价检修效果;分析瞬态过程和热稳定过程气隙变化数据,指导机组安装和优化设计、辅助分析机组的异常振动和摆度。

 

远程分析与诊断功能:利用电厂局域网构建厂级机组状态监测网,设备管理工程师在网络可及的范围内,即可实现机组的在线监测分析和诊断,随时掌握机组的状态。

 

优化运行功能:利用状态在线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,提醒值班人员避免或是缩短机组在不稳定工况下运行的时间,指导机组尽量在稳定工况运行,优化机组效率,指导机组经济运行。

 

行业发展的需要

 

相对火电厂来说,水电厂生产环节简单、设备较少、自动化水平较高,更有利于开展机组状态在线监测系统;

 

水轮机组的振动、摆度,多是由于水力、电磁、机械等因素耦合作用的结果,振动机理比较复杂,直观判断和简单的测试,很难找到本质原因;有些故障与运行参数有关,出现的偶然性较大,数据不易捕捉。因此,急需该系统及时记录故障信息,以便分析并找出产生振摆异常的本质原因;

 

新投产水电机组的稳定性试验、变转速、变励磁、变负荷、启停机、甩负荷等试验中,该系统能够自动记录各种试验数据并对其进行分析处理,形成相关试验曲线和报告,既可以检验机组的安装质量,又能通过调整机组使其在最优状况下运行;

 

水电机组在电网调度中调峰、调频的作用日益凸显,这就要求水轮发电机组在其整个出力范围内具有充分的可用性,值班人员必须准确了解和掌握机组的真实运行工况和运行性能。

 

指导机组状态检修的重要技术基础与依据

 

水电机组机组状态在线监测系统不但可以利用自带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,指导机组检修工作;同时,它也是未来机组状态检修的技术核心,充当设备健康状况诊断医生的重要角色,其最终目的是为机组状态检修服务提供依据、技术支持,根据状态在线监测系统获得的机组特征信号,准确掌握设备状态情况,合理安排机组小修、大修和扩修。

 

三化发展的选择

 

随着水电行业不断向前发展以及水电站无人值班(少人值守)等值班模式的转变,在现有监测系统基础上,需要发展更加成熟、可靠的机组状态在线监测系统,建立预测维护理论系统与维护实施系统,实现水电站运行设备监测、维护、高效管理和水电站信息化、数字化、智能化的发展,是十分迫切的任务。

 

管理模式改进的必然

 

水电站大多位于深山峡谷之间,地处偏远山区。为了解决员工因工作长期无法回家的现实问题,国内水电站已经陆续开始实施无人值班(少人值守)的值班模式,建立流域远程集中控制中心或梯级调度中心实现对水电机组进行远程控制。同时水电站现场运行、维护人员可以分为两班,每班人员在现场工作半个月,休息半个月。这样高效的值班模式要求水电站具有很高的自动化水平、信息化水平,需要发展更加成熟、可靠的机组状态在线监测系统,建立预测维护理论系统与维护实施系统,实现水电站运行设备监测、维护、高效管理。



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