CN203629869U

CN203629869U - 水轮机空化监测与分析***

Info

Publication number: CN203629869U
Application number: CN201320844845.XU
Authority: CN
Inventors: 潘罗平; 张建军; 桂中华; 周叶; 宁淑贤; 牟岩波; 王一平
Original assignee: BEIJING IWHR TECHNOLOGY Co Ltd; Taipingwan Power Plant
Current assignee: BEIJING IWHR TECHNOLOGY Co Ltd; Taipingwan Power Plant
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2023-12-19

Abstract

本实用新型涉及一种电力***设备监测，即水轮机空化监测与分析***。一种水轮机空化监测与分析***，包括：现地测量层：由振动加速度传感器和声发射传感器组成。采用振动加速度传感器拾取4－20kHz空化信号，采用声发射传感器拾取20－200kHz空化信号。传感器安装在最易发生空化空蚀的水轮机水车室内的导叶连杆拐臂套筒、支持盖或尾水管检修门区域。信号预处理层：包括放大器、隔离器、空化数据采集器。数据处理及分析层：包括计算机。采用振动加速度和声发射传感器探测水轮机空化发生时产生的声信号，选取水轮机导叶拐臂、下环和尾水管三个空化测量较好的位置进行检测，灵敏度高。

Description

水轮机空化监测与分析***

技术领域　

本实用新型涉及一种电力***设备监测，即水轮机空化监测与分析***。

背景技术

在现有技术中，水轮机是水力发电机组中的关键设备。当水轮机发生空化时，会产生数量不等的气泡，气泡随着水流运动到高压区时会溃灭，同时产生高频脉冲波，辐射空化噪声，引起介质压力脉动，并诱发机械结构振动。空化空蚀是水轮机运行过程中不可避免的一种破坏现象，是导致水轮机运行效率下降、结构破坏以及使用寿命缩短的主要因素之一，尤其在泥沙磨损的联合作用下，其破坏更加强烈，会严重影响机组稳定运行和效率，是水轮机检修周期的一个决定性因素。空化监测的研究已成为当前水电机组状态监测领域的难点与热点问题之一，受到了业内学者的极大关注。

水轮机中的空化型态有游移型空化、固定型空化和漩涡型空化。通常按空化发生的部位将其分为以下四类：（1）叶型（翼型）空蚀。（2）空腔空蚀。（3）间隙空蚀。（4）其他局部脱流引起的空蚀。以上四种空蚀，间隙空蚀可能会引起机件破坏，对水轮机效率也有一定的影响，但最为常见且危害较大的是翼型空蚀和空腔空蚀，它们不仅会损坏水轮机部件，而且会使水轮机出力和效率下降，甚至引起机组的强烈振动和不稳定运行。一般而言，混流式水轮机的空化空蚀主要是翼型空化空蚀，而间隙和局部空化空蚀是次要的；而转桨式水轮机以间隙空化较多。

从以往的研究来看，目前的水轮机空化空蚀监测***中，振动加速度传感器以及超声波传感器是两大主流传感器。但在应用时还存在一些不足，主要表现在监测手段单一以及测试***的频段不够宽。以往研究中往往采用单一类型的传感器监测空化，这种监测模式无法满足其宽频特性的。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述不足而提供一种利于水轮机状态检修的水轮机空化监测与分析***。

本实用新型的技术解决方案是：一种水轮机空化监测与分析***，包括：

现地测量层：由振动加速度传感器和声发射传感器组成。采用振动加速度传感器拾取4－20kHz空化信号，采用声发射传感器拾取20－200kHz空化信号。传感器安装在最易发生空化空蚀的水轮机水车室内的导叶连杆拐臂套筒、支持盖或尾水管检修门区域。

信号预处理层：包括放大器、隔离器、空化数据采集器。

数据处理及分析层：包括计算机。

各层之间通过信号线连接。***采用高屏蔽性的双绞线传送信号。

空化信号的监测就是测量空泡溃灭时产生的高频脉冲波、微射流及由此导致的高频噪声信号、介质的压力脉动和机械的结构振动，从测量的信号中提取表征空化的特征值，并建立空化特征值与空化强度的对应关系，通过监测测量信号中各特征值的变化来判断空化的发生和发展，从而达到监测空化的目的。

超声波法：超声波法是利用水轮机空化过程中所伴随产生的声学方面的一些特征，将空化现象与这些声学特征联系起来，探明他们之间的内在联系的一种方法。用此方法测量空化特性，主要是测量与计算表征声学方面特征的参数，最主要的是声强这个参数。超声波传感器使用压电换能器，具有较宽的频率响应特性，定向性能好，受背景噪声干扰少，在一定的频段范围内能将声能线性转换成电压信号，比较适合监测空化空蚀信号的高频分量。在监测水轮机更高频段的空化空蚀声信号，尤其是监测空化初生的声信号，超声波传感器更为可靠。

振动测试法：水轮机发生空化时，不仅会使机组运行噪声增强，还会引起机组的振动，因此，测试机组高频振动也是水轮机空化测试的最重要方法之一。空泡溃灭的瞬间会辐射冲量很大的高频机械振荡冲击力，这种声波属于脉冲性的，因此，一定程度上采用振动加速度计测量冲击力产生的加速度更为合适。通过加速度传感器拾取空化振动信号，再由数据采集***采集到计算机进行分析处理，分别提取时域、频域的特征信号，再根据这些特征值的属性，可判断水轮机的空化空蚀的发生、发展以及严重程度，一定程度上还可预估空蚀的程度。由于振动加速度是通过水轮机机构传递的，因此，通过振动加速度传感器测试的信号基本上可以反映水轮机的空化的真实情况，总的趋势是空化空蚀越严重，所测得的振动加速度值越大。由于振动加速度传感器的感应频率范围与其灵敏度是一对矛盾，往往限制了其在更高频段的空化空蚀信号测试的应用，因此，目前振动加速度传感器一般用于水轮机的空化空蚀低频段信号的测试，尤其是在可闻听频段的空化测试。在水轮机空化空蚀实际测试现场，可将振动加速度传感器直接安装水车室的导叶拐臂套筒、支持盖或者下水导等处，但此处监测的信号由于受环境因素的影响以及传播损耗，其信号的可用性和可信性必然受到影响，需要后续信号处理提取空化的真实信号。

主要功能：1、信号采样、记录和回放。2、空化状态在线监视，了解机组空化性能，监测空化性能的变化。3、分析空化随着负荷的变化。4、分析空化随着时间的变化曲线。

本实用新型的优点是：1、本装置采用了基于振动和声发射多维融合的空化监测技术，综合了振动加速度和声发射传感器的优势，采用振动加速度和声发射传感器探测水轮机空化发生时产生的声信号，包括可闻声信号和超声波声信号。开发的水轮机空化监测与分析***适用于水轮机空化状态的长期在线实时监测，通过真机不同负荷下的空化噪声图谱分析，为真机运行识别空化发生提供样本；根据水轮机空化声信号频谱及空化声信号强度随着空化程度的变化特性区分故障类型和评估空化故障程度；根据多点易发生空化空蚀的区域空化信号强度分析判定故障发生区域；并对机组长期运行提供空化状态趋势评估，为真机空化状态的合理评价提供依据。2、选取水轮机导叶拐臂、下环和尾水管三个空化测量较好的位置进行检测，灵敏度高。

下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。

附图说明

图1是本实用新型组成示意图。

具体实施方式

参见图1，水轮机空化监测与分析***由现地测量层、信号预处理层和数据处理及分析层三部分组成。

现地测量层：由振动加速度传感器和声发射传感器组成。

信号预处理层：包括放大器、隔离器、空化数据采集器。

数据处理及分析层：包括计算机。

各层之间通过信号线连接。

采用振动加速度传感器拾取4－20kHz空化信号，采用声发射传感器拾取20－200kHz空化信号。

现地测量层：由振动加速度和声发射传感器组成。可精确拾取空化发生时4-20kHz可闻声信号和50-200kHz超声信号。声发射传感器由于其监测频谱极宽，定向性好、穿透能力强，满足空化声信号的超高频段的测试要求，尤其是对初生空化的监测，其具有不可替代的优势。由于水轮机空化信号频率较宽，既有超声频段也有可闻频段，且在可闻频段的相当高频部位，振动加速度传感器非常适合监测空化的可闻频段声信号。

信号预处理层：由放大、保持、接线端子、传输、隔离模块、模/数转换、及相关外设组成。完成信号放大、采集、模/数转换、初步处理及数据上传等功能。

数据处理及分析层：由工业平板电脑及软件组成。处理及存贮数据、分析空化状态并生成各种图表。

1、传感器选型：采用振动加速度进行水轮机空化在线监测，加速度计抗干扰能力强，安装方便，对高频空化信号的频率响应特性好；而为了对空化过程中辐射出的超声波信号进行监测，可采用声发射传感器，该传感器监测频带较宽，几十kHz～几百kHz，这个频段很难由机械振动等低频声源产生，可以说是主要由空化产生的，避免了背景噪声的干扰。本项目选择了振动加速度和声发射两类传感器进行空化在线监测装置。

在综合考虑传感器的频率范围以及可靠性的情况下，项目选用了美国物理声学公司高品质进口传感器，以保证拾取的空化声信号的准确性，传感器主要参数如下。

Figure 201320844845X100002DEST_PATH_IMAGE001

2、传感器布置与安装

影响传感器安装因素：

空化源，根据水轮机中空蚀的发生部位，主要分为三种类型：翼型空蚀、间隙空蚀和空腔空蚀。翼型空蚀主要发生在叶片出口边背面；间隙空蚀主要发生在转轮叶片与转轮室之间的间隙内及叶片与转轮体之间的间隙内，间隙空蚀的作用会造成转轮室、叶片外缘和叶片法兰的下表面和转轮体局部遭到破坏；由于机组偏离最优工况运行，而在转轮出口和尾水管入口处产生不对称空腔涡流，从而导致空腔空蚀。在轴流转浆式水轮机中，发生在转轮叶片与转轮室之间的间隙空蚀和叶片出水边背面的空蚀翼型最为严重，已经成为评估水轮机空蚀程度的重要指标。

传感器安装的方便性和可靠性，可靠性、方便性以及无损是传感器安装的重要原则，是实现在线监测的基础；由于水电厂湿度大，粉尘多，传感器容易受潮而损坏，因此传感器安装过程中，必须对其抗潮湿、便于更换等进行充分的考虑。

声发射传感器的接收角度，由于高频信号具有较强的方向性，声发射传感器具有一定的接收角度，因此，要想对空化信号进行有效的监测，空蚀发生区域应处于声发射传感器的有效接收范围内。

从信号传递的角度看，加速度计安放位置应视注重研究的空化发生的部位而定，其原则是距离空化发生的位置愈近愈好，且加速度计与声源之间的金属厚度最小。

传感器安装位置选择，从声发射传感器信号接收角度考虑，对发生在转轮叶片与转轮室之间、叶片表面以及转轮叶片与转轮体之间的空化状态进行监测，传感器较理想的位置应在支持盖的平面上，这样可使整个叶片均处于传感器的监控范围内，而其余位置如转轮体、锥体上环等处，要么在运行时，安装人员不能安全进入（如空间及其狭小或壳体内充满了油或水），要么中间存在有较大的空气间隙，信号衰减严重甚至不能直接捕捉到空化信号。+Y方向支持盖对应蜗壳入口处，水流不稳定，而+X方向对应蜗壳的末端，水流相对较稳定，为了研究水流稳定性对空化的影响，比较两处监测的信号，分析其高频部分信号的异同。可见，在机组支持盖+X和+Y方向安置传感器比较合理。

支持盖由斜面和上平面组成，传感器在支持盖上具体的安装位置取决于能否直接接收到叶片处的空化信号，太平湾水轮机结构来看，支持盖上平面正对着叶片易发生空蚀区域，由于所选择的声发射传感器具有一定的接收角，理想情况下，其监控范围可以覆盖叶片的空蚀区域，使传感器所接收到的空化信号较为理想；同时为了提高监测精度在这位置还安装了一个加速度传感器。

为了对机组活动导叶处的空化状态和水流情况进行监测，需要在导叶套筒端盖叶的螺钉上布置振动加速度传感器和声发射传感器。应考虑安装在正对着蜗壳入口的导叶，水流正冲击角度比大。对于转轮叶片背面的空化状态和空蚀程度的监测，是通过安装在尾水门处的传感器进行监控，尾水门与叶片出水边距离非常接近，超声波信号比较强，因此在尾水门上部也安装了一声发射传感器。

3、传感器使用及连接

声发射传感器使用：

探头安装方式，磁吸方式，需要特制的磁铁。白色面为安装面，

放大器安放，位置靠近探头2-3m，此类探头与放大器连接为采用SINGLE；放大器供电：+24V，注意正负不能弄反，芯孔接正。放大器输出信号始终是0-10V。

4、振动加速度传感器安装使用：

1) 探头安装方式：安装基座，攻丝，焊接基座。

2) 探头供电用放大器供电，直流电流供电选择10mA，电流大，探头与放大器之间的距离可以长些。

3) 放大器安放：放大器可以安装机柜；供电：24V；

4) 放大器接线：

input:SENSOR(+)/SENSOR(-);

output：（+）OUT/（-）OUT;

POWER:(+)24VDC/(-)24VDC

5) 放大器输出电压为-5V~+5V（不管放大倍数）

1X:输出电压-5V~5V; 对应范围为50g；10X:放大器输出为+-5V,探头实际输出为+-0.5v，测量范围为5g，100X实际测量范围为0.5g。

5、信号预处理层硬件***

(1)信号放大器

1）声发射传感器的2/4/6C放大器

声发射传感器输出为mV信号，需要通过2/4/6C放大器放大后才能接入空化信号采集器，放大后的输出信号始终是0-10V。

声发射传感器的2/4/6C放大器使用配置说明：

a）安放位置应靠近探头2-3m。

b）放大器的信号输入端选择SINGLE。

c）放大器供电：+24V，注意正负不能弄反，芯孔接正。

2）加速度传感器68ZA02放大器

加速度传感器输出为mV信号，需要通过68ZA02放大器，放大后才能接入空化信号采集器，放大后的输出信号始终是-5-5V。

(2)隔离模块

***的工况参数来自电厂别的***，为了避免***之间的相互干扰，配置了WS1521 三端口过程电压隔离端子，通过光电或者磁感应建立数据通讯连接，输入、输出和工作电源三者相互隔离，没有干扰，提高电厂***运行的稳定性。

WS1521 三端口过程电压隔离端子的主要技术参数及安装要求如下。

6、数据采集器

由于空化信号频率较高，本***选用了美国NI公司具有高可靠性的高速采集卡NI 9222,16位同步模拟输入模块，单通道采样率高达500 kS/s,具体配置见下表。

7、空化数据分析站

空化数据分析站完成空化数据的接收、处理、入库与分析诊断等功能。分析站对接收到的来自数据采集站的数据进行分析处理，提取特征参数，得到空化状态数据，完成机组故障的预警和报警，同时在不丢失故障信息的前提下压缩数据容量，最后将数据入库供进一步的状态监测分析和诊断。数据分析站提供FFT、频谱图、趋势分析、相关分析和趋势预警等多种分析功能对空化信号进行全方位分析处理。

空化分析站采用15寸工业平板电脑AFL-15（薄型无风扇）。

主要参数如下：

处理器：Intel N270,1.6GHz。

内存：2G DDR2。

硬盘：500G HDD。

2千兆以太网口。

4 个 USB 端口。

空化分析站软件配置：

WIN7操作***。

SQL 2000数据库软件。

中水科技空化数据库入库程序。

中水科技空化监测分析软件。

Claims

1.一种水轮机空化监测与分析***，其特征在于包括：

现地测量层：由振动加速度传感器和声发射传感器组成；

信号预处理层：包括放大器、隔离器、空化数据采集器；

数据处理及分析层：包括计算机；

各层之间通过信号线连接。

2.按照权利要求1所述的水轮机空化监测与分析***，其特征在于振动加速度传感器拾取4－20kHz空化信号；声发射传感器拾取20－200kHz空化信号。