光纖應(yīng)變技術(shù)在水輪機(jī)尾水門物理場(chǎng)模型構(gòu)建中的應(yīng)用

羅金文，唐曉丹，李初輝，劉紹勇，黃天雄，胡慶雄

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司烏東德水電站，云南 昆明 650000）

0 引言

尾水管是混流式水輪機(jī)的最后一個(gè)過(guò)流部件，其主要作用為將轉(zhuǎn)輪出口水流引向下游，并對(duì)轉(zhuǎn)輪出口的動(dòng)能進(jìn)行回收，提高水輪機(jī)的整機(jī)效率。為方便尾水管檢查和轉(zhuǎn)輪維護(hù)，一般在尾水管的錐管段設(shè)置有外開(kāi)、鉸鏈?zhǔn)降木匦芜M(jìn)人門，門蓋通過(guò)螺栓把合的方式進(jìn)行固定和密封，是機(jī)組日常巡檢的重點(diǎn)區(qū)域。機(jī)組運(yùn)行期間，尤其是低負(fù)荷、升壓和甩負(fù)荷等極端工況，尾水管承受著周期性的壓力脈動(dòng)，國(guó)內(nèi)外水電機(jī)組均出現(xiàn)過(guò)進(jìn)人門螺栓松動(dòng)及斷裂、焊縫開(kāi)裂漏水等問(wèn)題[1-3]，容易誘發(fā)水淹廠房的重大安全事故。

本文以某巨型混流式水輪機(jī)尾水進(jìn)人門為例，首次采用光纖光柵應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)，對(duì)尾水門有限元仿真模型進(jìn)行了真機(jī)實(shí)測(cè)精度驗(yàn)證，為高精度尾水門數(shù)字孿生物理場(chǎng)模型構(gòu)建提供可靠依據(jù)。

1 發(fā)電設(shè)備數(shù)字孿生與智能運(yùn)維

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、先進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備健康管理與故障診斷技術(shù)的進(jìn)步與融合，大型工業(yè)裝備也朝著設(shè)備數(shù)字化、管理數(shù)字化和服務(wù)智能化等應(yīng)用方向發(fā)展。數(shù)字孿生技術(shù)作為一項(xiàng)聯(lián)系物理實(shí)體和數(shù)字模型的關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和數(shù)字孿生體之間的雙向映射和動(dòng)態(tài)交互，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)感知物理實(shí)體的實(shí)際狀態(tài)，使用數(shù)字孿生物理場(chǎng)模型進(jìn)行優(yōu)化、決策、診斷和預(yù)測(cè)，達(dá)到對(duì)水電機(jī)組實(shí)體全生命周期監(jiān)測(cè)和控制的目標(biāo)，為機(jī)組數(shù)字化智能運(yùn)維提供技術(shù)支撐[4-6]。

物理場(chǎng)模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)包括新增傳感裝置、模型構(gòu)建、仿真分析和預(yù)測(cè)診斷功能開(kāi)發(fā)，其中，仿真模型精度的真機(jī)驗(yàn)證是整個(gè)模型構(gòu)建過(guò)程中最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

2 結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)原理

結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量方法包括應(yīng)變片電測(cè)法、光纖光柵應(yīng)變測(cè)量法、數(shù)字圖像相關(guān)法、X 射線應(yīng)力測(cè)量、聲彈性超聲測(cè)力法等[7-8]。由于光纖傳感器具備信號(hào)衰減小、可長(zhǎng)距離測(cè)量、抗電磁干擾、長(zhǎng)期零點(diǎn)穩(wěn)定、溫度漂移微小、靈敏度高、準(zhǔn)分布式測(cè)量、安裝工藝簡(jiǎn)便可靠等優(yōu)點(diǎn)，本項(xiàng)目中采用四川拜安科技有限公司的焊接式光纖光柵傳感器進(jìn)行尾水門結(jié)構(gòu)應(yīng)變的在線監(jiān)測(cè)。

圖1 焊接式光纖光柵應(yīng)變計(jì)外形圖

表1 光纖光柵應(yīng)變計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

2.1 光纖光柵應(yīng)變測(cè)量原理

光纖光柵是利用光纖布拉格光柵（FBG）反射波中心體波長(zhǎng)隨外力和溫度而變化來(lái)測(cè)量結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變，其計(jì)算公式為：

其中：ε為當(dāng)前結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)變，單位με；Kε為恒溫下的傳感器應(yīng)變系數(shù)，單位με/mm；λε為應(yīng)變光柵的實(shí)時(shí)波長(zhǎng)值，單位nm；λε0為應(yīng)變光柵標(biāo)定環(huán)境下的波長(zhǎng)值，單位nm；ΔT為當(dāng)前溫度與標(biāo)定溫度的差值，單位℃；C為傳感器的溫度補(bǔ)償系數(shù)，單位nm/℃。

2.2 傳感器溫度系數(shù)標(biāo)定

將焊接式光纖應(yīng)變傳感器同批次樣品，焊接于基體上，通過(guò)溫箱進(jìn)行-20~80℃范圍內(nèi)6 支傳感器的溫度梯度加載試驗(yàn)。

圖2 溫度系數(shù)試驗(yàn)用工裝

光纖光柵焊接式應(yīng)變傳感器通過(guò)封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括自身材料的選用、結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)、靈敏度系數(shù)的調(diào)整等，可以有效降低傳感器焊接于碳鋼上的整體溫度系數(shù)，達(dá)到自身補(bǔ)償?shù)男Ч?。由材料自身熱膨脹系?shù)（10.6~12.2）με/℃降低至2.4 με/℃附近。添加溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償后可以有效降低結(jié)構(gòu)由于溫度帶來(lái)的影響，在0~30℃的溫度范圍內(nèi)，基本可以將應(yīng)變誤差控制在±10 με 以內(nèi)。

表2 應(yīng)變系數(shù)及溫度補(bǔ)償系數(shù)試驗(yàn)值

3 尾水門光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

本電站尾水進(jìn)人門采用分體式補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，根據(jù)進(jìn)人門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，光纖應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置選擇錐管本體，避開(kāi)補(bǔ)強(qiáng)板和局部應(yīng)力區(qū)，詳見(jiàn)圖3~圖4。

圖3 尾水進(jìn)人門現(xiàn)場(chǎng)圖

圖4 光纖應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

錐管半錐頂角為6°，可解析估算其在尾水壓力下的周向及軸向微應(yīng)變[9]。

其中：p為尾水壓力；r為進(jìn)人門高程的錐管半徑；E為彈性模量；t為錐管壁厚；α為半錐頂角。

根據(jù)式（3），每0.01 MPa 尾水壓力變化對(duì)應(yīng)的周向應(yīng)變變化值為7.5 個(gè)微應(yīng)變；電站在0.24 MPa 尾水壓力下，對(duì)應(yīng)的周向微應(yīng)變?yōu)?80。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 有限元仿真模型

按電站進(jìn)人門混凝土廊道實(shí)際尺寸對(duì)模型進(jìn)行截?cái)?，四周固支；進(jìn)人門筋板和錐管環(huán)筋采用殼單元建模，本體采用六面體網(wǎng)格，與本體施加殼-實(shí)體耦合約束；網(wǎng)格特征尺寸10 mm，模型網(wǎng)格單元約52萬(wàn)；按電站實(shí)測(cè)錐管進(jìn)口壓力進(jìn)行加載。

4.2 結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了尾水壓力0.22~0.31 MPa 范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)相對(duì)變化值，見(jiàn)圖5。

圖5 尾水進(jìn)人門實(shí)測(cè)相對(duì)變化值（以0.22 MPa 為基準(zhǔn)）

尾水壓力0.27 MPa 的載荷下，實(shí)測(cè)值與有限元仿真值比對(duì)及相對(duì)誤差詳見(jiàn)圖6~圖7。二者吻合度較好，除測(cè)點(diǎn)1~2 應(yīng)力集中區(qū)外，測(cè)點(diǎn)2~8 的相對(duì)誤差均在±5%以內(nèi)。

圖6 實(shí)測(cè)值-仿真值對(duì)比

圖7 仿真值相對(duì)誤差

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用實(shí)測(cè)和有限元仿真相結(jié)合的方法，解決了水輪機(jī)尾水進(jìn)人門長(zhǎng)期以來(lái)有限元計(jì)算無(wú)法驗(yàn)證的問(wèn)題。

通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)尾水門仿真模型的建模、邊界和載荷條件等進(jìn)行了真機(jī)驗(yàn)證，為尾水門數(shù)字孿生物理場(chǎng)模型構(gòu)建提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，并為機(jī)組其它部件物理場(chǎng)模型構(gòu)建提供了實(shí)例參考。