水輪機空化監測與分析系統的製作方法
2023-05-17 21:09:46
水輪機空化監測與分析系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種電力系統設備監測，即水輪機空化監測與分析系統。一種水輪機空化監測與分析系統，包括：現地測量層：由振動加速度傳感器和聲發射傳感器組成。採用振動加速度傳感器拾取4－20kHz空化信號，採用聲發射傳感器拾取20－200kHz空化信號。傳感器安裝在最易發生空化空蝕的水輪機水車室內的導葉連杆拐臂套筒、支持蓋或尾水管檢修門區域。信號預處理層：包括放大器、隔離器、空化數據採集器。數據處理及分析層：包括計算機。採用振動加速度和聲發射傳感器探測水輪機空化發生時產生的聲信號，選取水輪機導葉拐臂、下環和尾水管三個空化測量較好的位置進行檢測，靈敏度高。
【專利說明】水輪機空化監測與分析系統
[0001]【技術領域】
[0002]本實用新型涉及一種電力系統設備監測，即水輪機空化監測與分析系統。
【背景技術】
[0003]在現有技術中，水輪機是水力發電機組中的關鍵設備。當水輪機發生空化時，會產生數量不等的氣泡，氣泡隨著水流運動到高壓區時會潰滅，同時產生高頻脈衝波，輻射空化噪聲，引起介質壓力脈動，並誘發機械結構振動。空化空蝕是水輪機運行過程中不可避免的一種破壞現象，是導致水輪機運行效率下降、結構破壞以及使用壽命縮短的主要因素之一，尤其在泥沙磨損的聯合作用下，其破壞更加強烈，會嚴重影響機組穩定運行和效率，是水輪機檢修周期的一個決定性因素。空化監測的研究已成為當前水電機組狀態監測領域的難點與熱點問題之一，受到了業內學者的極大關注。
[0004]水輪機中的空化型態有遊移型空化、固定型空化和漩渦型空化。通常按空化發生的部位將其分為以下四類:(I)葉型(翼型)空蝕。(2)空腔空蝕。(3)間隙空蝕。(4)其他局部脫流引起的空蝕。以上四種空蝕，間隙空蝕可能會引起機件破壞，對水輪機效率也有一定的影響，但最為常見且危害較大的是翼型空蝕和空腔空蝕，它們不僅會損壞水輪機部件，而且會使水輪機出力和效率下降，甚至引起機組的強烈振動和不穩定運行。一般而言，混流式水輪機的空化空蝕主要是翼型空化空蝕，而間隙和局部空化空蝕是次要的；而轉槳式水輪機以間隙空化較多。
[0005]從以往的研究來看，目前的水輪機空化空蝕監測系統中，振動加速度傳感器以及超聲波傳感器是兩大主流傳感器。但在應用時還存在一些不足，主要表現在監測手段單一以及測試系統的頻段不夠寬。以往研究中往往採用單一類型的傳感器監測空化，這種監測模式無法滿足其寬頻特性的。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的是針對上述不足而提供一種利於水輪機狀態檢修的水輪機空化監測與分析系統。
[0007]本實用新型的技術解決方案是:一種水輪機空化監測與分析系統，包括:
[0008]現地測量層:由振動加速度傳感器和聲發射傳感器組成。採用振動加速度傳感器拾取4 一 20kHz空化信號，採用聲發射傳感器拾取20 - 200kHz空化信號。傳感器安裝在最易發生空化空蝕的水輪機水車室內的導葉連杆拐臂套筒、支持蓋或尾水管檢修門區域。
[0009]信號預處理層:包括放大器、隔離器、空化數據採集器。
[0010]數據處理及分析層:包括計算機。
[0011]各層之間通過信號線連接。系統採用高屏蔽性的雙絞線傳送信號。
[0012]空化信號的監測就是測量空泡潰滅時產生的高頻脈衝波、微射流及由此導致的高頻噪聲信號、介質的壓力脈動和機械的結構振動，從測量的信號中提取表徵空化的特徵值，並建立空化特徵值與空化強度的對應關係，通過監測測量信號中各特徵值的變化來判斷空化的發生和發展，從而達到監測空化的目的。
[0013]超聲波法:超聲波法是利用水輪機空化過程中所伴隨產生的聲學方面的一些特徵，將空化現象與這些聲學特徵聯繫起來，探明他們之間的內在聯繫的一種方法。用此方法測量空化特性，主要是測量與計算表徵聲學方面特徵的參數，最主要的是聲強這個參數。超聲波傳感器使用壓電換能器，具有較寬的頻率響應特性，定向性能好，受背景噪聲幹擾少，在一定的頻段範圍內能將聲能線性轉換成電壓信號，比較適合監測空化空蝕信號的高頻分量。在監測水輪機更高頻段的空化空蝕聲信號，尤其是監測空化初生的聲信號，超聲波傳感器更為可靠。
[0014]振動測試法:水輪機發生空化時，不僅會使機組運行噪聲增強，還會引起機組的振動，因此，測試機組高頻振動也是水輪機空化測試的最重要方法之一。空泡潰滅的瞬間會輻射衝量很大的高頻機械振蕩衝擊力，這種聲波屬於脈衝性的，因此，一定程度上採用振動加速度計測量衝擊力產生的加速度更為合適。通過加速度傳感器拾取空化振動信號，再由數據採集系統採集到計算機進行分析處理，分別提取時域、頻域的特徵信號，再根據這些特徵值的屬性，可判斷水輪機的空化空蝕的發生、發展以及嚴重程度，一定程度上還可預估空蝕的程度。由于振動加速度是通過水輪機機構傳遞的，因此，通過振動加速度傳感器測試的信號基本上可以反映水輪機的空化的真實情況，總的趨勢是空化空蝕越嚴重，所測得的振動加速度值越大。由于振動加速度傳感器的感應頻率範圍與其靈敏度是一對矛盾，往往限制了其在更高頻段的空化空蝕信號測試的應用，因此，目前振動加速度傳感器一般用於水輪機的空化空蝕低頻段信號的測試，尤其是在可聞聽頻段的空化測試。在水輪機空化空蝕實際測試現場，可將振動加速度傳感器直接安裝水車室的導葉拐臂套筒、支持蓋或者下水導等處，但此處監測的信號由於受環境因素的影響以及傳播損耗，其信號的可用性和可信性必然受到影響，需要後續信號處理提取空化的真實信號。
[0015]主要功能:1、信號採樣、記錄和回放。2、空化狀態在線監視，了解機組空化性能，監測空化性能的變化。3、分析空化隨著負荷的變化。4、分析空化隨著時間的變化曲線。
[0016]本實用新型的優點是:1、本裝置採用了基于振動和聲發射多維融合的空化監測技術，綜合了振動加速度和聲發射傳感器的優勢，採用振動加速度和聲發射傳感器探測水輪機空化發生時產生的聲信號，包括可聞聲信號和超聲波聲信號。開發的水輪機空化監測與分析系統適用於水輪機空化狀態的長期在線實時監測，通過真機不同負荷下的空化噪聲圖譜分析，為真機運行識別空化發生提供樣本；根據水輪機空化聲信號頻譜及空化聲信號強度隨著空化程度的變化特性區分故障類型和評估空化故障程度；根據多點易發生空化空蝕的區域空化信號強度分析判定故障發生區域；並對機組長期運行提供空化狀態趨勢評估，為真機空化狀態的合理評價提供依據。2、選取水輪機導葉拐臂、下環和尾水管三個空化測量較好的位置進行檢測，靈敏度高。
[0017]下面將結合附圖對本實用新型的實施方式作進一步詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型組成示意圖。
[0019]【具體實施方式】
[0020]參見圖1，水輪機空化監測與分析系統由現地測量層、信號預處理層和數據處理及分析層三部分組成。
[0021]現地測量層:由振動加速度傳感器和聲發射傳感器組成。
[0022]信號預處理層:包括放大器、隔離器、空化數據採集器。
[0023]數據處理及分析層:包括計算機。
[0024]各層之間通過信號線連接。
[0025]採用振動加速度傳感器拾取4 - 20kHz空化信號，採用聲發射傳感器拾取20 —200kHz空化信號。
[0026]現地測量層:由振動加速度和聲發射傳感器組成。可精確拾取空化發生時4-20kHz可聞聲信號和50-200kHz超聲信號。聲發射傳感器由於其監測頻譜極寬，定向性好、穿透能力強，滿足空化聲信號的超高頻段的測試要求，尤其是對初生空化的監測，其具有不可替代的優勢。由於水輪機空化信號頻率較寬，既有超聲頻段也有可聞頻段，且在可聞頻段的相當高頻部位，振動加速度傳感器非常適合監測空化的可聞頻段聲信號。
[0027]信號預處理層:由放大、保持、接線端子、傳輸、隔離模塊、模/數轉換、及相關外設組成。完成信號放大、採集、模/數轉換、初步處理及數據上傳等功能。
[0028]數據處理及分析層:由工業平板電腦及軟體組成。處理及存貯數據、分析空化狀態並生成各種圖表。
[0029]1、傳 感器選型:採用振動加速度進行水輪機空化在線監測，加速度計抗幹擾能力強，安裝方便，對高頻空化信號的頻率響應特性好；而為了對空化過程中輻射出的超聲波信號進行監測，可採用聲發射傳感器，該傳感器監測頻帶較寬，幾十kHz~幾百kHz，這個頻段很難由機械振動等低頻聲源產生，可以說是主要由空化產生的，避免了背景噪聲的幹擾。本項目選擇了振動加速度和聲發射兩類傳感器進行空化在線監測裝置。
[0030]在綜合考慮傳感器的頻率範圍以及可靠性的情況下，項目選用了美國物理聲學公司高品質進口傳感器，以保證拾取的空化聲信號的準確性，傳感器主要參數如下。
[0031]
【權利要求】
1.一種水輪機空化監測與分析系統，其特徵在於包括: 現地測量層:由振動加速度傳感器和聲發射傳感器組成； 信號預處理層:包括放大器、隔離器、空化數據採集器； 數據處理及分析層:包括計算機； 各層之間通過信號線連接。
2.按照權利要求1所述的水輪機空化監測與分析系統，其特徵在于振動加速度傳感器拾取4 一 20kHz空化信號；聲發射傳感器拾取20 - 200kHz空化信號。
【文檔編號】G01M99/00GK203629869SQ201320844845
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年12月19日
【發明者】潘羅平, 張建軍, 桂中華, 周葉, 寧淑賢, 牟巖波, 王一平 申請人:太平灣發電廠, 北京中水科水電科技開發有限公司