基于多源融合的水輪機(jī)空化狀態(tài)在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)及應(yīng)用

魏運(yùn)水，何繼全，崔 悅，李 震，劉 藝，王振鑫

（1.福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建 福州 350004；2.北京中元瑞訊科技有限公司，北京 100085）

1 前言

水輪機(jī)是水力發(fā)電機(jī)組中的將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能的關(guān)鍵設(shè)備，其工作運(yùn)行的可靠性和效率決定了整個(gè)水電機(jī)組的可靠性和效率。因此深入研究空化機(jī)理，結(jié)合信號(hào)采集、信號(hào)處理和故障診斷技術(shù)，建立可信的實(shí)時(shí)在線空化狀態(tài)評(píng)級(jí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組空化狀態(tài)的在線評(píng)價(jià)和預(yù)警，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的可靠、高效運(yùn)行和維修有著積極的意義。

2 空化信號(hào)的特點(diǎn)

2.1 初生階段空化引起的超聲段信號(hào)

研究表明，在空化發(fā)生的初始階段，液體沖擊產(chǎn)生的空泡絕大多數(shù)空化的體積較小，潰火時(shí)較短，輻射出的沖擊脈沖信號(hào)頻率高，主要是超聲波信號(hào)。因此，監(jiān)測(cè)空化超聲波信號(hào)有利于及早發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)中的空化。此時(shí)，空化輻射出的超聲信號(hào)主要分布在30～120 kHz的頻率范圍內(nèi)。

2.2 強(qiáng)烈空化引起的可聞段振動(dòng)信號(hào)

水輪機(jī)發(fā)生嚴(yán)重空化空蝕時(shí),將會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生劇烈高頻的振動(dòng)，而且會(huì)產(chǎn)生極其劇烈的噪聲。可以通過采集轉(zhuǎn)輪的高頻振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。在這種情況下，通過在轉(zhuǎn)輪附近的尾水門、水車室內(nèi)的支持蓋或者水導(dǎo)下軸承等位置加裝加速度傳感器，實(shí)時(shí)采集和分析評(píng)價(jià)水輪機(jī)空化空蝕引起的振動(dòng)加速度信號(hào)。轉(zhuǎn)輪空化空蝕越嚴(yán)重，所測(cè)得的振動(dòng)加速度值越大。相較于超聲段信號(hào)，空化引起的振動(dòng)信號(hào)主要以可聞聲段的信號(hào)為主。

2.3 強(qiáng)烈空化引起的機(jī)組能量參數(shù)的改變

隨著空化劇烈發(fā)展時(shí)，會(huì)使水輪機(jī)的效率、出力下降，耗水率增大。因此，通過在線監(jiān)測(cè)機(jī)組效率、出力等能量參數(shù)，通過對(duì)比起發(fā)展趨勢(shì)，也能及時(shí)間接反映出轉(zhuǎn)輪空化空蝕的發(fā)展程度。

3 多源融合的空化狀態(tài)在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)

綜上所述，不同階段空化空蝕聲信號(hào)的特征并不相同，因此，需要采用多種監(jiān)測(cè)手段才能有效監(jiān)測(cè)和識(shí)別其空化空蝕發(fā)展?fàn)顟B(tài)。在本文中將同時(shí)采集監(jiān)測(cè)可聞聲段振動(dòng)信號(hào)、超聲段聲音信號(hào)、機(jī)組效率及機(jī)組負(fù)荷等能量參數(shù)等三類信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)輪空化的監(jiān)測(cè)和分析評(píng)價(jià)。

3.1 測(cè)量傳感器選擇

3.1.1 可聞聲段振動(dòng)傳感器

正如前文所述，由于空泡潰滅的瞬間會(huì)輻射的機(jī)械沖擊力，具有高頻、大沖量的特點(diǎn)，因此，更合適測(cè)量其加速度信號(hào)。因此在本文中，選擇加速度振動(dòng)傳感器測(cè)量可聞聲段的空化信號(hào)?？蓪⒄駝?dòng)加速度的頻率響應(yīng)范圍限制在1 kHz～20 kHz之內(nèi)，且采用應(yīng)變式加速度傳感器。表1是典型的用于測(cè)量空化引起振動(dòng)的加速度傳感器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)：

表1 空化信號(hào)采集振動(dòng)加速度傳感器

典型的安裝位置有尾水管檢修入口門及導(dǎo)葉拐臂處選擇1～2不同方位固定。

3.1.2 超聲段空化信號(hào)采集傳感器

可用于超聲段空化信號(hào)采集的傳感器有兩種，一種是聲發(fā)射傳感器，另外一種是水聽器，以下分別介紹其特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)。

（1）聲發(fā)射傳感器

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：聲發(fā)射信號(hào)來自檢測(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)；可檢測(cè)的頻帶較寬，可以監(jiān)測(cè)從幾千到1 MHz頻率的信號(hào)。在本文中，選擇R15a型聲發(fā)射傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)空化信號(hào)高于20 kHz以上信號(hào)的采集測(cè)量。典型的安裝位置有尾水管檢修入口門及導(dǎo)葉拐臂處選擇1～2不同方位固定。表2是其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

表2 聲發(fā)射傳感器主要技術(shù)參指標(biāo)

（2）水聽器

水聲換能器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為水聲信號(hào)或?qū)⑺曅盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。正如本文所述，空泡潰滅會(huì)引起不同的水聲輻射信號(hào)，而用水聽器就可以拾取這些水聲信號(hào)，通過分析識(shí)別就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空化信號(hào)的評(píng)價(jià)。對(duì)比于聲發(fā)射傳感器，水聽器的頻率響應(yīng)范圍地可聞聲段和超聲聲段都有。典型的安裝位置如尾水管檢修入口門。表3是其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

表3 水聽器主要技術(shù)參指標(biāo)

3.1.3 機(jī)組能量參數(shù)測(cè)量

機(jī)組效率測(cè)試的核心是機(jī)組過機(jī)流量的測(cè)試，而在線測(cè)量機(jī)組流量的方法主要有超聲波測(cè)流法、蝸殼差壓法等。在測(cè)量得到機(jī)組流量之后，采集機(jī)組有功功率，蝸殼進(jìn)口壓力以及出口壓力等參數(shù)就可計(jì)算獲得機(jī)組實(shí)時(shí)效率。以下表4是效率測(cè)量所需要的測(cè)量參數(shù)：

表4 機(jī)組效率測(cè)量所需測(cè)量參數(shù)

3.2 空化狀態(tài)在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)功能原理

結(jié)合空化系統(tǒng)的特點(diǎn)以及傳感器的選型，空化狀態(tài)在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 空化狀態(tài)在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中，超聲段信號(hào)（聲發(fā)射信號(hào)、水聽器）通過高速信號(hào)采集模塊進(jìn)行采集，采集頻率為2 MHz，能滿足1 MHz以下聲發(fā)射信號(hào)、水聽器信號(hào)的采集；可聞聲段的高速振動(dòng)加速度信號(hào)通過中頻信號(hào)采集模塊進(jìn)行采集，采集頻率為200 kHz,能滿足20 kHz及以下振動(dòng)加速度信號(hào)的采集；而機(jī)組蝸殼差壓、有功功率、壓力等信號(hào)則由低頻信號(hào)采集模塊進(jìn)行采集，該采集器采集頻率設(shè)定為500 Hz。上圖1中，智能空化信號(hào)處理單元是評(píng)價(jià)系統(tǒng)的核心信號(hào)處理單元，它接收高速采集模塊傳送來的聲發(fā)射、水聽器的超聲段高頻信號(hào)，接收中速采集模塊傳送來的振動(dòng)加速度的可聞聲段高頻信號(hào)以及低速采集模塊傳送來的蝸殼差壓、機(jī)組有功率、壓力等信號(hào)，融合上述信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)組效率、耗水率，以及空化強(qiáng)度等關(guān)鍵指標(biāo)，并在線判定機(jī)組的空化狀態(tài)，如果滿足報(bào)警條件（如效率下降、空化信號(hào)指數(shù)增大）則發(fā)出告警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在線的預(yù)警功能。同時(shí)將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、以及向遠(yuǎn)程的機(jī)組監(jiān)測(cè)分析中心傳輸，以滿足在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析的需要。其數(shù)據(jù)處理邏輯框圖如下：

圖2 是空化狀態(tài)在線評(píng)價(jià)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理邏輯框圖，其中核心算法是空化強(qiáng)度信號(hào)的識(shí)別與計(jì)算方法。從本文空化信號(hào)的特征可以獲知，空泡潰滅時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片和尾水管壁等產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻沖擊脈沖信號(hào)，因此采用恰當(dāng)?shù)男盘?hào)處理方法識(shí)別沖擊的頻次、強(qiáng)度，是識(shí)別空化強(qiáng)度的重要方法。越高頻次潰滅的空泡，說明空泡越多，對(duì)水輪機(jī)損傷也越大；越高幅值能量的沖擊，對(duì)水輪機(jī)過流部件的破壞也越大。因此，借助于單位時(shí)間內(nèi)的沖擊總能量和沖擊脈沖頻次可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪空化狀態(tài)和發(fā)展水平的分析評(píng)價(jià)。當(dāng)然也可以借助于最新的深度機(jī)器學(xué)習(xí)方法，可以大量空化數(shù)據(jù)樣本的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)組的不同空化狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別和分類。

4 空化強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用

4.1 基于譜峭度方法的沖擊脈沖能量空化評(píng)價(jià)方法

譜峭度法是一個(gè)共振解調(diào)方法中帶通濾波器中心頻率和帶寬參數(shù)確定問題的有效方法，廣泛用于工業(yè)大型機(jī)械的信號(hào)檢測(cè)和故障定位；該方法以選擇濾波后時(shí)域信號(hào)的峭度值作為濾波效果度量指標(biāo)，采用多次迭代方法確定最優(yōu)的濾波器。以此最優(yōu)濾波器為基礎(chǔ)，對(duì)聲發(fā)射、水聽器、振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行窄帶濾波，而后采用數(shù)字包絡(luò)解調(diào)方法獲得沖擊包絡(luò)信號(hào)，以該包絡(luò)信號(hào)為基礎(chǔ)，積分獲得脈沖能量強(qiáng)度，和脈沖重復(fù)率、單位時(shí)間內(nèi)的沖擊能量強(qiáng)度。通過上述脈沖重復(fù)率和沖擊能量強(qiáng)度，就可實(shí)現(xiàn)空化狀態(tài)的量化評(píng)價(jià)。

圖3 是對(duì)福建某水電廠軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組尾水管門測(cè)得的超聲信號(hào)，采用本方法處理的結(jié)果。從以上數(shù)據(jù)可以看出，在測(cè)量水頭低負(fù)荷區(qū)單位時(shí)間內(nèi)的沖擊脈沖重復(fù)率、脈沖能量強(qiáng)度遠(yuǎn)高于高負(fù)荷區(qū)。經(jīng)對(duì)比該機(jī)組模型試驗(yàn)和綜合特性曲線數(shù)據(jù)獲知，該機(jī)組在對(duì)應(yīng)水頭低負(fù)荷區(qū)存在較為強(qiáng)烈的空腔空化和翼型空化；而在高負(fù)荷區(qū)，該機(jī)組空腔空化則減小、變?nèi)?。因此，?duì)比上述數(shù)據(jù)可以看出，通過沖擊脈沖重復(fù)率和沖擊脈沖能量可以較好的反映出該水輪機(jī)的空化狀態(tài)和變化水平。

圖3 不同負(fù)荷區(qū)下空化沖擊脈沖重復(fù)率分布及空化沖擊脈沖能量的分布

4.2 基于深度機(jī)器學(xué)習(xí)的空化評(píng)價(jià)方法

深度學(xué)習(xí)是基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更復(fù)雜的分析處理，以期獲取我們用戶感興趣的信息，是信號(hào)與信息處理范疇的最新技術(shù)。在本文中，采用深度機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對(duì)采集到的不同負(fù)荷下的空化樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了訓(xùn)練，并用新的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。其中訓(xùn)練樣本采用了與4.1中同樣的樣本數(shù)據(jù)，共9組數(shù)據(jù)，其中2組低負(fù)荷區(qū)空化狀態(tài)的樣本數(shù)據(jù)，而7組為高負(fù)荷區(qū)空化程序很低的樣本數(shù)據(jù)。預(yù)處理過程將20 kHz以下的信號(hào)濾除。 在訓(xùn)練獲得優(yōu)化模型之后，采用該模型，對(duì)該機(jī)組新測(cè)量的多組不同負(fù)荷下的空化信號(hào)進(jìn)行分類計(jì)算，獲得與空化狀態(tài)樣本的貼近度，以該貼近度為基礎(chǔ)計(jì)算該機(jī)組的空化健康程度系數(shù)，該系數(shù)為正而且越大表明新的測(cè)試樣本越貼近正常無空化狀態(tài)樣本，該系數(shù)為負(fù)，而且絕對(duì)值越大表明新的測(cè)試樣本越貼近空化狀態(tài)樣本。下表5是測(cè)試的結(jié)果：

表5 深度機(jī)器學(xué)習(xí)模型測(cè)試結(jié)果

從以上數(shù)據(jù)可以看出，采用基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度機(jī)器學(xué)習(xí)方法，可以較好的實(shí)現(xiàn)空化狀態(tài)的識(shí)別，因此基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度機(jī)器學(xué)習(xí)方法不失為一種新的可以探索的空化狀態(tài)評(píng)價(jià)的方法。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)水輪機(jī)空化產(chǎn)生的機(jī)理和信號(hào)特征的分析，提出了一套綜合的、基于多源融合的水輪機(jī)空化狀態(tài)的分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法，并引用實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。然而，水輪機(jī)空化程度的識(shí)別與評(píng)價(jià)是極其復(fù)雜的，是水輪機(jī)故障診斷領(lǐng)域最復(fù)雜的問題之一。從目前發(fā)展水平看，仍然需要從機(jī)理研究、基礎(chǔ)測(cè)量技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等多方面進(jìn)一步研究、探索和驗(yàn)證實(shí)踐。