一种基于状态量分析的汽轮发电机状态评价系统

一种基于状态量分析的汽轮发电机状态评价系统

吕嘉琛王新鲁竞

（浙江浙能技术研究院有限公司杭州310006）

摘要：发电机作为电力系统的核心之一，其运行可靠性直接关系到电网的安全和发电企业的利益。相较于传统的评价手段，本文介绍的汽轮发电机状态评价系统能更全面，更及时的提供状态评价结果和缺陷诊断分析，有助于实现汽轮发电机的状态检修。

关键词：汽轮发电机；状态评价系统；状态检修

AConditionEvaluationSystemofTurbo-generatorBasedonStateQuantitiesMonitoringandAnalysising

WANGxin，LUJia-chen

（ZhejiangEnergyTechnologyResearchInstituteCo.Ltd.，Hangzhou，310006，China）

Abstract：Asoneofthecoredevicesofpowersystem,theoperationreliabilityofgeneratorisdirectlyrelatedtothesafetyofpowergridandthebenefitofpowergenerationenterprises.Comparedwiththetraditionalevaluationmethod,theTurbo-generatorconditionevaluationsystemseemsmorecomprehensiveandmoretimelytoprovidetheevaluationresultanddefectdiagnosis,itishelpfultoachievetheconditionbasedmaintenanceofturbo-generator.

Keywords:Turbo-generator;conditionevaluationsystem;conditionbasedmaintenance

0引言

随着发电设备朝着高参数、大容量方向发展，受制造水平、安装调试及运行维护等多方面因素影响，投运后发电机之间的健康状况相差较大。发电机是电力系统的心脏，一旦出现严重故障，将会造成巨大的经济损失，因此如何提高发电机的运行可靠性始终是发电企业的一个重要课题。在传统的定期计划检修中，会出现状态好的设备检修过度，造成费用浪费；而状态差的可能因维修不及时，引起故障扩大。因此，发电企业为克服定期检修制度的不足，正逐步向更为合理的状态检修方向发展。

1发电机状态检修

1.1发电机预防性状态检修

近年来，随着发电机状态监测和故障诊断技术不断发展和完善，预防性状态检修成为发电机检修工作发展目标。所谓发电机预防性状态检修是指在预防性试验的基础上、从计划检修的模式下脱颖而出的一种新模式，它检修的依据不局限于预防性试验的数据，而是在收集、掌握、分析发电机的各种状态信息的基础上，如：交接安装验收、预防性试验、在线监测、运行工况、检修消缺等信息，进行综合判断、全面评估发电机实时状态，帮助发电企业摆脱被动检修和不太理想的定期检修的困境，根据设备实际的运行状况，合理安排检修工作，实现所谓“预知”维修。这样既可避免由于设备突然损坏，停止运行带来的损失，又能让状态良好的设备长期运行，有助于提升发电企业经济效益。

1.2发电机状态评价系统开发的必要性

从发电机检修经验和近些年国内外研究、实践来看，掌握发电机实际状况是实施发电机状态检修的前提和基础，而正确、及时的状态评价能够为发电机检修提供有力的技术支持和决策依据。

浙江省发电企业已进行了多年发电机评估工作，在发电机状态评价工作方面积累了较多实践经验，并取得了一定效果。但这种评估工作主要依靠人工收集、填报相关信息的方式完成，在实时性、连续性、同期性等方面存在明显的不足，提供的评估结论时效性较差，且评估周期长，评估人员工作量大。因此有必要开发一种更为有效的评价系统，能实时反映发电机设备状况，并满足大型发电集团对下属发电机设备监督管理要求。发电机状态评价系统应实现以下功能：

（1）具有较高的信息自动化水平，需人工收集、录入数据的工作量极少；同时能降低人工输入错误数据的概率，确保系统所采集的数据能反映发电机的真实状态；

（2）全面地收集相关信息，引入在线监测、带电测试数据，克服以往以离线数据和运行参数为主的评价方式；

（3）实现发电机状态评价工作科学性、智能性、连续性；

（4）具有对发电机系统存在的隐患发出警报、提示功能；

（5）针对发电机存在的部分隐患、缺陷作出初步的分析和诊断。

2汽轮发电机评价系统主要结构和实现流程

根据目前汽轮发电机应用现状，要实现发电机状态评价功能，首先要针对具体机型及配置水平来选定能全面反映发电机设备状况所需的状态量，所以需要编制《汽轮发电机状态评价导则》来建立合理的状态量评价方法和评价模型，综合评估发电机设备状态。评价系统应包含以下三层结构：状态量监测层、状态量分析层和状态评价层。

2.1状态监测层

状态监测层是基础层，其主要功能为数据信息即状态量的采集和有效性检验。一方面利用在线监测装置和带电测试仪器等硬件设备，连续、实时监测发电机的主要电气参数、线棒层间及出水温度、铁心温度、定冷水水质参数（电导率、pH值、铜离子含量）、氢气品质参数（压力、温度、露点、纯度）、密封油温、漏氢检测、绝缘过热、定子绕组局放、定子绕组端部振动、轴振、轴电压（轴电流）、集电环红外成像、转子绕组匝间短路探测等状态量，并对所采集的状态量有效性进行检验，剔除其中无效数据。

此外，设备停电检修、试验的数据信息，运行中消缺、维护记录等均是评价发电机状态不可缺少的资料，依据相关规程和反措要求从中选定相关状态量。

2.2状态量分析层

状态量分析层是系统中间层，基于《汽轮发电机状态评价导则》中状态量的评价方法，针对每一个选定的状态量进行具体评估，并以分值的形式来描述各状态量。

2.3状态评价层

第三层是状态评价层即结果层。通过系统中间层对状态量分析，依据评价模型、专家经验得出发电机整体状态评价结论，以及异常状态量原因分析，帮助发电企业制定适宜的运维及检修策略，及时检修状态危急的设备，或合理延长状态良好的设备检修周期，最终实现机组安全、经济运行的目标。

2.4评价功能实现流程

汽轮发电机状态评价功能实现简要流程如图1所示。

图1汽轮发电机状态评价系统简要流程

3汽轮发电机状态评价实现方法

3．1状态量选定与分类

评价系统将汽轮发电机划分为四个主要功能单元：发电机定子、发电机转子、发电机轴承和发电机辅助系统。每个功能单元又由若干主要部件组成。

评价系统将所涉及的直接或间接反映发电机设备状态的各类信息称为状态量，状态量分为运行状态量和检修试验状态量两大类。运行状态量即反映设备在运行中获取的状态量，主要包含：通过在线监测、带电测试、巡视检查等手段获得的工况参数及状态信息。检修试验状态量指在设备投运前或检修中获取的状态量，主要包含：设备停电检修、试验（包括出厂、交接及预试）过程中获得的数据信息。

结合目前汽轮发电机结构型式、检修试验项目内容、在线监测设备配置情况以及相关反措要求，表1中所列的状态量供汽轮发电机状态评价工作参考选取。

3.2状态量评价方法及发电机整体评价

3.2.1主状态量和辅助状态量

汽轮发电机状态评价系统综合衡量所选取的各状态量对发电机正常运行影响程度，并考核其反映故障特征的准确性，将状态量标识为主状态量和辅助状态量，目的是在评价中区分权重。主状态量是指对设备的性能和安全运行有直接影响的状态量。辅助状态量是指能引起设备性能下降，但对设备的性能和安全运行影响相对较小的状态量。主、辅状态量的区分，促使对发电机安全运行影响大的缺陷、隐患在评价结果中明显反映出来。当任一主状态量严重威胁发电机及系统安全运行时，发电机整体状态评价结果即为重大异常状态，必须停机检查处理。

图2“定子线棒层间温差”评分示意图

3.2.2状态量的评价方法

状态量的评价方法是评价系统的关键功能，应当充分搜集、分析国内外近些年汽轮发电机检修资料及事故案例，从中汲取经验教训，并总结、梳理状态量与缺陷故障之间较复杂的映射关系。同时要结合现场实际条件，考察状态量能否满足准确、灵敏、可靠的要求，保证选定的状态量应能够有效反映发电机某一或多个方面故障隐患。

发电机状态量采用扣分方式来评价。依据相关规程、标准和反措的要求，并结合现场经验，编制《汽轮发电机状态评价导则》，针对每个状态量分别制定评分标准和扣分公式。制定状态量的评价方法时主要采用了以下计分规则：

（1）为了达到预警目的，一些数据型的状态量可考虑设置比相关规定要求更高的注意值，当状态量有劣化趋势或运行控制出现明显偏差时，及时在其评价得分上体现，系统同时提示预警信息。这类状态量适合在运行参数、在线监测信息和停电试验数据中选取。

（2）状态量的评价采取扣分法，可以根据超出规定值或注意值的程度，分段进行扣分，当状态量在预警范围内时扣分较少，超出或偏离报警值、规定值越严重则应扣分越多，直至将所对应的分数全部扣完。

（3）在检修、维护工作中检查发现的异常情况，应根据缺陷部位、缺陷状况和危害影响程度加以区分，并要结合缺陷处理效果、设备家族性缺陷、处理后跟踪情况等关键因素制定合理的扣分标准。

例1：状态量“定子线棒层间温差”的评价方法（见图2）。

依据《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（国家能源局2014年4月15日发布，下同）规定，在确认测温元件无误后，对于水氢冷定子线棒层间温差达8℃应报警，若线棒温差达14℃应立即降低负荷，为避免发生重大事故应立即停机检查处理。针对前些年浙江省内较多汽轮发电机因空心铜导线内部腐蚀结垢，导致定子线棒出现温差超标而出现安全隐患的情况。为防止类似原因引发定子过热故障，在“定子线棒层间温差”这一状态量评价方法中设置了7.5℃注意值，同时设定该状态量为主状态量，对应扣分值达40分，仅此一个状态量可导致发电机状态评价结果为重大异常状态。该状态量评价方法中采用了分段扣分规则，分别在超注意值7.5℃、超报警值8℃、超规定值14℃三个区间进行扣分计算。

例2：状态量“集电环电刷装置”的评价方法

发电机转子集电环电刷装置的状况直接影响有刷励磁发电机正常运行，较多的案例介绍了因集电环装置过热引起的环火故障，造成机组跳闸、集电环电刷装置严重烧损事故。因此集电环电刷装置良好的状态是发电机正常运行的保证。在发电机状态评价系统中，有关“集电环电刷装置”的评价分为运行和检修两种情况，即检修试验状态量“集电环电刷装置检查”和运行状态量“集电环电刷装置运行检测”。

“集电环电刷装置检查”是在停机检修中形成的状态评价，若符合下列情形，可能成为发电机安全隐患，视其损伤程度予以扣分，每相对应5分，评价时取三相扣分之和：

（1）集电环表面的螺旋沟深度、表面磨损程度或不圆度任一项不满足制造厂要求，且未彻底处理。

（2）检查异常的电刷或刷握未予彻底处理。

（3）电刷压力弹簧存在机械损伤、压力不合格等异常情况未予彻底处理。

“集电环电刷装置运行检测”是运行定期巡检形成的状态量，通过检测得到的温度、目测火花现象进行评价，存在下列情况应予以扣分，评价时取三相扣分最大值，避免重复扣分：

（1）未按规定进行红外成像测温，扣20分。

（2）取集电环、电刷、刷辫等部位最高温度（集电环与电刷接触面除外），按图3进行扣分：

图3“集电环、电刷、刷辫部位最高温度”评分示意图

（3）电刷与集电环接触面存在火花现象且无法及时消除，扣40分。

3．3．3发电机整体评价

发电机状态评价以分值形式进行量化。各状态量先按评价方法得出扣分值，再结合其权重系数，综合统计得出发电机整体评价得分。发电机整体标准分为100分，若最终得分越低，则说明发电机状况越差。

发电机整体评价计分公式=100-

其中：i代表某个被扣分状态量，pi表示该状态量扣分值，ki表该状态量权重系数，n表示若干个被扣分状态量。

发电机整体状态评价结果与其得分的等价关系见表2。

其中，异常状态是指发电机的若干主状态量不符合标准要求，或一个主状态量不符合标准要求并有若干辅助状态量明显异常，应加强运行监控，尽快安排停机检修。重大异常状态是指发电机的一个或若干主状态量严重超出标准或严重异常，应立即停机检查，防止故障恶化导致更严重的事故。

3．3发电机缺陷、隐患诊断

发电机状态评价系统能依据数据、信息处理的结果，对异常情况提出告警，并采用基于专家经验库的诊断方法，对一些发电机运行中的缺陷和隐患进行综合分析，提出改善设备运行状态与性能的措施以及改进检修的计划。例如：

分析发电机定子水回路是否有堵塞情况。

主要选取发电机温度及定冷水参数：发电机定子线棒层间温度及温差，发电机定子线棒出水温度及温差，发电机定子进、出水温度及温升，发电机定冷水流量及压力，发电机进出水压差等。

以上参数在一定程度上均能反映发电机定子水回路是否存在堵塞情况，通过比较每个参数的历史数据和当前数据，得到变化率和变化趋势图，根据专家故障库进行分析，如果多项指标均反映有定冷水回路堵塞趋势，系统将会发出告警并产生一个初步诊断结果。

运行中发电机转子绕组匝间短路判断。

主要选取的试验数据及参数：发电机转子静态试验数据、发电机转子动态试验数据、发电机短路及空载试验数据、转子通风试验、发电机轴振值及振动频谱、发电机有功、发电机无功、发电机励磁电流、发电机励磁电压、发电机转子绕组匝间探测线圈在线监测结果等。

运行中转子绕组匝间短路具有其一些明显特征，因此主要通过分析发电机轴振与发电机负荷、励磁电流变化关系，转子绕组匝间探测线圈在线监测结果，并结合动、静态下转子绕组匝间状态试验数据，综合判断发电机转子绕组是否存在匝间短路情况。

4发电机状态评价系统的软件开发

4．1软件开发技术与平台

发电机状态评价系统以微软.net作为软件开发平台，设计为多层架构并采用B/S的体系结构。根据大型发电集团发电机状态评价工作需要，设计集中分散式架构布局：

电厂侧：部署电厂侧服务器，负责数据采集、录入、计算、预警、展示；

集团侧：负责同步电厂侧数据，并进行数据展示、报表查询；可切换至某电厂侧，查看详细指标。

4．2系统功能模块组成

系统由若干专门功能模块组成，划分为基础平台和状态评价两大部分，它们各包含的具体模块见图4所示。

图4汽轮发电机状态评价系统功能模块组成

4.3指标体系建立

以电厂发电机组为对象建立指标体系及指标评价体系。

4.3.1指标系统建立

（1）定义指标体系，并定义数据来源（数据提取、数据计算、手工录入），包括指标所属单位、机组等；

（2）数据提取类指标，需定义数据来源（如数据库、PI、EAM、excel）；

（3）手工录入类指标，需定义责任部门，由责任部门录入数据；如检修、检测数据等；常数类指标，如机组出厂铭牌数据等，可从EAM等系统导入；

（4）数据计算类指标，在“数据提取”、“手工录入”、“常数”基础上，定义计算公式；

（5）已配置完整的指标体系、指标评价体系、自定义报表可被其他机组引用，并快速配置；

4.3.2建立可配置的指标评价体系

（1）定义评价类型：实时评价（报警）、人工触发评价；

（2）定义不同评价类型时，各指标对应的扣分规则；

（3）系统自动获取指定的数据参与指标运算；

（4）可采用报表工具建立可配置的自定义报表

4.4数据库设计开发

根据发电机状态评价系统数据的特点，采用MicrosoftSQLServer2008作为系统的数据库平台，并且数据库开发方面采用标准SQL语句，以便将来的扩展和移植。根据系统功能模块的设计，采用数据库建模工具构建出整个数据库，为集中方式和B/S结构的应用提供了可靠的技术保证。

5评价系统的远程管理功能

发电机设备的监督管理是大型发电集团安全生产重点工作，发电机状态评价系统不仅能实现状态评估功能，同时提供了一个发电机远程监管平台。系统设计具有扩展接口，便于将集团所有发电机全部接入，因此系统能够集中每台发电机的评价结果、预警提示、历史数据等重要监督信息，确保集团管理层能够随时掌握发电机设备状况，有助于提升发电机专业管理水平。

6结束语

本文介绍的汽轮发电机状态评价系统具有状态监测、状态评价、故障诊断、远程管理等功能，对发电机的运行、检修工作具有指导意义，保障机组安全可靠运行，提升发电企业经济效益。同时提供了一个远程监督管理的综合平台，有助于提升大型发电集团发电机专业管理水平，增强企业竞争力。

参考文献

[1]党晓强，刘俊勇，杨可，雷霞.大型发电机状态监测与故障诊断[J].电气时代，2006（1）

[2]王雪波.大型发电机状态监测的方法研究[J].电力与能源，2008（12）

作者简介

吕嘉琛(1989-)，男，汉族，浙江杭州人，硕士研究生，工程师，主要从事电气一次方面工作。