CN106052538A - 一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断装置及方法，包括：水轮机LVDT传感器、磨损指示器和在线数据处理装置；若干所述水轮机LVDT传感器分别设置在水轮机组内部，每一个所述水轮机LVDT传感器均连接磨损指示器，所述磨损指示器通过输出缓冲接口与在线数据处理装置连接。本发明有益效果：本发明装置采集数据是通过水轮机密封圈磨损指示器前面板的缓冲接口，因而不会影响机组的安全运行。由于该装置使用的是密封圈磨损指示器的传感器，因此本发明对于水轮机现场无安装工作，造价低，维护方便。

Description

一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断装置及方法

技术领域

本发明涉及水轮机组安全运行保护和状态维修技术领域，尤其涉及一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断装置及方法。

背景技术

抽水蓄能机组具有高水头、高转速、大容量和较深淹没深度等特点，因而决定了封堵其水轮机转动部分和固定部分的主轴密封的高性能。主轴密封形式为弹簧复位式流体静压平衡径向双端面机械密封。其结构的关键之处在于润滑冷却水从密封内腔流入密封圈与抗磨滑环之间的间隙。

水轮机在每次停机后，再次开机时，一定要首先开启顶轴装置，其作用是向密封圈下部送入高压润滑冷却水，将密封圈抬起，在密封圈与抗磨滑环之间建立一层刚性水膜(设计水膜厚度0.03-0.08mm)，其作用相当于流体静水压轴承将随大轴一起旋转的抗磨滑环与做轴线运动的密封圈分开，使它们不发生直接摩擦从而减少磨损量，并带走摩擦产生的热量。之前，在水轮机冲转前，运行人员只能根据润滑水压、流量和温度来间接地判定主轴密封系统的工作状态，润滑水膜厚度实际建立情况无法知道，从而直接影响了机组的安全运行。例如，如果冷却水管有部分堵塞或漏水等等，就有可能造成主轴密封环被抬起的高度不足或者抬起高度四周不均匀，也就是润滑水膜建立厚度不够，强行启动，会使主轴密封圈温度升高，造成主轴密封圈挤压磨损的重大事故。

水轮机在每次停机后，再次开机时，一定要首先开启顶轴装置，其作用是向密封圈下部送入高压润滑冷却水，将密封圈抬起，在密封圈与抗磨滑环之间建立一层刚性水膜(设计水膜厚度0.03-0.08mm)，其作用相当于流体静水压轴承将随大轴一起旋转的抗磨滑环与做轴线运动的密封圈分开，使它们不发生直接摩擦从而减少磨损量，并带走摩擦产生的热量。

另外，这也是在机组每次大修后的启动前，都要使用一个或几个机械式百分表做“密封圈顶起试验”的原因，即检查机组启动前开顶轴水泵抬起密封圈的情况。实际上，由于在平时运行时现场没有机械式百分表，在水轮机冲转之前，运行人员只能根据润滑水压、流量和温度来间接地判定主轴密封系统的工作状态，润滑水膜厚度实际建立情况无法知道，从而直接影响了机组的安全运行。例如，如果冷却水管有部分堵塞或漏水等等，就有可能造成主轴密封环被抬起的高度不足或者抬起高度四周不均匀，也就是润滑水膜建立厚度不够，强行启动，会使主轴密封圈温度升高，造成主轴密封圈挤压磨损的重大事故。

另外，水轮机作为一种高速的立式旋转设备，其轴系动力系统的工作状态是机组早期故障认别及时采取措施、改善电厂设备运行安全性和提高机组的可用性的关键因素，而原有的设备是无法对其轴系动力系统的工作状态进行监测的。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述难题，提供了一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断装置及方法，该装置及方法可以根据采集到的水轮机主轴密封圈的磨损量，得到准确的密封圈的抬起高度，为水轮机组轴系动力系统状态在线诊断提供了依据。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断装置，包括：

水轮机LVDT传感器：用于测量水轮机组主轴密封圈不同位置的磨损量；

磨损指示器：用于接收水轮机LVDT传感器的数据并通过输出缓冲接口将采集到的数据传送至在线数据处理装置；

在线数据处理装置：用于根据接收到的数据计算密封圈的抬起高度；并根据计算得到的密封圈的抬起高度判断水轮机组轴系动力系统的运行状态是否正常；

若干所述水轮机LVDT传感器分别设置在水轮机组内部，每一个所述水轮机LVDT传感器均连接磨损指示器，所述磨损指示器通过输出缓冲接口与在线数据处理装置连接。

进一步地，所述在线数据处理装置与安装在电站集控室操作台上的操作员站连接。

进一步地，所述在线数据处理装置包括用于接收磨损指示器信息的第一模拟量输入通道，用于接收开关量采集信息的数字量输入通道以及用于接收水轮机组发电负荷信息的第二模拟量输入通道。

进一步地，所述在线数据处理装置包括用于接收顶轴水泵启动的开关量输入通道。

进一步地，所述在线数据处理装置根据接收到的顶轴水泵启动后的水轮机组主轴密封圈4个位置的密封圈磨损量与顶轴水泵启动前的主轴密封圈相对应位置的磨损量做差，得到水轮机组4个位置主轴密封的密封圈与抗磨滑环之间的润滑水膜的厚度，即密封圈的抬起高度。

进一步地，所述在水轮机组主轴密封圈的前后左右4个方向的位置处分别安装水轮机LVDT传感器。

一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断方法，包括如下步骤：

(1)分别采集水轮机组主轴密封圈的前后左右4个方向的密封圈磨损量；

(2)对采集到的数据进行两级数字滤波处理，消除数据抖动；

(3)根据采集到的水轮机组4个位置主轴密封圈的密封圈磨损量以及顶轴水泵启动前的主轴密封圈的磨损量，计算水轮机组4个位置主轴密封的密封圈与抗磨滑环之间的润滑水膜的厚度；

(4)建立润滑水膜厚度与设定时刻水轮机组发电负荷之间的函数关系式，计算出设定时刻机组主轴系统正常运行时润滑水膜厚度的应该达到的预测值；

(5)根据步骤(3)中计算的设定时刻水轮机组每个位置主轴密封的密封圈与抗磨滑环之间的润滑水膜的厚度以及步骤(4)中计算得到的该时刻对应的润滑水膜厚度预测值，判断水轮机组轴系动力系统状态是否正常；

(6)将水轮机组轴系动力系统的运行状态信息以及水轮机组4个位置的润滑水膜厚度信息进行显示。

进一步地，所述步骤(3)中计算水轮机组4个位置主轴密封的密封圈与抗磨滑环之间的润滑水膜的厚度的方法为：

分别将采集到的水轮机组顶轴水泵启动后的主轴密封圈的4个位置的密封圈磨损量与顶轴水泵启动前的主轴密封圈相对应位置的磨损量做差，得到水轮机组4个位置主轴密封的密封圈与抗磨滑环之间的润滑水膜的厚度。

进一步地，所述步骤(4)的具体方法包括：

(4.1)读取水轮机组设定时间段内每个小时的润滑水膜厚度的历史数据ti和水轮机组发电负荷历史数据Q_i；

(4.2)根据采集到的数据，利用最小二乘法拟合出润滑水膜厚度与水轮机组发电负荷的一次曲线；

(4.3)将设定时刻采集的水轮机组发电负荷代入上述一次曲线，计算出该时刻机组主轴系统正常运行时润滑水膜厚度的应该达到的预测值t_预。

进一步地，所述步骤(5)中，

将进行判断1：如果这4个传感器测的4个润滑水膜厚度相互之间的偏差超出设定范围，则说明主轴的密封圈没有均匀抬起，表明主设备有故障，应报警、紧急停机；如果这4个传感器测的4个润滑水膜厚度相互之间的偏差均在设定范围内，则说明主轴的密封圈是均匀抬起；

将进行判断2：将步骤(3)中计算的设定时刻水轮机组4个主轴的密封圈与抗磨滑环之间的润滑水膜的厚度分别与步骤(4)中计算得到的该时刻对应的4个润滑水膜厚度预测值进行比较。

只要其中一组数据的差值在设定范围外，就表明水轮机组轴系动力系统状态存在安全隐患(例如：推力瓦磨损或松动，或叶轮位置发生变化，或联轴器齿轮磨损、推力间隙调整不正确等等。这样在机组运行时，该轴系状态就能够做到在线监测，引起相关人员的关注)；否则，表明水轮机组轴系动力系统状态正常。

本发明的有益效果：

1、本发明装置采集数据是通过水轮机密封圈磨损指示器前面板的缓冲接口，因而不会影响机组的安全运行。由于该装置使用的是密封圈磨损指示器的传感器，因此本发明对于水轮机现场无安装工作，造价低，维护方便。

2、本发明装置可以确保水轮机每次运转前，密封圈与抗磨滑环之间形成符合技术规范的刚性水膜，避免了密封圈和抗磨滑环直接摩擦，起到了润滑和减温的作用，可以大大提高了机组的安全运行，减少了运行人员和维护人员的工作量和工作强度。同时，由于润滑水膜的厚度信息是水轮机组发电负荷的函数，因此利用这个润滑水膜的厚度信息可以进行后续的水轮机组轴系动力系统状态在线诊断。

3、本发明使得在水轮机在启动前，可以显示水轮机密封圈抬起的高度，检测精度达到微米级，以避免水轮机密封圈事故磨损，可以确保水轮机组长期安全运行。

4、本发明在正常机组运行前，显示水轮机密封圈抬起的高度，避免了水轮机密封圈发热甚至磨损。同时，在机组检修后可以不使用多个机械式百分表进行“密封圈顶起轴试验”，不必人工多次手抄机械式百分表的数据，可以在操作员站就能够观察到水轮机密封圈抬起的高度。本发明大大提高了机组的安全运行，减少了运行人员和维护人员的工作量和工作强度。

5、本发明利用润滑水膜的厚度信息是水轮机组发电负荷的函数的特性，使用润滑水膜的厚度信息可以进行水轮机组轴系动力系统状态在线诊断，进行水轮机组预测性维修，这对于水轮机组的安全运行和维护具有非常重大的意义。

附图说明

图1为本发明水轮机组轴系动力系统状态在线诊断装置结构示意图；

图2为本发明水轮机组轴系动力系统状态在线诊断方法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断装置，包括：水轮机LVDT传感器、磨损指示器和在线数据处理装置；

LVDT传感器(即差动变压器)安装在水轮机组内部用于测量水轮机组主轴密封圈的磨损量；每一个LVDT传感器均对应连接一个磨损指示器，LVDT传感器把主轴密封圈的磨损的信号传给磨损指示器。磨损指示器通过输出缓冲接口与在线数据处理装置连接，在线数据处理装置与安装在电站集控室操作台上的操作员站连接。

机组运行时，磨损指示器对磨损的信号的大小进行监视，在磨损量达到3mm时发出报警或停止水轮机运行的保护信号。每个LVDT传感器输出1个叠加在直流分量上的交变分量。对每个LVDT传感器，磨损指示器都配有对应该LVDT传感器的缓冲输出接口，这个缓冲输出接口的输出中直流分量就是水轮机组主轴密封圈的磨损量，交变分量就是水轮机组主轴密封的密封圈与抗磨滑环之间的润滑水膜的厚度。也就是说，被磨损指示器忽略的交变分量信号正是我们所需要的信号。

在线数据处理装置有4个用于直流电流高精度采集的模拟量输入通道和1个用于开关量采集的数字输入通道及1个用于采集水轮机组发电负荷的模拟量输入通道。其中，4个直流电流高精度采集的模拟量通道用于采集水轮机组(前、后、左、右)4个位置的主轴密封圈的磨损量的精确数值；上述4个用于直流电流高精度采集的模拟量输入通道采用的是12位的A/D转换电路，考虑到LVDT传感器的最高输出电流为24mA，因此，在线数据处理装置的分辨率为5.859μA/LSB。由于水轮机LVDT传感器的量程为0—10mm，精度为2.4μA/μm，因此，在线数据处理装置的精度可以达到2.5μm。

1个开关量通道用于采集来自顶轴水泵的启动信号，这个信号一般来自顶轴水泵的继电器的闭合触点或者来自水轮机控制系统。

在线数据处理装置将收到的来自磨损指示器的顶轴水泵启动后的主轴密封圈的磨损量的精确数据与来自顶轴水泵启动前的主轴密封圈的磨损量的精确数据做差，其差值就是润滑水膜的厚度，这个润滑水膜的厚度也就是密封圈的抬起高度。将抬起高度与历史抬起高度数据做对比，可以根据比较结果发出正常信号或报警信号。同时，由于润滑水膜的厚度信息是水轮机组发电负荷的函数，因此操作员使用这个润滑水膜的厚度信息可以进行后续的水轮机组轴系动力系统状态的在线诊断。

安装在电站集控室操作台上的操作员站，接收在线数据处理装置的数据，可以根据接收到的数据对水轮机组的运行过程进行监视、操作、记录、报警。

本发明公开了一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤(1)：消除数据抖动。

由于4个用于直流电流高精度采集的模拟量输入通道采用的是12位的A/D转换电路，考虑到LVDT传感器的最高输出电流为24mA，因此，该在线诊断装置的分辨率为5.859μA/LSB。另外，水轮机LVDT传感器的量程为0—10mm，精度为2.4μA/μm，因此在线诊断装置的精度可以达到2.5μm。而本发明对数据的快速性要求不高，但是要求数据稳定性好、精度高。为了达到这个精度和减少1LSB波动所可能产生的误差，同时提高采集系统抗干扰的能力，在数据采集和予处理的软、硬件方面，根据采集数据信号的性质不同，采用两级数字滤波：10秒的大时间常数的一阶惯性数字滤波和10秒的算术平均值数字滤波。

步骤(2)：计算水轮机组主轴密封的密封圈与抗磨滑环之间的润滑水膜厚度。

以A传感器为例：把采集的来自磨损指示器的主轴密封圈的磨损量的精确数据A(i)与来自顶轴水泵启动前的主轴密封圈的磨损量的精确数据A(i-1)对比，其差值就是润滑水膜的厚度。

A传感器润滑水膜的厚度:A＝A(i)-A(i-1)

同样，另外3个传感器的润滑水膜的厚度分别为:B＝B(i)-B(i-1)；C＝C(i)-C(i-1)；D＝D(i)-D(i-1)。

步骤(3)：建立润滑水膜厚度与水轮机组发电负荷之间的函数表格。

步骤(3.1)：读取水轮机组设定时间段内每个小时的润滑水膜厚度的历史数据ti和水轮机组发电负荷历史数据Q_i；

读取7天中每天0：00—24：00中的每个小时的历史数据

t₁＝[t₁₀₁，t₁₀₂，......t₁₂₄]

t₂＝[t₂₀₁，t₂₀₂，......t₂₂₄]

.

.

.

.

.

.

t₇＝[t₇₀₁，t₇₀₂，......t₇₂₄]

Q₁＝[Q₁₀₁,Q₁₀₂,......Q₁₂₄]

Q₂＝[Q₂₀₁,Q₂₀₂,......Q₂₂₄]

.

.

.

.

.

.

Q₇＝[Q₇₀₁,Q₇₀₂,......Q₇₂₄]

式中：t₂₀₁中下标的含义：2表示第2天，01表示1：00时的润滑水膜厚度；t224中下标的含义：2表示第2天，24表示24：00时的润滑水膜厚度；其他数据的下标含义与前面类似，均表示第几天什么时刻的润滑水膜厚度或者水轮机组发电负荷；

步骤(3.2)：根据步骤(2.2)的润滑水膜厚度7天的历史数据t_i和水轮机组发电负荷历史数据Q_i，采用最小二乘法，拟合出润滑水膜厚度与水轮机组发电负荷的一次曲线：

t_i＝FQ_i+E (1)

式中：Q_i为i时刻的水轮机组发电负荷；t_i为i时刻的润滑水膜厚度；F和E为线性回归曲线的系数，F为斜率，E为偏移量。

步骤(3.3)：将实时采集的水轮机组发电负荷代入(1)式，计算出这个时刻机组主轴系统正常运行时润滑水膜厚度的应该达到的预测值t_预。

步骤(4)：将实时采集的A传感器润滑水膜厚度A与机组主轴系统正常运行时润滑水膜厚度的应该达到的预测值相比，如果误差在合理范围之内，说明水轮机组轴系动力系统状态正常：

A–t_预<20％，

则水轮机组轴系动力系统状态正常。否则就说明水轮机组轴系动力系统状态有事故隐患，例如：推力瓦磨损或松动，或叶轮位置发生变化，或联轴器齿轮磨损、推力间隙调整不正确等等。

步骤(5)：实时采集的A传感器润滑水膜厚度A与来自另外3个传感器的润滑水膜厚度B、C、D相比如果误差在合理范围之内，说明主轴密封圈均匀抬起，水轮机组轴系动力系统状态正常：

A–B<5％，

A–C<5％，

A–D<5％，

B–C<5％，

B–D<5％，

C–D<5％，

否则就说明主轴密封圈没有均匀抬起，水轮机组轴系动力系统状态有事故隐患。

步骤(6)：显示实时采集的润滑水膜厚度A、B、C、D和机组运行正常信息或报警信息。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断装置，其特征是，包括：

水轮机LVDT传感器：用于测量水轮机组不同位置的主轴密封圈的磨损量；

磨损指示器：用于接收水轮机LVDT传感器的数据并通过输出缓冲接口将采集到的数据传送至在线数据处理装置；

在线数据处理装置：用于根据接收到的数据计算密封圈的抬起高度；并根据计算得到的密封圈的抬起高度判断水轮机组轴系动力系统的运行状态是否正常；

若干所述水轮机LVDT传感器分别设置在水轮机组内部，每一个所述水轮机LVDT传感器均连接磨损指示器，所述磨损指示器通过输出缓冲接口与在线数据处理装置连接。

2.如权利要求1所述的一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断装置，其特征是，所述在线数据处理装置与安装在电站集控室操作台上的操作员站连接。

3.如权利要求1所述的一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断装置，其特征是，所述在线数据处理装置包括用于接收磨损指示器信息的第一模拟量输入通道，用于接收开关量采集信息的数字量输入通道以及用于接收水轮机组发电负荷信息的第二模拟量输入通道，以及用于接收顶轴水泵启动的开关量输入通道。

4.如权利要求1所述的一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断装置，其特征是，所述在线数据处理装置根据接收到的顶轴水泵启动后的水轮机组主轴密封圈4个位置的磨损量与顶轴水泵启动前的主轴密封圈相对应位置的磨损量做差，得到水轮机组4个位置主轴密封的密封圈与抗磨滑环之间的润滑水膜的厚度，即密封圈的抬起高度。

5.如权利要求1所述的一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断装置，其特征是，所述在水轮机组主轴密封圈的前后左右4个位置处分别安装水轮机LVDT传感器。

6.一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)分别采集水轮机组主轴密封圈的前后左右4个位置的密封圈磨损量；

(2)对采集到的数据进行两级数字滤波处理，消除数据抖动；

(3)根据采集到的水轮机组顶轴水泵启动后的主轴密封圈的4个位置磨损量以及顶轴水泵启动前的主轴密封圈相应的磨损量，计算水轮机组4个位置主轴密封的密封圈与抗磨滑环之间的润滑水膜的厚度；

(4)建立润滑水膜厚度与设定时刻水轮机组发电负荷之间的函数关系式，计算出设定时刻机组主轴系统正常运行时润滑水膜厚度的应该达到的预测值；

(5)根据步骤(3)中计算的设定时刻水轮机组每个方向主轴密封的密封圈与抗磨滑环之间的润滑水膜的厚度以及步骤(4)中计算得到的该时刻对应的润滑水膜厚度预测值，判断水轮机组轴系动力系统状态是否正常；

(6)将水轮机组轴系动力系统的运行状态信息以及水轮机组4个位置的润滑水膜厚度信息进行显示。

7.如权利要求6所述的一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断方法，其特征是，所述步骤(3)中计算水轮机组主轴密封圈的4个位置与抗磨滑环之间的润滑水膜的厚度的方法为：

分别将采集到的水轮机组顶轴水泵启动后的主轴密封圈的密封圈磨损量与顶轴水泵启动前的主轴密封圈相对应位置的磨损量做差，得到水轮机组4个位置主轴密封的密封圈与抗磨滑环之间的润滑水膜的厚度。

8.如权利要求6所述的一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断方法，其特征是，所述步骤(4)的具体方法包括：

(4.1)读取水轮机组设定时间段内每个小时的润滑水膜厚度的历史数据ti和水轮机组发电负荷历史数据Q_i；

(4.2)根据采集到的数据，利用最小二乘法拟合出润滑水膜厚度与水轮机组发电负荷的一次曲线；

(4.3)将设定时刻采集的水轮机组发电负荷代入上述一次曲线，计算出该时刻机组主轴系统正常运行时润滑水膜厚度的应该达到的预测值t_预。

9.如权利要求6所述的一种水轮机组轴系动力系统状态在线诊断方法，其特征是，所述步骤(5)中，

将进行判断1：如果水轮机LVDT传感器测的不同位置的润滑水膜厚度相互之间的偏差有一组超出设定范围，则说明主轴的密封圈没有均匀抬起，表明主设备有故障，应报警或者紧急停机；如果水轮机LVDT传感器测的不同位置的润滑水膜厚度相互之间的偏差均在设定范围内，则说明主轴的密封圈是均匀抬起；

将进行判断2：将步骤(3)中计算的设定时刻水轮机组主轴不同位置的密封圈与抗磨滑环之间的润滑水膜的厚度分别与步骤(4)中计算得到的该时刻对应位置的润滑水膜厚度的预测值进行比较；

只要其中一组数据的差值在设定范围外，就表明水轮机组轴系动力系统状态存在安全隐患；否则，表明水轮机组轴系动力系统状态正常。