水電機(jī)組空蝕在線監(jiān)測(cè)裝置開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

蘇 立，繆旭光，毛 成，肖 永，文賢馗

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴陽(yáng) 550002；2.國(guó)電貴州電力有限公司紅楓水力廠，貴陽(yáng) 551400)

0 引 言

水電機(jī)組的空蝕對(duì)于機(jī)組會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p壞，空蝕發(fā)生的嚴(yán)重程度是決定水電廠大修周期的重要因素?？瘴g磨損破壞使機(jī)組效率下降、出力減少、振動(dòng)加劇，不僅威脅水電站的安全運(yùn)行，也嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行[1]。廖偉麗等人進(jìn)行了軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)輪緣間隙空蝕的試驗(yàn)研究，研究觀察表明，軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)輪緣間隙空蝕在不同工況下，在轉(zhuǎn)輪葉片輪緣不同的位置形成幾種不同空蝕形態(tài)，從而揭示了危害性最嚴(yán)重的空蝕形態(tài)[2]。張政等人對(duì)水輪機(jī)的空蝕及其危害進(jìn)行研究，空蝕會(huì)破壞水輪機(jī)的過(guò)流部件，如葉片、轉(zhuǎn)輪等；空蝕增加了機(jī)組的檢修周期，使年有效發(fā)電時(shí)間減少，增加生產(chǎn)運(yùn)行成本；由于空蝕會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲，造成運(yùn)行人員精神疲勞，工作環(huán)境受到不良影響[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水電裝機(jī)總?cè)萘? 300 萬(wàn)kW，大概有1/3以上的水電裝機(jī)容量(包括大、中、小水電站)的水輪機(jī)的過(guò)流部件都遭受過(guò)不同程度的空蝕磨損破壞，以至水輪機(jī)出力不足，壽命縮短，效率下降，運(yùn)行可靠性差，我國(guó)每年因發(fā)電損失和部件檢修或更換費(fèi)用高達(dá)幾十億元[1]。

早期對(duì)空蝕的研究主要局限于理論方面，近年來(lái)空蝕機(jī)理的理論研究進(jìn)展逐漸趨緩。隨著科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家開(kāi)始設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)裝備模擬實(shí)際工況或者直接在原型機(jī)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和處理分析，采用原型實(shí)驗(yàn)的方法研究空蝕。西安理工大學(xué)王濤、魏然等人利用超聲波法研制了水電機(jī)組空蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在八盤(pán)峽水電廠4號(hào)機(jī)組上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，由于條件限制，該系統(tǒng)選用的是自行開(kāi)發(fā)的水輪機(jī)磨損測(cè)試儀[4,5]；清華大學(xué)的盛鵬等人采用基于空蝕特征信號(hào)的空蝕狀態(tài)間接檢測(cè)技術(shù)研制了水輪機(jī)空蝕在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)在福建省池潭水電站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，目前的監(jiān)測(cè)方法還不能絕對(duì)完全準(zhǔn)確地反映機(jī)組的空蝕狀況[6]。為了更好的對(duì)水電機(jī)組空蝕進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要一些新的技術(shù)和方法。利用聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行水電機(jī)組的空蝕監(jiān)測(cè)，正是基于這一需求而發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。

本文利用聲發(fā)射信號(hào)對(duì)某水電廠機(jī)組進(jìn)行空蝕在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整水電機(jī)組的運(yùn)行方式，進(jìn)而采取有效的措施來(lái)減少水電機(jī)組的空蝕發(fā)生。通過(guò)掌握機(jī)組空蝕的發(fā)展趨勢(shì)，指導(dǎo)機(jī)組檢修。

1 空蝕在線監(jiān)測(cè)裝置開(kāi)發(fā)

在工程上把靜止的或流動(dòng)的液體，在一定溫度下降低壓力使其汽化的現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)空化?？栈^(guò)程能在極短的時(shí)間內(nèi)突然發(fā)生，使液體的連續(xù)性遭到破壞，在液體中形成明顯的充滿蒸汽或氣體的空泡。如果液體是流動(dòng)的，空泡將隨著液體一起運(yùn)動(dòng)，空泡的尺寸將因液體內(nèi)部壓力的變化漲大或縮小。當(dāng)空泡移入高壓區(qū)時(shí)，泡內(nèi)的水蒸氣將凝聚，氣體將被溶解，空泡即潰滅消失。同時(shí)產(chǎn)生極高的壓力并伴隨有高溫、放電、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，使固體邊壁遭到剝蝕破壞，這種現(xiàn)象稱(chēng)為空蝕[7]。

水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的空化空蝕現(xiàn)象對(duì)水輪機(jī)的運(yùn)行安全和運(yùn)行效率產(chǎn)生極大的影響。首先，由于空化的產(chǎn)生和發(fā)展，使流動(dòng)系統(tǒng)的特性發(fā)生變化。當(dāng)空化發(fā)展到一定程度時(shí)，由于空泡體的排擠作用，使流道的有效面積減少、阻力增加，水輪機(jī)的運(yùn)行效率下降。同時(shí)在空化的產(chǎn)生和壓縮、膨脹過(guò)程中，將產(chǎn)生高頻噪聲和壓力脈動(dòng)。水輪機(jī)中的高頻噪聲將危及運(yùn)行人員的身心健康，壓力脈動(dòng)將引起機(jī)組的不穩(wěn)定運(yùn)行。其次，由于空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊對(duì)固體邊壁的剝蝕破壞，即空蝕對(duì)水輪機(jī)葉片和殼體的破壞作用已成為水輪機(jī)損傷的主要原因，空蝕損傷程度已成為水輪機(jī)是否進(jìn)行大修的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)空蝕到一定程度，設(shè)備就必須檢修或更換，如果不能及時(shí)處理，機(jī)組就會(huì)出現(xiàn)故障甚至發(fā)生事故，給企業(yè)造成巨大的損失。另外，因?yàn)橹苯雨P(guān)系到電力系統(tǒng)的運(yùn)行，水輪機(jī)空蝕的潛在危害和影響會(huì)更為嚴(yán)重[8]。

1.1 空蝕在線監(jiān)測(cè)原理

根據(jù)空蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理可以推斷，空泡的瞬間形成和潰滅而產(chǎn)生的沖擊波作用于葉片和管壁，這種沖擊振動(dòng)的信號(hào)必含有高頻的振動(dòng)成分(聲發(fā)射信號(hào))。實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的提取和分析，既能夠排除低頻信號(hào)的影響，又能夠準(zhǔn)確診斷空蝕的嚴(yán)重程度，這是一種比較理想的監(jiān)測(cè)方法。

聲發(fā)射又稱(chēng)為應(yīng)力波發(fā)射，是材料或零部件受外力作用產(chǎn)生變形、斷裂或內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)屈服極限而進(jìn)入不可逆的塑性變形階段，以瞬態(tài)彈性波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象。在外部條件作用下，固體(材料或零部件)的缺陷或潛在缺陷改變狀態(tài)而自動(dòng)發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象亦稱(chēng)聲發(fā)射。聲發(fā)射彈性波能反映出材料或零部件的性質(zhì)，因此采用檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)的方法，可以判斷材料或零部件的某種狀態(tài)。運(yùn)用儀器檢測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)，并利用聲發(fā)射信號(hào)對(duì)聲發(fā)射源的狀態(tài)做出正確判斷的技術(shù)叫聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)。

如何對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析和處理來(lái)獲取有用的聲發(fā)射源信息是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是無(wú)損檢測(cè)中的一種新方法，與超聲檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)等方法相比，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：聲發(fā)射檢測(cè)的信號(hào)來(lái)自檢測(cè)對(duì)象本身，能夠?qū)z測(cè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；對(duì)于大型構(gòu)件，不需要移動(dòng)傳感器做繁雜的掃查操作，只需要布置好足夠數(shù)量的傳感器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型構(gòu)件的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)；幾乎所有的材料都可以進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，并且聲發(fā)射檢測(cè)不受檢測(cè)對(duì)象的尺寸、幾何形狀、工作環(huán)境等影響；可檢測(cè)的頻帶較寬，可以監(jiān)測(cè)從幾千到1MHz頻率的信號(hào)。

空蝕在線監(jiān)測(cè)裝置采用聲發(fā)射原理進(jìn)行對(duì)機(jī)組空蝕噪聲的測(cè)量，其原因有以下幾點(diǎn)：

(1)聲發(fā)射傳感器具有較寬的頻帶，完全能滿足幾kHz～500 kHz空蝕噪聲信號(hào)的監(jiān)測(cè)；

(2)聲發(fā)射傳感器和超聲傳感器相比在高頻段具有較高靈敏度；

(3)在高頻段，不易受其他水力因素干擾(在此頻段背景噪聲小)；

(4)采用就地安裝的信號(hào)放大器和采集裝置對(duì)完成原始空蝕噪聲信號(hào)的采集和處理，再采用數(shù)字通訊技術(shù)將采集處理后的信號(hào)傳輸?shù)椒治鲅b置，這樣就可以更進(jìn)一步避免無(wú)效信號(hào)的干擾，提供采集系統(tǒng)的信噪比。

空蝕在線監(jiān)測(cè)裝置的工作原理是在水輪機(jī)合適位置安裝聲發(fā)射傳感器，如圖1所示。聲發(fā)射傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器，放大器的輸出信號(hào)由DMS100-P型智能空蝕噪聲信號(hào)檢測(cè)裝置在近距離條件下，高精度、低干擾條件下采集，并將噪聲信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)，最后以數(shù)字通訊方式(RS-485或以太網(wǎng))將采集及檢測(cè)識(shí)別后數(shù)據(jù)傳送到發(fā)電機(jī)層狀態(tài)監(jiān)測(cè)下位機(jī)盤(pán)柜中的空蝕噪聲監(jiān)測(cè)采集預(yù)處理單元作進(jìn)一步的綜合分析監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)融合。如圖2所示。

圖1 傳感器安裝位置示意圖

圖2 空蝕在線監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 空蝕在線監(jiān)測(cè)參數(shù)

空蝕在線監(jiān)測(cè)裝置使用美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)R15a型聲發(fā)射傳感器。測(cè)點(diǎn)布置：4個(gè)，其中2個(gè)測(cè)點(diǎn)，安裝于導(dǎo)葉拐壁處，2個(gè)測(cè)點(diǎn)位于尾水門(mén)；傳感器安裝在位置1 ，盡量靠近拐臂根部。傳感器安裝位置示意圖見(jiàn)圖1。傳感器和前置器的連接線長(zhǎng)應(yīng)小于1 m。

由于來(lái)自聲發(fā)射傳感器的電壓輸出信號(hào)非常弱，因此，系統(tǒng)中需要配置一個(gè)放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理后再進(jìn)行傳輸。放大器的增益放大：40 dB；輸入方式：?jiǎn)味溯斎?；帶寬可調(diào)的濾波器；供電電壓：28 VDC。

傳感器輸出的噪聲信號(hào)即使經(jīng)過(guò)放大器的放大后，同系統(tǒng)的其他類(lèi)型信號(hào)相比也是弱小信號(hào)，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)容易受到干擾。為了采集到高精度、低干擾、有效的噪聲信號(hào)，就必須將放大器的輸出信號(hào)在盡可能近的距離下采集，為此空蝕在線監(jiān)測(cè)裝置采用DMS100-P型智能空蝕噪聲信號(hào)檢測(cè)裝置進(jìn)行噪聲信號(hào)的識(shí)別和檢測(cè)。

DMS100-P智能噪聲檢測(cè)裝置采用10M速度的高速智能采集模塊結(jié)合高信噪比調(diào)理模塊構(gòu)造采集系統(tǒng)。主要利用10 kHz以上信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。由于在這個(gè)頻段下，極低的背景噪聲，使得采用噪聲強(qiáng)度法以及脈沖計(jì)數(shù)法進(jìn)行空蝕預(yù)報(bào)和檢測(cè)成為可能。

利用數(shù)字通訊方式將以上計(jì)算結(jié)果傳送到發(fā)電機(jī)層狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)盤(pán)柜中的空蝕監(jiān)測(cè)采集預(yù)處理單元，由監(jiān)測(cè)采集預(yù)處理單元完成機(jī)組效率計(jì)算、空蝕噪聲信號(hào)的工況統(tǒng)計(jì)、脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)的工況統(tǒng)計(jì)、關(guān)鍵頻率的跟蹤統(tǒng)計(jì)、報(bào)警、預(yù)警、顯示以及空化系數(shù)σ的計(jì)算等功能，并完成歸一化噪聲強(qiáng)度-σ、歸一化脈沖計(jì)數(shù)-σ之間的對(duì)比分析。而通過(guò)以上兩者的對(duì)比分析，可以較及早地發(fā)現(xiàn)機(jī)組空蝕劣化的趨勢(shì)。

1.3 空蝕在線監(jiān)測(cè)裝置的功能

空蝕在線監(jiān)測(cè)裝置可以實(shí)時(shí)高速采集噪聲信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)字濾波，去除10kHz以下的背景噪聲信號(hào)；利用濾波后的信號(hào)計(jì)算噪聲強(qiáng)度，并完成該噪聲強(qiáng)度在單位時(shí)間的能量積分，獲取歸一化噪聲強(qiáng)度；將濾波后的信號(hào)進(jìn)行噪聲脈沖包絡(luò)進(jìn)行單位時(shí)間的脈沖計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，獲取歸一化脈沖計(jì)數(shù)；提供包絡(luò)譜分析、細(xì)化譜分析等，并能采用包絡(luò)解調(diào)算法對(duì)脈沖包絡(luò)的時(shí)頻域分析。完成噪聲信號(hào)的相關(guān)濾波頻譜計(jì)算。

(1)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、在線監(jiān)測(cè)?？筛鶕?jù)需要設(shè)定采樣周期(小時(shí)、天、周、月)，系統(tǒng)自動(dòng)定時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)輪空化系數(shù)、轉(zhuǎn)輪空化噪聲的特征頻率、尾水管空化噪聲特征頻率值的采集和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。

(2)功能分析。①聲發(fā)射傳感器監(jiān)測(cè)頻帶：30～500 kHz，這個(gè)頻段主要是由空化產(chǎn)生的，很難有機(jī)械振動(dòng)等低頻聲源產(chǎn)生，所以此裝置能濾除背景噪聲，得到有效空化信號(hào)。②能利用關(guān)聯(lián)分析工具，得到空化強(qiáng)度隨尾水位、水頭、負(fù)荷等的關(guān)聯(lián)特性。水電機(jī)組的運(yùn)行狀況對(duì)水輪機(jī)空化有直接的影響，所以將空化聲信號(hào)與水電機(jī)組運(yùn)行狀況進(jìn)行關(guān)聯(lián)，有利于提高信號(hào)分析的準(zhǔn)確度。③能分析水電機(jī)組不同工況下的空化強(qiáng)度指標(biāo)，為掌握機(jī)組性能和優(yōu)化調(diào)度提供技術(shù)依據(jù)。

空蝕在線監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)機(jī)組空蝕噪聲，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的分析工具，這些工具包括：空蝕噪聲信號(hào)脈沖次數(shù)分布圖；空蝕噪聲信號(hào)脈沖次數(shù)分布瀑布圖；空蝕噪聲信號(hào)強(qiáng)度分段頻譜圖；空蝕噪聲信號(hào)強(qiáng)度分段頻譜瀑布圖；空蝕噪聲信號(hào)強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)圖。

2 空蝕在線監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用

空蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝并調(diào)試好后，在某水電廠對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行了測(cè)試，做了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。由所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制特性曲線如圖3。

從圖3的空蝕脈沖重復(fù)率可知，在空蝕產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)重復(fù)率比較低，它是隨機(jī)的。而從它的聲強(qiáng)烈度可知，此時(shí)空蝕是比較嚴(yán)重的。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，水電機(jī)組空蝕主要指的就是水輪機(jī)空蝕，水輪機(jī)空蝕是影響水電機(jī)組效率的主要因素?？瘴g嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)饳C(jī)組故障。水電機(jī)組空蝕的在線檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)分析空化噪聲的發(fā)展變化情況及關(guān)鍵有效頻率定位；及時(shí)發(fā)現(xiàn)噪聲信號(hào)發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警；該裝置降低了空蝕的破壞作用，對(duì)水電機(jī)組空蝕及時(shí)進(jìn)行診斷，指導(dǎo)機(jī)組檢修具有重要意義。實(shí)踐證明這一先進(jìn)技術(shù)將為電廠的機(jī)組運(yùn)行及檢修提供依據(jù)、并將促進(jìn)電廠在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的科技進(jìn)步。

圖3 空蝕脈沖重復(fù)率和聲強(qiáng)烈度

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