1、全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 电气354600MW 发电机端部振动监测的实现李 文（国电浙江北仑第一发电有限公司 浙江省 宁波 315800）【摘 要】本文叙述了大型发电机组线棒端部振动监测系统总体框架的构成、关键监测参数的确定、监测实时性、数据库类型和数据分析功能等方面的需求，并介绍了发电机线棒端部振动监测系统在生产实际中的应用和重要作用。【关键词】端部振动 FFT 计算 固有频率 趋势分析0 引言在发电机组日常运行中，发电机定子铁芯及线棒因为转子磁场的影响，会受到交变电磁力的作用。对于工作频率为 50Hz 的发电机来说，铁芯及线棒所承受的交变电磁力的频率是 100
2、Hz。在这种电磁力的激励下，发电机铁芯及线棒往往会产生 100Hz 的振动响应。由于发电机端部线棒结构类似于悬臂梁，不易做到如定子槽中线棒那样备牢牢的固定，比较容易在电磁力的作用下激发出振动，因此有关规程规定发电机线棒端部从设计上应避开了 94Hz115Hz 的固有频率区间，以避免共振产生大的振动造成端部绕组松动和绝缘的磨损，危及发电机组的安全运行。但现场实践表明，发电机在运行一段时间以后，线棒端部会因为振动逐渐发生松动，导致其固有频率落入 94Hz115Hz 的范围内。因此安装发电机线棒端部振动在线检测装置，密切监视端部振动状况，对于发电机组的安全运行有着重要的意义。1 系统开发背景北仑电厂
3、二号发电机是由法国 ALSTOM 公司产品，其中定子由北京北重汽轮电机有限责任公司组装，发电机型号为 T264640，额定功率 621MW，额定电流 19919A，无刷励磁方式，于 1994 年投入运行。2006 年 5 月，二号发电机正常运行时发生定子线棒绝缘故障，经过抢修后机组重新投运，从安全角度出发 2007 年 1 月二号发电机定子线棒进行了整体更换。发电机线棒安装完成后，进行端部模态试验发现汽励两侧均有个别点的振动频率落在 85Hz115Hz 范围内。发电机线棒端部频响参数是一个结构特征参数，主要影响因素决定于端部线圈的固定件的强度，对于已经完成线棒端部固定的发电机来说，固有频率是很
4、难改变的，只通过重新设计、制造、安装端部线圈固定环，才能改变发电机端部线圈的频响参数。控制发电机运行中端部线圈的振动幅值，把振动幅值控制在线圈能承受的振动幅值范围以内，是当前确保发电机安全运行首选的关键控制方法。为确保大修后的发电机定子线棒的运行安全，对试验中振动幅值偏高的端部线棒安装了加速度振动传感器，利用二号汽轮发电组机振动实时检测系统对发电机端部线棒进行振动实时检测，获取了部分实验数据。同时根据发电机定子端部线棒的振动特点，设计开发了适合发电机端部线棒振动特点的振动实时监测系统。全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 电气3552 系统整体结构如图所示，整个系统组成包括数
5、据采集器、工作站、服务器、用户计算机等硬件设备以及工作站软件、服务器软件和安装在各用户计算机上的客户端软件，所有设备借助公司局域网连接成完整的振动监测网络系统。数据采集器负责完成现场信号的预处理、A/D 转换等工作，完成数据采集工作后，将其传送到工作站。工作站负责对数据采集器的管理，并采用 TCP/IP 协议将数据通过局域网传输到服务器。在完成上述任务的同时，工作站也承担所有检测数据的暂存任务以及振动数据就地实时浏览、实时和历史数据分析的任务。工作站的设置在很大程度上提高了数据的安全性和现场工作的方便性。服务器负责对所有数据进行管理。接入公司局域网的任何一台计算机安装了客户端分析软件后，可以作
6、为客户机访问服务器。3 检测点和检测数据选择为了能够有效的监测端部的整体振动状况，ALSTOM 专家在发电机汽轮机侧和励磁机侧端部共安装了 11 个专用加速度振动传感器。所有传感器在端部圆周方向上等角度均匀分布，在振动较高点布置多个传感器。具体测点布置如下表所示：序号 测点编号 测点描述1 OR12ORI 励侧12槽线棒锥体外侧振动测点2 OR26OSG 励侧26槽线棒端部压圈振动测点3 OR26ORI 励侧26槽线棒锥体外侧振动测点4 OR12UBK 励侧12槽线棒端部振动测点5 OR26UBK 励侧26槽线棒端部振动测点6 OR40UBK 励侧40槽线棒端部振动测点7 TR14ORD 汽侧
7、14槽线棒端部振动测点8 TR27ORD 汽侧127槽线棒端部振动测点9 TR41ORD 汽侧41槽线棒端部振动测点10 TR14ORI 汽机14槽线棒锥体外侧振动测点侧11 TR27ORI 汽机27槽线棒锥体外侧振动测点侧数据采集器工作站服务器用户全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 电气356如前所述，在发电机运行过程中由于电磁力的影响所产生的振动主要是 100Hz 的成分，而二号发电机改造完成后在运行中对端部实际振动信号的测试，也发现 100Hz 的幅值成分占电机端部振动总幅值的绝大部分，因此显示的振动数据要求以 100Hz 信号为主，并辅以振动通频幅值。系统对原始振动
8、信号经 FFT 运算，从中获取 100Hz 的振动幅值，并经过二次积分运算将加速度幅值转化为位移幅值，方便同相关限制标准的对比。除了受本身结构、强度等因素的影响外，发电机端部线棒的振动幅值主要取决于它所承受的激振力。在机组运行过程中，线棒激振力主要由旋转磁场的强度产生。因此本系统在引入振动信号外，把发电机有功和无功功率信号、发电机电流、出口电压也作为监测对象。引入这些信号的另外一个目的是通过与振动信号的相关分析，考察发电机线圈振动幅值受有功负荷、无功负荷大小及负荷变化率的影响程度，并统计得出其中的规律，为运行的操作提供指导。4 实时数据显示及报警实现实时数据的显示首先必须满足数据采集准确率和实
9、时性的要求，为此系统在硬件上采用 VDA-2000 型专用振动数据采集器。该采集其以高性能数字信号处理器（DSP）芯片为核心，具有 14 位A/D 采样模块，采样频率最大达到 250KHz。振动信号样本长度则考虑为 1024 点，并引入键相信号进行数据同步整周期采样。采样格式上则可以选择 32 点/周32 周/次、64 点/周16 周/次、128点/周8 周/次等多种的采样模式，满足不同频率分辨率的振动监测。以 32 点/周32 周/次格式为例，0.64 秒完成一次采样，频率分辩率为 2Hz。系统采用 100实时方式工作，振动振动信号进行完全的实时测量和监测，振动实时库数据保存密度为 10 秒
10、，振动报警、故障数据实时保存，工作站振动数据多级可调，最高振动数据刷新率为一个样本次，满足不同用户需要选择之用，客户机用户振动实时数据刷新为每秒一次。数据的实时显示方式设置了棒图、趋势线、系统示意图等多种方式，技术人员从任何一个显示界面都能够得到所有的数据信息。根据发电机端部线棒的振动特点，系统针对性增加了二倍频振动棒图，在该棒图上同时显示了 100Hz 的振动加速度、振动速度及振动位移三种振动测量值，方便用户使不的发电机端部线棒监测标准。由于发电机端部线棒振动监测标准大都是针对 100Hz 信号而言，为此系统在振动通过监测的基础上增加了 100Hz 振动成分的分频监测。根据相关标准的要求，正
11、常运行的发电机其端部振动（100Hz）的幅值不应该超过 250 微米。同时为了能够及时提醒运行人员进行干预，系统配置了二级报警功能，根据日常运行稳定值加以偏置作为一级报警，250 微米幅值作为二级报警，以数字、棒图显示颜色的变化来提醒用户。5 数据库结构的设置从用户角度出发，对各种类型的数据有着不同的需求，一般来说数据库中数据量越多、时间密度越大用户所能够得到的信息也就越完整，然而对于一个监测系统来说，不可能做到所有数据的保存，只能是数采器采得数据中的很小一部分。为了最大程度正确记录各个工况条件下的振动状态，满足日常统计分析、故障分析的需要，系统设置了多种振动数据保存控制方式，包括正常数据库、
12、全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 电气357报警数据、开停机数据等数据类型，正常数据库又分为当前数据库、历史数据库。 当前数据库保存的数据，数据间隔时间为 20 秒，数据库总容量为三天数据量； 历史数据库保存一年的数据，数据保存间隔为 20 分钟； 报警数据库数据保存方式为 100%实时，即某一振动数据报警时系统对所采集的每个样本数据都作保存。 开停机数据库则保存了机组启动过程中的所有数据，数据密度通报警库相同，开停机转速区间设置由用户手工设置。振动数据保存控制：定时限正常数据保存，整机最大值保存。6 系统分析功能设计系统分析功能包括实时分析功能和历史分析功能，实时分析功
13、能包括实时棒状图和系统示意图，分别以棒状图和数据的形式实时显示振动幅值和其它参数值。历史分析功能包括了频谱波形分析和趋势分析（包括整机趋势分析和综合趋势分析），以图形的形式提供历史数据的各类查询和对比。6.1 趋势分析当振动幅值超过控制值或有异常时，需要对振动趋势、振动信号的波形和振动频谱信号进行分析。不论是何种类型的分析，均要经过数据选择这一环节，当振动分析需要在各种分析方法之间切换时，需要重新进行数据选择操作，振动分析效率低，因此本系统将振动趋势分析、波形分析、频谱分析组合在一起，构成了一个综合趋分析界面。综合趋分析界面将分析画面分为三个窗口，分别显示趋势线、波形图和频谱图。选择数据段以后
14、，趋势窗口首先显示振动幅值随时间变化的曲线，当鼠标点击趋势曲线上任何一点时，该时间点振动波形图和频谱图能在各自窗口中显示。除了综合趋势分析，系统同时设置了整机趋势分析，对所有测点的数据以同一时间坐标进行显示，用于各参数之间的相关分析，判断各参数的相互关系。6.2 细化分析振动实时系统记录了大量的振动数据，当选择的数据总量大于屏幕有效像素时，趋势曲线只能显示出部分测量值，部分或大部分数据无法在屏幕上显示。为显示这些隐藏的数据，需要对趋势曲线进行细化分析。在需要细化的趋势曲线上按下“SHIFT”键并移动鼠标，就能够将选择范围内的趋势曲线放大到整个趋势画面。细化可以多次进行，直至数据全部显示在屏幕上
15、时止。6.3 分析切换功能分析切换功能提供了不同分析窗口的快速转换。如在实时检测窗口，用户双击需要测点的棒状图能够方便的进入综合趋势分析窗口，系统默认选取所有当前库数据的数据。在切换分析过程中大量的数据选择操作由软件在后台完成，极大地方便了使用者，提高了分析效率。7 结论本系统投入运行后，为运行人员监视发电机端部振动工况提供了有力的依据，使其始终处于有全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 电气358效的监控。二号发电机经过一段时间运行后，技术人员利用系统提供的大量支撑数据和便捷的数据分析工具，逐步掌握发电机端部的振动规律，明确了振动同有功、无功负荷间的关系，提出了防止发电机线棒端部振动超限的运行操作指导，并设立各种负荷条件下无功的控制策略。由于控制得当，一直以来二号发电机在满负荷的工况下线棒端部振动基本稳定在 200 微米以下。作者简介：李文（1974），男，工程师，从事火力发电厂状态监测与技术管理工作，国电浙江北仑第一发电有限公司，浙江省宁波市北仑区进港西路 66 号，315800 _
