贯流式机组转轮室振动测量与实施

贯流式机组转轮室振动测量与实施

曾　城１，任文军２

（１．国家电投集团广西长洲水电开发有限公司，广西　梧州　５４３００２；２．北京华来科技有限公司，北京　１０００７１）摘　要：为有效地监测贯流式机组转轮室振动数据，通过长洲水电厂转轮室振动测量的实施全过程和改进方案，结合两种测振法在电厂的实际运行情况，验证了转轮室涡流测振法的可靠性和稳定性，涡流测振法为转轮室运行状态监测实施提供了有效保证方法。

关键词：转轮室；在线监测；振动测量；贯流式机组中图分类号：ＴＰ２１２

文献标识码：Ａ

文章编号：１００１－４０８Ｘ（２０１９）０３－００９３－０４

０　引言

为适应电网规模的不断扩大，水电机组的单机容量不断增加，结构日趋复杂，自动化程度不断提高。这就对机组运行效率、安全性、可靠性与经济性提出了更高的要求［１］。智能数字化水电站在线监测系统的发展越来越受到行业的关注，而转轮室振动是机组运行状态监测的重要指标。转轮室振动直接威胁着机组的安全运行。转轮室恶劣的运行工况，是机组水淹厂房的重要诱因，也是水轮机出现异常的征兆。为了加强对机组运行工况的安全监测，及早发现隐患，消除隐患预防事故，预防水淹厂房等，长洲水电厂于２０１３年决定立项开展转轮室振动监测项目的工作［２］。

图１　磁电感应式传感器示意图

　　线圈产生的电动势与振动速度成正比，如果需要直观地观察被测物体的振动位移，需要对线圈产生的电动势信号进行硬件积分或者软件积分，这样可以有效得到我们容易理解的振动位移信号。１．１．１．２　磁电测量传感器选型及安装方式

磁电测量传感器根据输出信号一般分为速度型和位移型。速度型传感器输出的是振动传感器的原始信号，需要通过软件对其进行积分获得位移信号。位移型传感器在线圈信号后端已经加了硬件电路积分。

位移型磁电测量传感器的优势是采集设备对其进行处理时不需要另加积分算法，相对来说简单易用；速度型磁电测量传感器需要通过软件积分方可获得位移信号，无位移型传感器易用，但软件积分在获得被积分原始速度信号的ＡＤ值后，可以对其进行冲击检测，滤掉可能存在的干扰信号，速度型

１　转轮室振动测量与实施

１．１　传统磁电测量法１．１．１　传统磁电测量法简介１．１．１．１　磁电测量法工作原理

磁电感应式传感器有两个基本元件组成（见图１）：一个是产生恒定直流磁场的磁路系统，为了减小传感器体积，一般采用永久磁铁；另一个是线圈，由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。感应电动势与磁通变化率或者线圈与磁场相对运动速度成正比［３］，但壳体随外部振动时，线圈和磁界运动速度成正比的电动势。

场也会随之产生相对运动，从而在线圈上产生与外

　　收稿日期：２０１９－０３－１９；修回日期：２０１９－０４－０３

　　作者简介：曾　城（１９８７），男，广西玉林人，工程师，学士，主要从事水电站自动化运行管理，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｅｎｇｃｈｅｎｇ６６６＠１６３．ｃｏｍ；

任文军（１９８０），男，湖北荆州人，工程师，主要从事水电站在线监测系统和大数据系统开发应用，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｌ＿ｒｗｊ＠１６３．ｃｏｍ。

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　红水河２０１９年第３期

传感器相对位移型传感器更加可靠。

长洲水电厂机组状态监测系统为北京华来科技有限公司生产的ＭＣＡＳ１００，其软件具备数据积分和冲击检测功能，所以在磁电测量传感器选型上，选择了速度型传感器，其灵敏度为４００ｍＶ／ｍｍ／ｓ。１．１．２　传统磁电测量法的测值可靠性分析１．１．２．１　磁电测量与百分表测量的数据对比分析

为了验证磁电测量传感器测量的准确性，电厂

专门在７号机组上进行了一次磁电测量传感器测量法和百分表测量法的数据对比验证。磁电测量传感器测值直接从振摆监测系统获取；百分表测量数据从百分表上观察获取，为了保证百分表测量数据的准确性，将百分表架设在电厂天车的吊钩上，人为观测转轮室振动测值。现将其对比结果数据整理如下（见表１）。

　　由表１数据可知，振摆监测与百分表测值基本近似，振摆监测系统的磁电测量法精度可靠。

μｍ　

负荷百分比

表１　磁电测量与百分表测量数据对比表

测点名称

百分表振摆监测百分表振摆监测

空载６０６５５０４８

１０％７０７２５０５７

２０％７０７６６０６６

３０％８０８０７０７１

４０％８０８７７０７８

５０％１００９３８０８２

６０％１００１０１９０８７

７０％１００１０５９０９５

８０％１１０１１２９０１０１

９０％１２０１２０１００１０５

１００％１３０１２６１１０１１０

转轮室振动Ｘ转轮室振动Ｙ

　注：百分表测量精度为１０μｍ。

１．１．２．２　磁电测量法数据统计

历史数据进行分析，发现相同的负荷，振动测值分布离散，有部分测值明显高于其他测值，其负荷趋势图如图２所示。

轮室振动超标的报警信号，我们调取转轮室振动的

７号机组采用磁电测量法投运后，经常出现转

图２　转轮室振动－负荷趋势图（１）

　　为了进一步确认磁电测量传感器离散数据的可靠性，调取了一条转轮室Ｘ向振动测值为８６６μｍ的数据，对其进行波形分析，其波形如图３所示。

　　分析中发现转轮室Ｘ向振动数据在采集时间离了真实值。

内，确实由于存在外接的冲击信号，而使其测值偏

图３　振动波形图（１）

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曾　城，任文军：贯流式机组转轮室振动测量与实施　

　　通过以上数据，可以得出，虽然速度型传感器是不能完全避免外部冲击对振动测量造成的影响。１．２　创新涡流测量法

１．２．１　涡流测量法的构思与提出

面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与Ｈ１相反的交变磁场Ｈ２。由于Ｈ２的反作用，就会改线圈的有效阻抗［４］。量带来的不确定性。

变探头头部线圈高频电流的幅度和相位，即改变了

涡流传感器测量法可以有效避免外部冲击给测

可以减少部分外部冲击对振动测量造成的影响，但

为了确保测量数据的准确性和可靠性，避免转轮室振动的误报给运行和维护带来的困扰，电厂在对转轮室下游侧水泥基础振动测量后（其振动非常微小，带负荷运行时振动值小于０．００５ｍｍ），决定将转轮室振动测量法改进为涡流测量法。具体方法为：制作一个长约２．５ｍ的支架，将其固定在下游侧水泥基础上，在机架的前端固定一个涡流传感器支架，将涡流传感器安装在支架上，对准转轮室进行非接触式的测量。１．２．２　涡流传感器工作原理

传感器系统工作原理是电涡流效应。如图４所示，当接通传感器系统电源时，在前置器内会产生一个高频电流信号，该信号通过电缆送到探头的头部，在头部周围产生交变磁场Ｈ１。如果在磁场Ｈ１的范围内没有金属导体材料接近，则发射出去的交变磁场的能量会全部释放；反之，如果有金属导体材料靠近探头头部，则交变磁场Ｈ１将在导体的表

测点名称

百分表振摆监测百分表振摆监测

图４　涡流传感器工作原理图

１．２．３　涡流测量法的测值及其数据可靠性分析１．２．３．１　涡流测量与百分表测量的数据对比分析行了改进，改进后电厂再次在７号机组上进行了一次涡流测量法和百分表测量法的数据对比验证。现将其测量对比数据整理如下（见表２）。准确可靠。

　　通过表２数据可以看出，涡流测量法测量数据

μｍ　

２０１４年５月，电厂对转轮室振动测量方式进

表２　涡流测量与百分表测量数据对比表

负荷百分比

空载５０４５４０４３

１０％５０５０５０５１

２０％６０５７５０６０

３０％６０６４７０６８

４０％７０７８７０７８

５０％８０８３８０８１

６０％９０８５８０８４

７０％９０９１９０９０

８０％９０９５９０９２

９０％１００９７１００９５

１００％１１０１０３１００９８

转轮室振动Ｘ转轮室振动Ｙ

　注：百分表测量精度为１０μｍ。

１．２．３．２　涡流测量法数据统计

室振动的历史数据进行分析，发现其测量数据随负荷变化趋势明显，且未出现过一次测值突变现象。其负荷趋势图如图５所示。

室振动超标的误报警信号，３个月后我们调取转轮

７号机组采用涡流测量法后，有效避免了转轮

图５　转轮室振动－负荷趋势图（２）

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　红水河２０１９年第３期

　　通过图５数据，可以得出，涡流测量法数据相

轮室振动Ｘ最大测值时的波形，显示如图６所示。

对集中，没有再出现跳变较大的离散测值，调用转

图６　振动波形图（２）

　　此转轮室振动波形（图６）明显无跳变数据，结

问题，为卧式机组转轮室的安全稳定运行提供了长期可靠的保证。

参考文献：

［１］　王静，张红芳，潘伟峰，等．黑麋峰机组在线监测及振摆

保护系统功能设计与实现［Ｊ］．水电自动化与大坝监测，２０１３（３）：２０－２３．

［２］　国家电投集团广西长洲水电开发有限公司．长洲电厂

转轮室振动传感器安装技术方案［Ｚ］．梧州：国家电投集团广西长洲水电开发有限公司，２０１３．

［３］　百度百科．磁电式传感器［ＤＢ／ＯＬ］．（２０１７－１２－２３）．

９４％Ｂ５％Ｅ５％ＢＣ％８Ｆ％Ｅ４％ＢＣ％Ａ０％Ｅ６％８４％９Ｆ％［４］　陈玉娟，石芸苧，王立梅．电涡流振动位移传感器动态

校准技术研究［Ｊ］．工业计量，２０１３（Ｓ１）：１１－１２．Ｅ５％９９％Ａ８／３５９４９８１．

ｈｔｔｐｓ：／／ｂａｉｋｅ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｍ／ｉｔｅｍ／％Ｅ７％Ａ３％８１％Ｅ７％

合与百分表测值的对比结果，进一步确认涡流测量法不仅测值准确，而且长期稳定可靠。在不出现误报的情况下，可有效监测转轮室的振动工况，给电厂的设备安全带来了可靠保障。

２　总结

转轮室振动测量是为了满足“无人值班，少人值守”的现代化发展需求，更是电厂安全化生产的重要保障。长期以来转轮室振动测量均采用的是磁电测量法，然而由于磁电测量传感器容易受外界冲击（水力不稳定因素）导致信号失真，从而无法长期稳定测量转轮室振动，给运行和维护带来了极大困扰。本文通过创新涡流测量法，解决了上述

ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＲｕｎｎｅｒＣｈａｍｂｅｒＶｉｂｒａｔｉｏｎｏｆＴｕｂｕｌａｒＵｎｉｔ

１．ＳＰＩＣＧｕａｎｇｘｉＣｈａｎｇｚｈｏｕＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏ． Ｌｔｄ． Ｗｕｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｘｉ ５４３００２

２．ＢｅｉｊｉｎｇＨｕａｌａｉＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ． Ｌｔｄ． Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７１

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｍｏｎｉｔｏｒｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｄａｔａｏｆｔｈｅｒｕｎｎｅｒｃｈａｍｂｅｒｏｆｔｕｂｕｌａｒｕｎｉｔ ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｅｄｄｙｃｕｒｒｅｎｔｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｒｕｎｎｅｒｃｈａｍｂｅｒａｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｗｈｏｌｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｒｕｎｎｅｒｃｈａｍｂｅｒｏｆＣｈａｎｇｚｈｏｕＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｍｅｔｈｏｄｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｇｕａｒａｎｔｅｅｆｏｒｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｒｕｎｎｅｒｃｈａｍｂｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｒｕｎｎｅｒｃｈａｍｂｅｒ ｏｎ－ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｕｂｕｌａｒｕｎｉｔ

ＺＥＮＧＣｈｅｎｇ１ ＲＥＮＷｅｎｊｕｎ２

ｔｈｅａｃｔｕａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｗｏｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｉｎｔｈｅｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ．Ｔｈｅｅｄｄｙｃｕｒｒｅｎｔｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

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