火電設(shè)備檢修分析論文

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摘要：本文對目前流行的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)檢修的意義和云峰發(fā)電廠機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)檢修情況做簡要介紹，提出今后機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)檢修設(shè)想，供同行參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測狀態(tài)檢修機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

云峰發(fā)電廠在電力系統(tǒng)中的作用主要是擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用任務(wù)，要達(dá)到以上目的，要求機(jī)組必須具備良好的可靠性和可調(diào)性。根據(jù)東北公司對水電廠狀態(tài)檢修工作的要求，我廠開展了設(shè)備狀態(tài)檢修的前期工作，并與豐滿發(fā)電廠一道，成為東北地區(qū)水電機(jī)組狀態(tài)檢修的試點單位。目前我廠已將四臺機(jī)組的檢修及運行歷史資料，系統(tǒng)地進(jìn)行了整理匯編，呈報水管部、電科院。幾年來，云峰發(fā)電廠的機(jī)組檢修已由傳統(tǒng)的計劃性逐步過渡到狀態(tài)性，檢修方式由原來的"到期必修、修必修好"，逐步向"該修必修、修必修好"過渡。在設(shè)備的在線監(jiān)測、狀態(tài)檢修方面初步有了成效。

1水輪機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)概述

近年來，水電廠設(shè)備的狀態(tài)檢修（亦即預(yù)測性維修）工作已越來越受到普遍關(guān)注。設(shè)備狀態(tài)檢修的必要條件是要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。對設(shè)備整體或局部在運行過程中的物理現(xiàn)象進(jìn)行隨機(jī)或定期檢測，就是狀態(tài)監(jiān)測。而設(shè)備診斷技術(shù)則是一種了解和掌握在用設(shè)備的狀態(tài)，確定其整體或局部是否正常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預(yù)報故障發(fā)展趨勢的硬件或軟件的綜合技術(shù)。設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術(shù)作為一種基本手段，為狀態(tài)監(jiān)測提供切實依據(jù)，以便合理安排維修，確保設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運行。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和診斷的關(guān)鍵是在線監(jiān)測技術(shù)，包括信息采集、數(shù)據(jù)處理與分析、處理意見與決策。有效的在線監(jiān)測可以隨時掌握設(shè)備的技術(shù)狀況和劣化規(guī)律，避免突發(fā)性事故和控制漸發(fā)故障的發(fā)生。

實踐證明，實施在線監(jiān)測可以減少設(shè)備不必要的停役、降低維修成本、增加可利用時間，從而提高設(shè)備的運行維修效益。

1.1機(jī)組計劃檢修存在的弊病

機(jī)組狀態(tài)檢修工作實施前，我廠的四臺水輪發(fā)電機(jī)組的檢修是按計劃檢修原則進(jìn)行的，根據(jù)原水利電力部頒發(fā)的《發(fā)電廠檢修規(guī)程》中規(guī)定的檢修周期、檢修工期、檢修項目等指標(biāo)，"到期必修、修必修好"，其實部頒規(guī)程對機(jī)組檢修周期、檢修工期及檢修項目的規(guī)定依據(jù)基本上是同類設(shè)備的檢修經(jīng)驗，不具有普遍意義。經(jīng)過多年的技術(shù)實踐，我們認(rèn)識到，這種規(guī)定帶有較大的習(xí)慣性，是一種徒弟學(xué)師傅式的方法，比較保守、盲目，但也比較把握，除浪費一些人力、材力、物力、時間外，一般還不致出什么大差錯。但從設(shè)備檢修的目的是消除缺陷，保證設(shè)備健康運行這個角度講，計劃檢修是不盡合理的。所謂的"到期必修"就是設(shè)備運行到某一規(guī)定的期限，不論處于什么樣的技術(shù)狀態(tài)、有無缺陷一律停機(jī)檢修。由于我廠各臺機(jī)組的設(shè)計制造、運行狀況的不盡相同，即使是同類的設(shè)備在相同的運行周期內(nèi)，也表現(xiàn)出很大的差異性。同時，"到期必修"經(jīng)常帶來不必要的大拆大裝，不但造成人、材、物的大量浪費，有時還會把設(shè)備拆修壞了，造成"勞而有罪"。

1.2設(shè)備狀態(tài)檢修的優(yōu)勢

通過不斷探索及實踐，我們認(rèn)識到，狀態(tài)檢修的核心是通過對設(shè)備的診斷，摸清設(shè)備的實際狀況，并以此為依據(jù)制訂切實可行的檢修計劃予以實施。狀態(tài)檢修的通俗說法是"該修必修、修必修好"，它所強(qiáng)調(diào)的是在"該修必修"的"該"字上，這個"該"字反映了整個檢修工作的科學(xué)性，它要求決定修與不修，小修還是大修要有充分的事實依據(jù)，要經(jīng)過該與不該的反復(fù)論證，不能憑經(jīng)驗行事，不該修的堅決不修，該修的堅決修好，只有這樣，才能恰到好處地完成檢修任務(wù)。

我們還認(rèn)識到，狀態(tài)檢修比計劃檢修更符合"預(yù)防為主"的原則。計劃檢修的最大弊端是不能根據(jù)設(shè)備的實際技術(shù)狀態(tài)決定檢修內(nèi)容，而讓計劃期限箍得過死，狀態(tài)檢修則不然，它是通過各種不同的診斷手段摸清了設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀后才決定檢修內(nèi)容的，它可以根據(jù)設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)及運行要求，提前或推遲檢修周期，增加或刪減檢修項目，真正實現(xiàn)檢修的目的，并具有最大的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。顯然，狀態(tài)檢修掌握著消除設(shè)備缺陷的主動權(quán)，符合設(shè)備的運行的發(fā)展規(guī)律，符合防患于未然的原則。

1.3我廠初期實施機(jī)組狀態(tài)檢修后帶來的效益

機(jī)組狀態(tài)檢修實施前，我廠對反映四臺機(jī)組的運行狀態(tài)的參數(shù)測定只停留在手工檢測階段，通過定期的試驗觀察，比照標(biāo)準(zhǔn)，分析設(shè)備的技術(shù)狀況決定檢修計劃。由于缺乏可靠有效的診斷方法與診斷儀器，使得制訂的檢修計劃不完全有效。1991年，我廠與華中理工大學(xué)電測教研室合作，共同研制了第一代BZJ1擺度振動監(jiān)測儀，該儀器于1992年9月安裝在我廠的四號水輪發(fā)電機(jī)組上。受當(dāng)時技術(shù)條件所限，測點較少，同時電測數(shù)據(jù)與手工測得數(shù)據(jù)相差懸殊，沒有受到現(xiàn)場工人的歡迎。1996年我廠與海南洲立科技公司共同開發(fā)了SZJ水電機(jī)組振動測試及數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由擺度振動監(jiān)測儀（BZJ）、多路通訊控制器（DTC）、數(shù)據(jù)處理及分析軟件包（SFC）三個部分組成，BZJ將采集的數(shù)據(jù)由RS232串口經(jīng)DTC送往上位計算機(jī)，再由SFC進(jìn)行分析及處理。該系統(tǒng)被安裝在我廠的2、3、4號機(jī)組上。2000年末，我廠又與深圳洲立達(dá)公司合作，共同開發(fā)了一號機(jī)組機(jī)械狀態(tài)分析及故障診斷系統(tǒng)(SZJ99)，該系統(tǒng)自成一個系統(tǒng)，與計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)不相連。該系統(tǒng)的功能較前兩代有較大的增強(qiáng)，監(jiān)測通道由9個增加到17個，在進(jìn)行巡回檢測的同時進(jìn)行信號波形采集，可錄制機(jī)組的瞬態(tài)過程及波形。該系統(tǒng)在機(jī)組機(jī)械振動監(jiān)測及實時分析儀（BZJ3）提供的機(jī)組振動數(shù)據(jù)及其特征的基礎(chǔ)上，運用理論知識和實踐經(jīng)驗，形成機(jī)組機(jī)械狀態(tài)分析軟件。以便進(jìn)一步分析機(jī)組的機(jī)械狀況特征和引起異常振動的原因。從而提供機(jī)組檢修及故障分析的依據(jù)或參數(shù)。通過系統(tǒng)實際運行中的數(shù)據(jù)（特別是特況數(shù)據(jù)）積累，幫助專職人員加強(qiáng)對機(jī)組機(jī)械特征的深入了解，提高狀態(tài)檢修的水平。通過接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（此項目前未進(jìn)行實施），專職人員及有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)可在遠(yuǎn)地了解機(jī)組的機(jī)械狀況，以滿足水電廠"無人值班"（少人值守）的要求。

采用以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)的狀態(tài)檢修管理模式后，由于摸清了設(shè)備的實際技術(shù)狀況，我廠目前的機(jī)組大修周期已改為4年以上，機(jī)組擴(kuò)大性大修周期已改為10年左右。過去，不管設(shè)備的狀況，檢修周期一到，馬上就開始檢修，對于設(shè)計、制造、安裝、維護(hù)質(zhì)量優(yōu)秀的機(jī)組，檢修過于頻繁不但沒有好處，大多數(shù)情況是拆下來擦擦油、抹抹灰而已。增加了機(jī)組的檢修費用、停用時間，降低了機(jī)組的可調(diào)小時數(shù)。現(xiàn)在由于我廠注重了在設(shè)備的狀態(tài)上下功夫，通過掌握機(jī)組的狀態(tài)來確定機(jī)組的檢修時間和檢修項目，最終達(dá)到延長檢修間隔，縮短檢修工期，降低維修成本的目的。按設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)及運行情況并對照規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)制定檢修時間及項目，收到了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。如我廠二號機(jī)組，在各負(fù)荷工況下，從監(jiān)測儀測得的各項數(shù)據(jù)來看，均不超過規(guī)定值，設(shè)備運行穩(wěn)定，但已連續(xù)運行14年沒有進(jìn)行擴(kuò)大性大修。由于該機(jī)組每次小修檢查都發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子鐵芯拉緊螺桿折斷現(xiàn)象，同時存在水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水嚴(yán)重的缺陷，需更換導(dǎo)葉軸套，因此根據(jù)狀態(tài)檢修的思想，決定對該機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)大性大修，大修后提高了設(shè)備運行的可靠性。再如我廠四號機(jī)組，投產(chǎn)初期就存在著擺度、振動大的缺陷，而且機(jī)組振動區(qū)域較寬。實施機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測后，對四號機(jī)組存在缺陷的原因進(jìn)行了深入細(xì)致的研究及分析，確定了四號機(jī)振動擺度大主要是由于機(jī)組軸線引起。通過對該機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)大性大修，取消了推力頭與鏡板間的絕緣墊，在推力頭與鏡板間增加了兩道密封圈，有效地防止了兩者接觸面產(chǎn)生空蝕而引起的軸線惡化，同時將推力頭及鏡板返廠進(jìn)行了處理，使其各部精度均達(dá)到圖紙規(guī)定，機(jī)組投入運行后，各部振動、擺度明顯減輕，達(dá)到了預(yù)期目的。再如我廠的一號機(jī)組，2001年進(jìn)行過一般性大修，機(jī)組修后經(jīng)振動擺度監(jiān)測儀實測發(fā)現(xiàn)勵磁機(jī)定子外殼的垂直振動達(dá)到0.17-0.20mm，水平振動達(dá)到0.18-0.20mm，強(qiáng)烈的振動對機(jī)組結(jié)構(gòu)部件造成的危害是巨大的，根據(jù)該情況，我們及時向主管部門提出擴(kuò)修申請，并到上級部門說明情況，得到批準(zhǔn)。經(jīng)分解檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)組軸線已惡化，推力瓦（10塊）嚴(yán)重磨損，個別瓦面有嚴(yán)重裂紋，推力抗重螺釘及托盤接觸面磨損及變形嚴(yán)重，鏡板工作面存在劃痕，局部位置呈藍(lán)色，系工作時溫度過高所致，推力頭底面、鏡板背面空蝕嚴(yán)重。將推力頭、鏡板、推力抗重螺釘及托盤均進(jìn)行了返廠處理，達(dá)到圖紙規(guī)定要求，并對將全部推力瓦進(jìn)行了更換。

幾年來，我們一是通過日常性的機(jī)組狀態(tài)診斷掌握設(shè)備的損壞狀態(tài)與規(guī)律，加強(qiáng)每日的設(shè)備巡回檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時進(jìn)行處理，由于機(jī)組振動擺度監(jiān)測系統(tǒng)測點數(shù)量的限制，有些部位的振動及擺度不能測到，我們定購了手持式振動擺度測試儀，對機(jī)組所有部位的振動擺度均可進(jìn)行測量。二是通過日常性的維修恢復(fù)設(shè)備的健康。從上到下擺脫計劃檢修的束縛，將狀態(tài)診斷與日常維修結(jié)合起來，用狀態(tài)診斷結(jié)果指導(dǎo)維修，用維修實踐驗證或修正狀態(tài)診斷技術(shù)，從而達(dá)到完善狀態(tài)診斷技術(shù)與提高維修水平的共同目的，這樣，就有可能為解決設(shè)備的老大難問題創(chuàng)造條件，這對于延長機(jī)組檢修間隔與運行壽命是有好處的，比如，若能成功地解決機(jī)組軸線穩(wěn)定性與水輪機(jī)汽蝕損壞兩大問題，那么機(jī)組的大修周期至少可延長一倍以上，而且可使檢修內(nèi)容大為簡化，檢修費用大大降低。

2機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實際需求

隨著電力系統(tǒng)的日益發(fā)展，供電可靠性的高要求與不盡人意的設(shè)備故障率之間的矛盾也愈加突出。電力部門期盼實施在線監(jiān)測能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的隱患，從而防患于未然。由于各種原因，設(shè)備停役有時難以安排。因此我們實行狀態(tài)檢修與周期性檢修相結(jié)合的檢修原則。而狀態(tài)檢修的一個重要前提，就是實施在線監(jiān)測，了解設(shè)備狀態(tài)，做到心中有數(shù)。

隨著我廠"無人值班"（少人值守）的實施，希望在對廠內(nèi)的各種運行設(shè)備（參數(shù)）進(jìn)行監(jiān)控的同時，增加對設(shè)備運行可靠性的監(jiān)測手段。而"減人增效"、"廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)"等現(xiàn)代管理模式的形成和建立，也需要強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

現(xiàn)役設(shè)備或已老舊，或有先（后）天形成的缺陷，還有受到懷疑的一些設(shè)備，在線監(jiān)測可以實時監(jiān)視其運行情況，一旦發(fā)現(xiàn)問題就及時退出。這樣，便能最大限度地利用這些設(shè)備的剩余壽命。

隨著測試技術(shù)（裝置）的發(fā)展和逐步完善，尤其傳感技術(shù)和信息處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，為在線監(jiān)測提供了充要的條件。實施在線監(jiān)測過程中，我們不僅體會到縮短設(shè)備停役時間、減少停電損失，避免過剩維修、延長設(shè)備壽命，以及杜絕因試驗操作失誤可能釀成事故等，還從中積累了經(jīng)驗，促進(jìn)在線監(jiān)測技術(shù)不斷提高的良性循環(huán)。

目前在線監(jiān)測技術(shù)已進(jìn)入實用化、智能化階段。Internet／Intranet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，為狀態(tài)監(jiān)測與診斷開拓了廣闊的技術(shù)空間，如遠(yuǎn)程分布式故障診斷和虛擬故障診斷等，突破了傳統(tǒng)的故障診斷的某些技術(shù)瓶頸。

電力設(shè)備設(shè)計、安裝和運行管理經(jīng)驗的長期積累，也為專家系統(tǒng)的建立提供了明確、寬厚的多領(lǐng)域?qū)ｉT知識，足以對運行設(shè)備的故障、壽命進(jìn)行分析、判斷和決策，以達(dá)到建立預(yù)測性維修體制的目的。

3機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實施基礎(chǔ)

水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性是其工作性能的重要指標(biāo)。而機(jī)組工作不穩(wěn)定的基本表現(xiàn)形式就是振動，這是一種非常有害的現(xiàn)象。較大的振動嚴(yán)重地威脅著機(jī)組的供電質(zhì)量、機(jī)組的使用壽命和安全運行。水電機(jī)組的振動，多數(shù)由于機(jī)械、水力、電磁等因素耦合作用的結(jié)果，振動機(jī)理比較復(fù)雜，憑直觀判斷或簡單的測試一般難以找到根本原因。有些故障與運行參數(shù)有關(guān)，故障出現(xiàn)有一定的偶然性，因此故障特征不容易捕捉。

由于水電機(jī)組固有的優(yōu)勢，電網(wǎng)調(diào)度中越來越強(qiáng)調(diào)水電廠的調(diào)峰作用。這就要求水電機(jī)組在整個出力范圍內(nèi)具有充分的可用性，即不僅滿足于正常出力發(fā)電，還要力爭改善不穩(wěn)定負(fù)荷區(qū)的抗動狀態(tài)。

水電機(jī)組的單機(jī)容量在電網(wǎng)中的比重越來越大，其可用度和安全對電力系統(tǒng)和國民經(jīng)濟(jì)的影響極大。不言而喻，如時值水電廠棄水期，機(jī)組事故檢修造成的經(jīng)濟(jì)損失就更為嚴(yán)重。

另一方面，隨著水電廠雙達(dá)標(biāo)、創(chuàng)一流工作和技術(shù)改造的不斷深入，設(shè)備健康水平和自動化程度均有顯著的提高，設(shè)備管理水平也有長足的進(jìn)步。這些都為我廠的機(jī)組狀態(tài)檢修打下了良好的基礎(chǔ)。而且，水輪發(fā)電機(jī)組故障的發(fā)生和發(fā)展一般是有跡象的和漸變的，多數(shù)有磨損和疲勞特征，即有一個從量變到質(zhì)變的漸進(jìn)過程。這就使得利用狀態(tài)跟蹤和趨勢分析技術(shù)來捕捉故障征兆、實現(xiàn)早期預(yù)警變得相對容易，準(zhǔn)確性也比較高。

針對上述工程實踐中的問題，要對水電機(jī)組實行在線監(jiān)測和故障診斷，實現(xiàn)水電站運行設(shè)備監(jiān)控、維護(hù)的高效管理。水電機(jī)組運行狀態(tài)監(jiān)測是充分發(fā)揮水電廠效益的重要因素。

4我廠機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測的現(xiàn)狀

4.1目前已安裝的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)如下：

要保證機(jī)組安全穩(wěn)定運行，維持機(jī)組良好的運行狀態(tài)，包含的技術(shù)指標(biāo)非常廣闊，光靠以上安裝的測量及監(jiān)測系統(tǒng)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。目前世界發(fā)達(dá)國家機(jī)組狀態(tài)檢修也沒有太成功的經(jīng)驗，因為這畢竟是一項相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，但機(jī)組的狀態(tài)檢修，是以后機(jī)組檢修的必然趨勢。我廠在機(jī)組狀態(tài)檢修工作中，只是邁出了一小步，要真正達(dá)到按機(jī)組的運行狀態(tài)，有針對性的對機(jī)組實施狀態(tài)檢修，今后的要做工作還有很多。

4.2建議建立完善的組織機(jī)構(gòu)，真正把在線監(jiān)測、狀態(tài)檢修管起來

我廠對機(jī)組在線監(jiān)測、狀態(tài)檢修十分重視，由廠長親自掛帥，抽調(diào)廠各部門的技術(shù)骨干力量，由生技部主任、檢修及運行主任、生技專工等人員兼職。成立了狀態(tài)檢修領(lǐng)導(dǎo)小組。小組成立后，立即開展了工作，制定了機(jī)組在線監(jiān)測、狀態(tài)檢修管理辦法，定期召集小組成員研究機(jī)組的運行的新情況，根據(jù)機(jī)組的實際狀況，制定相應(yīng)的檢修周期及檢修項目，并負(fù)責(zé)組織實施、協(xié)調(diào)及解釋。實施中小組成員及時跟蹤、吃住在現(xiàn)場，嚴(yán)格按照國家規(guī)定的各項規(guī)程、制度，把住設(shè)備檢修的質(zhì)量關(guān)，注重機(jī)組的檢修工藝標(biāo)準(zhǔn)，各項作業(yè)均按本廠制定的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)及規(guī)范化管理細(xì)則中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。對設(shè)備出現(xiàn)的任何問題，機(jī)組狀態(tài)檢修領(lǐng)導(dǎo)小組成員必須做到心中有數(shù)，以便制定行之有效的解決措施，檢修項目、檢修工期等的變更必須由領(lǐng)導(dǎo)小組決定，其他人員無權(quán)更改。

盡管我們在機(jī)組狀態(tài)檢修上作了很多的工作，但還存在著一些管理上的弊病，如機(jī)組振動擺度監(jiān)測裝置沒有專人管理，放在運行監(jiān)控室無人管，顯示數(shù)據(jù)是否正常也不知道，沒有使裝置真正發(fā)揮作用。手持式振動擺度測試儀放在班組沒有有效地進(jìn)行管理，使用的時候缺東少西，配件都找不到。

5今后機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)檢修設(shè)想

5.1機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測對象及目標(biāo)

總體而言：狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)包括如下幾方面的內(nèi)容：機(jī)組穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)、機(jī)組效率狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)、機(jī)組氣蝕狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)和其他系統(tǒng)傳輸?shù)拈_關(guān)量、模擬量等。并且包括將這些系統(tǒng)整合起來進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、診斷及網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)診斷網(wǎng)絡(luò)，通過這一網(wǎng)絡(luò)，則可使電廠各生產(chǎn)單位及管理部門可隨時靈活地管理機(jī)組狀態(tài)信息，達(dá)到為生產(chǎn)和檢修服務(wù)的目的，如圖1所示：

圖1

5.2各部分功能說明

(1)穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)部分

此部分系統(tǒng)我廠已經(jīng)進(jìn)行了具體實施，在此不再詳述。

(2)機(jī)組效率狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)部分

水輪機(jī)效率因機(jī)型的不同，設(shè)計制造水平的不同而不同。在已投入運行的機(jī)組中，有的由于設(shè)計選造型不合理或在制造安裝中存在著缺陷和遺留問題，使得水輪機(jī)效率不高。特別是有的機(jī)組由于長期處在低效率區(qū)或在低水頭下運行，嚴(yán)重影響著機(jī)組效率的發(fā)揮，同時還會造成嚴(yán)重的振動和氣蝕破壞。因此需要摸清現(xiàn)有運行機(jī)組在運行中的實際效率狀況，探討和解決運行工況對水輪機(jī)效率的影響。為了充分利用水力資源、提高水力發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益、實現(xiàn)水力機(jī)組乃至整個電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行，需要對水電廠現(xiàn)場水力機(jī)組進(jìn)行效率監(jiān)測，實測出水力機(jī)組乃至整個水電廠的動力特性，使得各臺機(jī)組的效率試驗成果成為整個電網(wǎng)優(yōu)化運行的可靠的基礎(chǔ)技術(shù)資料并指導(dǎo)水電廠經(jīng)濟(jì)運行。

水輪機(jī)效率的實時監(jiān)測對電站的經(jīng)濟(jì)運行有著重要的作用。水輪機(jī)效率的在線監(jiān)測既可用于機(jī)組在安裝竣工或大修結(jié)束后的現(xiàn)場驗收試驗，以便檢查設(shè)計、制造、安裝和檢修質(zhì)量是否滿足要求，又能通過對機(jī)組運行性能進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測，提供在不同的水流和工況條件下水輪機(jī)性能的實時數(shù)據(jù)，為確定電廠經(jīng)濟(jì)運行中的開機(jī)臺數(shù)和負(fù)荷優(yōu)化分配以及機(jī)組的狀態(tài)檢修等提供參考。因此水輪機(jī)效率在線監(jiān)測一直是實現(xiàn)電廠經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)考核和經(jīng)濟(jì)運行的一個重大科技攻關(guān)課題。隨著計算機(jī)、通信、信息、測控等一系列新技術(shù)的迅速發(fā)展和在電廠的應(yīng)用，給效率在線監(jiān)測項目的開發(fā)提供了成熟的技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)前，以廠網(wǎng)分開為基礎(chǔ)的電力體制改革方案已經(jīng)出臺，電力市場競價上網(wǎng)亦將成為必然的發(fā)展趨勢。因此，在保證安全運行，滿足電力系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，不斷提高水資源利用率，設(shè)備可用率，減少運行和維護(hù)費用，已成為每個電廠迫切需要開展工作，以提高自身競爭力面向市場的重要目標(biāo)。

在線監(jiān)測機(jī)組效率同機(jī)組效率測試是不同的要求，因為水頭在生產(chǎn)過程中不可能人為很好地控制，所以在線監(jiān)測強(qiáng)調(diào)的是在實際運行工況下機(jī)組不同效率性能的比較和擇優(yōu)，也就是說，在線效率監(jiān)測并非是為了測得機(jī)組的某一確定效率值，而是評價機(jī)組在當(dāng)前蓄水條件和生產(chǎn)條件的約束下，應(yīng)該采用何種運行方式最為經(jīng)濟(jì)，甚至可以實現(xiàn)多臺機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)。這些效益及顯著的優(yōu)點如果不進(jìn)行機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測是不可能得到的。

另外，效率監(jiān)測對于機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測、氣蝕監(jiān)測及故障診斷是非常好的映證和補(bǔ)充，可以降低誤判斷的幾率，縮短積累經(jīng)驗的周期，如圖2為某廠機(jī)組運行特性曲線：

(3)機(jī)組氣蝕狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)

水輪機(jī)氣蝕監(jiān)測能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測水輪機(jī)的氣蝕強(qiáng)度，使機(jī)組能夠在高效率區(qū)運行，減少水輪機(jī)葉片的氣蝕破壞，通過對氣蝕量歷史數(shù)據(jù)的累積測量，可以標(biāo)定水輪機(jī)的氣蝕破壞程度，準(zhǔn)確決策機(jī)組的檢修間隔，為機(jī)組由計劃檢修向狀態(tài)檢修過渡奠定基礎(chǔ)。

反擊式水輪機(jī)在其運行時，在轉(zhuǎn)輪出口和尾水管進(jìn)口處往往形成負(fù)壓，當(dāng)壓力降低到小于氣化壓力時，水就汽化，在水流中產(chǎn)生許多氣泡，氣泡隨著水流移動到壓力較高處，便驟然消失。在此瞬間，水流質(zhì)點以高速度向氣泡中心撞擊，水流質(zhì)點這種高速度的碰撞會引起水壓力的增高（有時達(dá)幾十到幾百個大氣壓），然后被強(qiáng)烈碰撞而壓縮的水流質(zhì)點，又向相反的方向擴(kuò)散，從而造成氣泡處的壓力急驟降低。這樣就形成氣泡中心的壓力，在一段時間內(nèi)周期性的波動。這種由氣泡的產(chǎn)生和消失過程中引起的一系列現(xiàn)象稱為氣蝕現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)代對氣蝕的研究，雖說還不夠充分，但比較成熟和一致的解釋，除上述周期性的壓力波動外，還有下列現(xiàn)象：

當(dāng)壓力降低到飽和蒸氣壓時，水流不僅產(chǎn)生氣泡，溶解在水中的氣體也以氣泡形式選出，這種空氣泡會隨著水流排出。當(dāng)氣泡的產(chǎn)生和消失發(fā)生在固體表面時，水流質(zhì)點高速度的周期性沖擊象銳利的刀尖一樣劇烈地打擊著固體表面，造成固體表面的機(jī)械破壞，稱為剝蝕。如果固體表面粗糙，則剝蝕更嚴(yán)重。

此外，氣泡受壓縮時，由于體積縮小而溫度升高，再加上水流質(zhì)點相互高速度的撞擊和對固體的撞擊也產(chǎn)生熱量，實驗證明，當(dāng)氣泡凝結(jié)時，所引起的局部溫升可達(dá)300℃左右，使得冷熱固體形成了熱電偶，彼此間產(chǎn)生了電流，這是固體表面遭受侵蝕的電化學(xué)原因。

綜上所述，氣蝕是一個綜合的物理現(xiàn)象的而非單一的物理量，因此它是不可能通過某一單一的物理量來描述和測量的，而只能通過綜合的分析和診斷得到一個評價性的描述，例如：某轉(zhuǎn)輪氣蝕嚴(yán)重，在不改變轉(zhuǎn)輪尺寸的情況下僅僅替換轉(zhuǎn)輪的材質(zhì)，就有可能完全消除氣蝕產(chǎn)生的破壞，但這時的水力及機(jī)械作用量的測量結(jié)果將和原先有氣蝕破壞時完全一樣，所以氣蝕監(jiān)測的意義就在于評估這種破壞能力的大小或效應(yīng)，而非測定其破壞后果，當(dāng)然，也可以通過經(jīng)驗的積累使這兩者產(chǎn)生一種歸納上的聯(lián)系，但這種歸納的理論化和效果描述在目前還十分困難，很難用于推廣和預(yù)測。

圖2

根據(jù)氣蝕發(fā)生的條件，水輪機(jī)中的氣蝕一般可分為3類：

翼型（葉型）氣蝕這是反擊式水輪機(jī)普遍具有的氣蝕現(xiàn)象。水流流經(jīng)葉片時，在葉片表面形成壓力差，使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)作功。通常葉片的正面是正壓力，而背面是負(fù)壓力，這種負(fù)壓是轉(zhuǎn)輪作功所必須的，但它又造成了氣蝕條件。從理論上講，這個氣蝕條件可從水輪機(jī)安裝高度上加以解決，所以翼型氣蝕產(chǎn)生的主要原因是由于轉(zhuǎn)輪葉片制造中不符合模型要求而引起的。在運行中由于運行工況不良也會引起翼型氣蝕。

當(dāng)水輪機(jī)運行在低水頭（低于設(shè)計水頭，特別是在轉(zhuǎn)輪允許的最小工作水頭附近）和低負(fù)荷運行時，水流經(jīng)過葉片就會產(chǎn)生脫流和旋渦，轉(zhuǎn)輪出口處每一個葉片形成一個旋渦，再加上整個轉(zhuǎn)輪出口的旋轉(zhuǎn)水流，就在轉(zhuǎn)輪和尾水管進(jìn)口處形成一個大旋渦（或大渦帶）。其旋渦中心產(chǎn)生很大的真空，形成空腔氣蝕，這種旋渦以一定的頻率在尾水管內(nèi)旋轉(zhuǎn)，而其中的真空帶周期性的掃射在尾水管的四周壁上，結(jié)果是一方面造成尾水管壁的氣蝕破壞，另一方面產(chǎn)生周期性的壓力波，形成強(qiáng)烈噪音，嚴(yán)重時可引起整個機(jī)組振動。

在導(dǎo)葉下端面間隙處，導(dǎo)葉關(guān)閉時導(dǎo)葉與導(dǎo)葉立面間隙處，以及轉(zhuǎn)輪止漏裝置間隙處，當(dāng)水流通過這些較小的間隙時，流速產(chǎn)生局部增高和壓力降低因而產(chǎn)生氣蝕，這種現(xiàn)象稱為間隙氣蝕。當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷運行時，導(dǎo)葉開度較小，局部流速增高，壓力降低，很容易產(chǎn)生間隙氣蝕。

以上三種氣蝕對效率和穩(wěn)定性影響最大的當(dāng)屬空腔氣蝕，目前，對空腔氣蝕和間隙氣蝕均可采用綜合分析法準(zhǔn)確的判斷和監(jiān)測，即通過測量尾水管壓力脈動、尾水管振動、頂蓋振動、水導(dǎo)軸承渦動、止漏裝置水壓脈動、導(dǎo)葉后水壓脈動等等這些量的綜合分析，可以評估空腔氣蝕及間隙氣蝕效應(yīng)的強(qiáng)弱，對于翼型氣蝕，其產(chǎn)生的效應(yīng)頻率寬廣，必須用涵蓋整個音頻范圍的分析設(shè)備和儀器來加以控制和分析，造價昂貴，而且因為翼型氣蝕發(fā)生的位置對監(jiān)測效果影響較大，所以對于翼型氣蝕僅限于發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生，很難評估其破壞能力，因此可知絕大多數(shù)可以采用低廉的綜合分析法，避免空腔氣蝕和間隙氣蝕，已經(jīng)可以產(chǎn)生非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)

水輪發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子空氣間隙是一項重要的電磁參數(shù)，它對電機(jī)的其它參數(shù)、運行性能及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著直接的影響。設(shè)計選定的氣隙值，由于種種原因，在機(jī)組安裝、試運行以后會發(fā)生變化。這些原因包括制造、安裝的諸因素和定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)部件受電磁力及離心力的作用，其中尤其與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特征有較大關(guān)系。運行中的發(fā)電機(jī)氣隙均勻性直接影響其電氣特性和機(jī)械性能的穩(wěn)定，有著不容忽視的作用。

發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)在線監(jiān)測發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子空氣間隙，可以直接測量出經(jīng)過長期運行后定子的變形趨勢及大小；轉(zhuǎn)子磁極的松動和結(jié)構(gòu)變形；定轉(zhuǎn)子同心度的定位偏差和改變傾向，以及在正常運行和電氣事故沖擊過程中動態(tài)氣隙是否滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，對于評估發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性有著不可替代的和十分重要的作用。

具體的檢測過程采用在定子內(nèi)部貼裝薄片狀氣隙傳感器實現(xiàn)，目前已有標(biāo)準(zhǔn)的傳感器可購買，效果容易保證。

磁通量測量：大量的定子絕緣故障及轉(zhuǎn)子繞組故障都會伴隨著對應(yīng)空間位置的磁通量變化，正是基于這一原理，可以通過檢測發(fā)電機(jī)定量間隙中的磁通量獲得定轉(zhuǎn)子電氣狀態(tài)的直接測量結(jié)果。例如：當(dāng)某一磁極發(fā)生匝間短路，則當(dāng)這個磁極掠過磁通量傳感器位置會比其他磁極所產(chǎn)生的磁通量更小，從而明確地定位此故障。又如通過長期監(jiān)測貼于定子某一位置的磁通量，通過分析其變化規(guī)律即可判斷定子線棒有無放電、短路等故障，同時對于磁極松動、第二氣隙形成等轉(zhuǎn)子機(jī)械故障也可以精確的檢測，具有很好的實用性。

診斷檢修替代傳統(tǒng)停電檢修的推廣，原有的停電試驗已不能完全適應(yīng)電力生產(chǎn)的需要。電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一門新技術(shù)，它是在電氣設(shè)備運行中隨時監(jiān)測分析電氣設(shè)備絕緣的狀態(tài)參數(shù)，并反饋給運行維護(hù)人員，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備事故隱患，減少不必要的停電檢修及破壞性的絕緣試驗工作，保證設(shè)備的安全運行，提高設(shè)備供電的可靠性。

一般機(jī)組運行多年后，絕緣材料在機(jī)械、熱力、電力和環(huán)境的作用下會逐步老化，由于絕緣隱患所引起的局部放電，起因于發(fā)電機(jī)的絕緣老化、放電，定于槽楔中綁線松動造成的斷股和槽放電等，這些情況的產(chǎn)生和發(fā)展都可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)絕緣的劣化，傳統(tǒng)的停電預(yù)試不能保證發(fā)電機(jī)絕緣在一個檢驗周期內(nèi)安全運行，尤其是無法掌握運行中發(fā)電機(jī)的絕緣放電的狀態(tài)變化。因為事故的發(fā)生及發(fā)展都有一個過程，該過程伴隨的放電發(fā)生與發(fā)展過程存在著很大的隨機(jī)性，絕緣失效的危險也就大大地增加。如果絕緣失效發(fā)生，檢修的費用是十分昂貴的。電廠可能需要花費數(shù)月時間來重繞這臺機(jī)器，重繞是一項費用高昂且耗工耗時的工作，對電廠來說損失巨大。根據(jù)我國歷年來的相關(guān)統(tǒng)計，100MW以上的發(fā)電機(jī)（包括水輪發(fā)電機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)）每年每百臺發(fā)生的故障率為7～9次左右（其中1997年為7．59次，1998年為8．67次）。

大部分絕緣老化都會造成局部放電（電暈），即高壓絕緣層中的小火花，都可以通過局部放電測試來檢測。這種方法是通過檢測局部放電脈沖的頻率、幅值、極性和相位來評估絕緣系統(tǒng)的老化程度。以往發(fā)電機(jī)局部放電測試被高強(qiáng)度電子噪聲干擾，使得測試結(jié)果很難分析，需要高度的專業(yè)水平才能做出正確的分析。但是，隨著近期高新技術(shù)的不斷發(fā)展，可以消除噪聲干擾并將局部放電量化的儀器和傳感器被開發(fā)出來，使得測試過程的進(jìn)行和結(jié)果分析可以由電站的一般非專業(yè)工作人員在機(jī)組運行的情況下完成，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實用性。致力于通過檢測局部放電來診斷和測試絕緣質(zhì)量和老化程度，有利于延長檢修周期，降低檢修和生產(chǎn)成本，保證設(shè)備的良好狀態(tài)和提高設(shè)備的利用率。

絕緣監(jiān)測的實用技術(shù)基本上是基于對局部放電產(chǎn)生的放電脈沖的監(jiān)測，比較廉價的方式可以直接監(jiān)視和分析定子中性點的接地電流或者更完備的增加各相電流及轉(zhuǎn)子電流的波形監(jiān)測，可以定性的評估出絕緣老化的狀態(tài)，對于典型的放電能夠根據(jù)的繞組的電氣長度精確定位，昂貴的方案是采用電容式檢測法也能達(dá)到同樣效果，其分析技術(shù)要求較低。

(5)其它系統(tǒng)傳輸?shù)拈_關(guān)量、模擬量等

5.3其它在線監(jiān)測系統(tǒng)

包括主變在線監(jiān)測、避雷器在線監(jiān)測等，這些在線監(jiān)測系統(tǒng)相對而言分析診斷的自動化水平還不是很高，其測量結(jié)果的綜合應(yīng)用也還不是很成熟，數(shù)據(jù)量也不大，所以可以使用機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)管理功能統(tǒng)一規(guī)劃，簡化其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本。

它們和狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系均采用單向數(shù)據(jù)通訊，可以有效防止病毒及故障的相互影響，提高可靠性。

5.4網(wǎng)絡(luò)部分

狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器提供整個網(wǎng)絡(luò)訪問的數(shù)據(jù)源，即所有用戶均可以在網(wǎng)上實時查看狀態(tài)監(jiān)測的結(jié)果報告，專門的用戶還可以實時的分析和診斷當(dāng)前的機(jī)組狀態(tài)，所以，此數(shù)據(jù)服務(wù)器為一全自動的冗余數(shù)據(jù)庫，并且具有完全的開放性和擴(kuò)張能力。

WEB服務(wù)器提供整個網(wǎng)絡(luò)的訪問服務(wù)及防火墻，在用戶規(guī)模和用戶訪問量較小時也可省略（但性能降低了），主要是完成狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)和用戶局域網(wǎng)的物理連接，采用瀏覽服務(wù)和TCP-IP通道技術(shù)，阻止病毒和破壞性程序的迅速感染。

工程師工作站：作為整個網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)、監(jiān)視和培訓(xùn)設(shè)備，可以由專門的值守人員使用，實時的監(jiān)視和分析整個系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)交換站：完成其他擴(kuò)展性在線監(jiān)測系統(tǒng)向狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的開放性接入工作，并且完成計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中已測物理量在狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的共享使用，并通過單向獲取數(shù)據(jù)方式從根本上杜絕病毒的傳播，避免對監(jiān)控系統(tǒng)的影響。

綜上所述，在云峰的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實施計劃中，還有許多的實際工作需要分批分期循序漸進(jìn)的實施。由于機(jī)組穩(wěn)定性、機(jī)組效率、機(jī)組氣蝕及發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)監(jiān)測等系統(tǒng)發(fā)展較早，可以較好的互相映證，達(dá)到倍增效應(yīng)，所以先期完善這些系統(tǒng)其應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益更為明顯。其次，狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在投資較少時可以先不考慮，但其構(gòu)建將使一套監(jiān)測系統(tǒng)變?yōu)槎嗳硕嗟攸c同時進(jìn)行不同工作的全新狀態(tài)監(jiān)測模式，充分發(fā)揮了投資的效益和狀態(tài)監(jiān)測的實用性，使整個的性能倍增且可以根據(jù)實際情況選擇與狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)同步發(fā)展與規(guī)劃，或者甚至優(yōu)先實施以保證實用效果的構(gòu)建方式。