对当前汽轮发电机在线监测应用的初步分析
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摘要：
根据国内外汽轮发电机在线监测的应用情况，提出配置在线监测应遵循的原则，在对当前各种在线监测应用初步分析的基础上，提出合理配置在线监测的策略性建议。 关键词： 汽轮发电机 在线监测 监测装置
前言:
随着电子信息技术的飞速发展，从20世纪80年代初开始，各种各样的在线监测装置在汽轮发S电机上得到了推广和应用。以往，我国发电设备长期以来实施“计划维修”，缺乏针对性，容易造成设备的“过度维修”。现在，先进的工业国家都转至状态维修也就是“需修时修”。 设备状态监测和诊断是实施状态维修、预知维修的重要基础，而状态维修必须扎根于状态监测仪器的实用性、可靠性及对测试结果的解读能力上。发电机容量的大小、已运行时间的长短、不同冷却方式、在线监测装置的可靠性等都会影响到在线监测装置的配置。因此，如何合理应用和配置在线监测装置是一项比较复杂的策略性选择，尤其在广泛推广使用时更要慎之。1 国内外简况为了解汽轮发电机在线监测的应用情况，国际大电网会议旋转电机委员会(CIGRE/SC11)在1995～1998年发出了调查提纲，该调查表有2个目的。 （1） 要了解发电机制造厂、用户、在线监测供应商三方面对各种在线监测的认可程度。 （2） 要统计应用中的实报、误报及漏报情况，以确定置信度和成熟程度。 该调查表主要是针对水、氢冷却的汽轮发电机，对在役发电机以15年加以区分，发电机的容量分3挡：100～250 MW；251～499 MW；500 MW以上回复率60%［1］。面对国内在线监测的高速发展，1998年5月，中国电机工程学会大电机专委会将CIGRE/SC11这份调查提纲向国内分发，全国安装200 MW及以上发电机的单位都接到了这个调查表，回复率约20%。兹将主要问题的国内外大多数调查结果对比列于表1。2 选择在线监测应遵循何种原则CIGRE/SC11在1998、2000年，根据上述调查结果，对选择在线监测应遵循的原则进行了讨论。其共识是： (1)在线监测装置的作用是对渐变过程进行监视，以对发电机状态进行科学预知，它不能代替突发事故时的各种瞬时记录仪。 (2)发电机制造厂在新机开发与新机投运过程中要对在线监测数据进行跟踪和关注，对配置提出推荐意见。 (3)对需要专家解读或需要辅以离线分析的在线监测装置或数据，应由发电机制造厂、运行单位、在线监测装置供应商共同磋商，不能把做结论的责任推给运行单位。其不同观点是：以美国GE公司、德国SSW公司为代表的认为，即使是大型汽轮发电机，也无需太多的在线监视，因为发电机可靠性在出厂时制造厂已有判断。运行单位只要严格按规程运行，可靠性就可保障。GE公司举例，他们对定子端部绕组振动是经过充分研究的，无需逐台振动监测。SSW公司也举例，SSW定子绕组采用GVPI工艺，无需局部放电监测。美国GE公司、德国SSW公司认为，过多的在线监视不仅增加了投资，对运行也加重了负担。另一方面，以法国EDF公司为代表，谈到了法国核电900、1300MW的经验，指出了大机组新机就装经过选择的在线监测装置(如SEVM)对状态维修的好处。 表1 国内外调查结果简表国外多数回答答国内多数回答1. 各种在线监测装置的配置情况如何?各国、各电力公司、各电厂各不相同，新机、老机、不同容量各不相同不知有什么文件规定，几乎全部统一。200MW及以上新机都装有GCM，HPA，SCW，RFM或PDM，HLM，HDM，HLOM。运行15年以上的老机很少装2. 各种在线监测装置目前已装的总数量，今后5年计划装的数量?根据统计已装的在线监测总数量:美国第一、中国第二、日本第三、法国第四；今后5年计划安装的数量：中国第一、美国第二、法国第三，其他国家无计划 3. 哪些在线监测装置能够提供有用的、可信的信息?多数国家认为，大部分在线监测装置能提供有用的信息，但可信度与仪器成熟度有关 直读的在线监测(HPA、SCW、HLM、HDM、HLOM)能提供有用、可信信息，需解读的(如GCM、RFM、PDM)较难4. 通过以往使用经验证明这些装置值得装否?各国对不同的在线监测有不同的回答。主机制造厂及监测设备制造商肯定的多；运行单位比较保守，认为在发电机能可靠运行时，应尽量少装或不装直读的在线监测装置得到了肯定。但是较复杂的、需要解读的有疑问或被否定 5. 哪些在线监测装置对主机有风险?SSC有较大风险(瑞士、法国、日本)，GCMPlus有较大风险(芬兰、澳大利亚)不知道 6. 这些监测装置是否需要进一步发展为专家系统?各种在线监测装置有的可以单独判断。进一步发展应该是信息交叉和专家系统，但只是研究，先搞些单目标的专家系统，如转轴振动、定子绝缘工况分析系统较为实际一些高校认为有必要，制造部门和运行部门认为很难证明当前有市场需要 7. 对现有在线监测有哪些改进建议?GCM：加Plus(英国、加拿大、意大利、澳大利亚) GCM、RFM：由于漏油污染或因误 HDM：寿命挺不到一个大修期RFM：RFM+RFCC2(瑞士)BCM： 加红外线测温(法国)HLM： 要改进小流量的精度(日本)8. 对新机、制造厂和使用部门是否推荐在线监测的配置?发电机制造厂向用户应有推荐意见 一切由招标书决定经过讨论得到的合理配置在线监测应遵循的原则是：什么机组需要装，在什么时候装，装何种在线监测装置应由发电机制造厂推荐，并与运行单位磋商后决定。对比上述原则，我国目前这种新机都得装，装得越多越先进，一切由招标书说了算的作法，是否也应该冷静思考一下它的合理性和经济性?3 对当前我国在线监测装置应用情况的初步分析 在目前，国内200MW及以上汽轮发电机配置的在线监测装置中有直读与解读二大类型。3.1 直读型在线监测装置 国内正在使用的有HPA、SCW、HLM、HDM、HLOM。这类装置在线监测获得的数据或趋势曲线可直接读到，无需专家解读，可从数值中得知某参数的状况。这与早已掌握的发电机电参数(有功、无功电压，电流……)、某些非电量(温度、压力、流量、轴振……)等在线监测十分相似，其中HPA、SCW、HDM还大量使用国外产品。这类直读型设备可信度较高，很少有漏报、误报现象。下面分别介绍这些装置的特点。 HPA(氢气纯度分析仪)：一套自动测量氢气中其他气体含量的设备，有防爆要求，当氢纯度＜95%时，可越限报警和自动补、排氢气，也可预警氢侧密封油超量、密封油过热等异常情况。 SCW(定子冷却水导电率仪)：通过测量定子冷却水的导电率以防止定子空芯铜线积垢堵塞，保持水导率为0.5～1.5μs/cm。对定子接地、树脂离子器失效、空芯导线堵塞、聚四氟乙烯管闪络、水化学性能不平衡能有预警作用。 HLM(氢气漏入水中监测器)：在定子密封水箱中装置压力表，当氢漏量超过规定值时，自动开启排气阀，并通过气体流量表记录排气量。由于机内氢压高于定子水压，因此当定子内部水系统回路组成件有问题时(如空芯导线裂纹、水接头漏水、汇流管接头渗水、密封垫失效等)，HLM就会预警。HLM在我国很多电站及时成功地预报了定子漏水故障，从而避免了故障的扩大，显示了简易可靠、不可替代的作用。国标GB7064—2002规定，当内冷水系统中含氢量超过3%(1.5%)时，应加强对电机的监视；若超过20%(8%)，应立即停机处理。或当内冷水系统中漏氢量大于0.5 m３／d(0.25 m３／d)时，可在计划停机时安排消缺；若漏氢量超过10 m３／d(4 m３／d)时，应立即停机处理。美国GE、日本东芝、法国ALSTOM公司认为此要求太松，应改为括号内的数值，这值得我们参考。 HDM(氢气露点仪)：测量机内氢气湿度并以露点表示。可以预示转子护环应力腐蚀，冷却器漏水、氢气干燥器失效等故障。但目前普遍使用的VAISALA产品寿命还不能满足要求。 HLOM(漏氢监测仪)：相当于HMU，在指定的可能泄漏位置取样检测，并以声、光、电形式给出预警信息，以避免氢爆发生。过去国产的HLOM受感元件寿命不够长，现已有所改进。HLOM已得到了市场的认可，但要注意漏油堵塞管路造成仪器失灵，此时要及时清洗管路。3.2 解读型在线监测装置 国内正在使用的有SEVM、RSTD、STOM、GCM、RFM或PDM。这类在线监测装置由于装置比较复杂或预示面广且重要，其测试结果一般需要专家解读，特别是根据监测结果做决策时更需要专家会诊。下面分别介绍这些装置的特点。 SEVM(定子端部绕组振动监测器)：利用光导(高电位点)和加速度计(低电位点)监测定子端部绕组的振动。它可以预示定子槽楔松动、定子线棒磨损、相引线断裂、固定螺杆松动等问题。 有5台200MW发电机因模态试验不合格而装上了国产SEVM，有的SEVM中光纤使用了加拿大Vibro产品。测试结果表明，虽然有椭圆100 Hz振型，但由于系统刚性好、阻尼强、振幅稳定，且振幅值没有超过标准规定，因此仍可安全运行。其中有一台200MW发电机经过改造，端部整体模态比大修前有一定改进，在线监测显示，最大振幅由大修前130 靘降为40靘。在以下3种情况下可以考虑安装SEVM：离线检查发现定子端部绕组有松动迹象(如磨损等)；首台新设计、新工艺、新结构发电机；端部模态试验不合格的产品。国产SEVM的可信度、精度都达到了国外同类装置的先进水平。应该有选择地扩大SEVM的使用以更多地积累振动数据。 RSTD(转子匝间短路监测器)：可预示由转子匝间短路引起的转子振动、转子接地，由转子匝间短路造成的护环烧损等故障。国产RSTD的灵敏度较高，在300MW发电机上有2台在线运行经验及10多台离线运行的业绩，正准备在600MW发电机上安装，保持当前试用性质是合适的。 STOM(转轴扭振监测仪)：该设备有扭振测量、扭振保护、扭振应力分析3种主要功能。它可预报的故障类型有轴疲劳积累、次同步振荡、大轴裂纹及转子不平衡负荷等故障。国产TVDS-B型轴系扭振监测仪在300、600MW上有6台运行业绩，已捕获过数次事故扭振记录。进口的2台尚未安装，STOM除核电外，国外很少用于火电，从性价来讲，国产STOM要优于进口产品。 GCM(发电机工况监测器)：GCM可以预示的故障类型是定子铁心过热、定子绕组绝缘系统过热、转子绝缘过热及高压出线过热等故障。对发电机来说，过热是极为严重的故障，因此GCM的重要性是显而易见的。虽然国产的GCM几经改型，FJRⅠ型为早期(1997年前)产品，约80台目前已淘汰，目前主要是Ⅱ型安装数量大约超过了120台，但投运率不高。从已有的12起FJRⅡ型绝缘过热监测过热报警事例分析，GCM能正确及时对定子线棒过热、转子绕组过热、定子铁心过热、定子线棒电接头过热、机械摩擦过热……发出警报并且发生报警的频度会随过热程度增加而增加。最主要的问题是： （1） 解读能力差，如果报警，气体要送至北京分析，而且过热点在那里，什么时候停机，很难决断。 （2） 由于抗油雾能力较差，加之有误报之忌，因此切除率较高。 例如，1986年从美国WH引进的2台GCM就从未正常投运过(油雾中毒)。为了解决解读问题(如表1所示)，很多国家表示倾向于GCMPlus，国内也尚在研究之中。 RFM，PDM(无线电频率监测器或称局部放电仪)：用变压器接在中性点的RFM可测１0 kHz～30 MHz，俗称窄带。用电容器接在高压出线端的RFM称为RFCC2，用电容器接在分相封闭母线上的RFM称RFCC3。在出线端定子槽内装天线的称SSC，SSC可监测定子绕组的高频放电(10～1000 MHz)，从测量局放机理上讲，传感器装在高压侧灵敏度较高。RFM(包括RFCC2、RFCC3)可预测的故障有定子主绝缘故障、定子其他绝缘故障、电晕放电、端部手包绝缘放电、电连接断裂、定子绝缘整体老化、字子端部绕组表面放电等。SSC除上述外，还能预示定子槽楔松动及端部绕组松动故障。通常定子高压绝缘系统事故约占发电机事故的15%～20%，而且发电机的寿命实际上取决于定子线棒寿命。因此，定子绕组局部放电是国外研究较多、最受关注的课题，每次在CIGRE会议和IEEE会议上都发表了大量论文。经过多年研究IEEE 1434—2000总结了局部放电测试方法［２］。CIGRE/SC11也提出了旋转电机应用局部放电技术的报告［３］。国产RFM和PDM在发电机上安装使用的也超过200多台，但实际投运率也较低。主要问题是： （1） 排除电气干扰的措施不够。 （2） 数据量太大，数据处理技术跟不上。 （3）解读较难，需要具有设计方面信息，熟悉运行和维修的历史，掌握各种绝缘的制造及典型的性能和寿命，又得不到解读的支持，容易陷入茫然。4 建议根据上述国内外简况和对当前汽轮发电机在线监测使用情况的初步分析，提出如下建议： (1)要明确在线监测的配置原则。希望从招标决定一切，过渡到由发电机制造厂推荐，并与运行单位磋商而定的原则，以免造成不必要的浪费。 (2) 直读型在线监测装置比较成熟，实际应用效果也较好，可继续推荐应用在水氢氢型发电机上。 (3)对解读型在线监测装置的使用要慎重，选择典型发电机安装以积累经验是必须的，切不能、也不需要在每台200 MW及以上的发电机上都装，要尽快走出这个误区。 (4)对已装在线监测的发电机，主机制造厂、运行部门、在线监测装置供应商应选择典型机组，成立工作小组定期跟踪分析，积累经验，制定出指导性文件以提高应用水平。 (5) 对解读难度较大的GCM、RFM(或PDM)，要加强科研投入。与国外相比，虽然我国安装台数已居世界第一，但科研投入和发表的论文与此极不相称。国内在线监测制造商不少，但技术力量、售后服务能力远远不足，与国外(如VIBRO)无法比拟。以往的历史经验值得注意，只有量的增长，缺乏质的提高一定会暗藏风险，自食苦果的。当前工作重点应在控制数量的基础上实行质的提高。
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