水電機組空蝕在線監測裝置開發與應用

蘇 立，繆旭光，毛 成，肖 永，文賢馗

(1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴陽 550002；2.國電貴州電力有限公司紅楓水力廠，貴陽 551400)

0 引 言

水電機組的空蝕對于機組會造成嚴重損壞，空蝕發生的嚴重程度是決定水電廠大修周期的重要因素?？瘴g磨損破壞使機組效率下降、出力減少、振動加劇，不僅威脅水電站的安全運行，也嚴重威脅電網的安全運行[1]。廖偉麗等人進行了軸流轉漿式水輪機輪緣間隙空蝕的試驗研究，研究觀察表明，軸流轉漿式水輪機輪緣間隙空蝕在不同工況下，在轉輪葉片輪緣不同的位置形成幾種不同空蝕形態，從而揭示了危害性最嚴重的空蝕形態[2]。張政等人對水輪機的空蝕及其危害進行研究，空蝕會破壞水輪機的過流部件，如葉片、轉輪等；空蝕增加了機組的檢修周期，使年有效發電時間減少，增加生產運行成本；由于空蝕會產生強烈的噪聲，造成運行人員精神疲勞，工作環境受到不良影響[3]。據統計，我國水電裝機總容量6 300 萬kW，大概有1/3以上的水電裝機容量(包括大、中、小水電站)的水輪機的過流部件都遭受過不同程度的空蝕磨損破壞，以至水輪機出力不足，壽命縮短，效率下降，運行可靠性差，我國每年因發電損失和部件檢修或更換費用高達幾十億元[1]。

早期對空蝕的研究主要局限于理論方面，近年來空蝕機理的理論研究進展逐漸趨緩。隨著科學實驗技術的進步，科學家開始設計不同的實驗裝備模擬實際工況或者直接在原型機上進行現場觀測和處理分析，采用原型實驗的方法研究空蝕。西安理工大學王濤、魏然等人利用超聲波法研制了水電機組空蝕在線監測系統，在八盤峽水電廠4號機組上進行了現場試驗，由于條件限制，該系統選用的是自行開發的水輪機磨損測試儀[4,5]；清華大學的盛鵬等人采用基于空蝕特征信號的空蝕狀態間接檢測技術研制了水輪機空蝕在線監測與診斷系統，該系統在福建省池潭水電站進行了現場試驗，目前的監測方法還不能絕對完全準確地反映機組的空蝕狀況[6]。為了更好的對水電機組空蝕進行監測，需要一些新的技術和方法。利用聲發射信號進行水電機組的空蝕監測，正是基于這一需求而發展起來的新技術。

本文利用聲發射信號對某水電廠機組進行空蝕在線監測，根據監測結果及時調整水電機組的運行方式，進而采取有效的措施來減少水電機組的空蝕發生。通過掌握機組空蝕的發展趨勢，指導機組檢修。

1 空蝕在線監測裝置開發

在工程上把靜止的或流動的液體，在一定溫度下降低壓力使其汽化的現象統稱空化。空化過程能在極短的時間內突然發生，使液體的連續性遭到破壞，在液體中形成明顯的充滿蒸汽或氣體的空泡。如果液體是流動的，空泡將隨著液體一起運動，空泡的尺寸將因液體內部壓力的變化漲大或縮小。當空泡移入高壓區時，泡內的水蒸氣將凝聚，氣體將被溶解，空泡即潰滅消失。同時產生極高的壓力并伴隨有高溫、放電、化學反應產生，使固體邊壁遭到剝蝕破壞，這種現象稱為空蝕[7]。

水輪機運行過程中發生的空化空蝕現象對水輪機的運行安全和運行效率產生極大的影響。首先，由于空化的產生和發展，使流動系統的特性發生變化。當空化發展到一定程度時，由于空泡體的排擠作用，使流道的有效面積減少、阻力增加，水輪機的運行效率下降。同時在空化的產生和壓縮、膨脹過程中，將產生高頻噪聲和壓力脈動。水輪機中的高頻噪聲將危及運行人員的身心健康，壓力脈動將引起機組的不穩定運行。其次，由于空泡潰滅時產生的壓力沖擊對固體邊壁的剝蝕破壞，即空蝕對水輪機葉片和殼體的破壞作用已成為水輪機損傷的主要原因，空蝕損傷程度已成為水輪機是否進行大修的關鍵參數。當空蝕到一定程度，設備就必須檢修或更換，如果不能及時處理，機組就會出現故障甚至發生事故，給企業造成巨大的損失。另外，因為直接關系到電力系統的運行，水輪機空蝕的潛在危害和影響會更為嚴重[8]。

1.1 空蝕在線監測原理

根據空蝕現象的產生機理可以推斷，空泡的瞬間形成和潰滅而產生的沖擊波作用于葉片和管壁，這種沖擊振動的信號必含有高頻的振動成分(聲發射信號)。實現對高頻信號的提取和分析，既能夠排除低頻信號的影響，又能夠準確診斷空蝕的嚴重程度，這是一種比較理想的監測方法。

聲發射又稱為應力波發射，是材料或零部件受外力作用產生變形、斷裂或內部應力超過屈服極限而進入不可逆的塑性變形階段，以瞬態彈性波形式釋放應變能的現象。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而自動發出瞬態彈性波的現象亦稱聲發射。聲發射彈性波能反映出材料或零部件的性質，因此采用檢測聲發射信號的方法，可以判斷材料或零部件的某種狀態。運用儀器檢測、記錄、分析聲發射信號，并利用聲發射信號對聲發射源的狀態做出正確判斷的技術叫聲發射檢測技術。

如何對聲發射信號進行分析和處理來獲取有用的聲發射源信息是聲發射檢測技術應用的關鍵問題。聲發射檢測技術是無損檢測中的一種新方法，與超聲檢測、振動檢測等方法相比，聲發射檢測技術具有以下優點：聲發射檢測的信號來自檢測對象本身，能夠對檢測對象實現實時監測；對于大型構件，不需要移動傳感器做繁雜的掃查操作，只需要布置好足夠數量的傳感器就可以實現對大型構件的聲發射監測；幾乎所有的材料都可以進行聲發射檢測，并且聲發射檢測不受檢測對象的尺寸、幾何形狀、工作環境等影響；可檢測的頻帶較寬，可以監測從幾千到1MHz頻率的信號。

空蝕在線監測裝置采用聲發射原理進行對機組空蝕噪聲的測量，其原因有以下幾點：

(1)聲發射傳感器具有較寬的頻帶，完全能滿足幾kHz～500 kHz空蝕噪聲信號的監測；

(2)聲發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放大器和采集裝置對完成原始空蝕噪聲信號的采集和處理，再采用數字通訊技術將采集處理后的信號傳輸到分析裝置，這樣就可以更進一步避免無效信號的干擾，提供采集系統的信噪比。

空蝕在線監測裝置的工作原理是在水輪機合適位置安裝聲發射傳感器，如圖1所示。聲發射傳感器輸出的電壓信號經過前置放大器，放大器的輸出信號由DMS100-P型智能空蝕噪聲信號檢測裝置在近距離條件下，高精度、低干擾條件下采集，并將噪聲信號進行識別和檢測，最后以數字通訊方式(RS-485或以太網)將采集及檢測識別后數據傳送到發電機層狀態監測下位機盤柜中的空蝕噪聲監測采集預處理單元作進一步的綜合分析監測和數據融合。如圖2所示。

圖1 傳感器安裝位置示意圖

圖2 空蝕在線監測裝置結構示意圖

1.2 空蝕在線監測參數

空蝕在線監測裝置使用美國物理聲學公司(PAC)R15a型聲發射傳感器。測點布置：4個，其中2個測點，安裝于導葉拐壁處，2個測點位于尾水門；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圖1。傳感器和前置器的連接線長應小于1 m。

由于來自聲發射傳感器的電壓輸出信號非常弱，因此，系統中需要配置一個放大器對信號進行放大處理后再進行傳輸。放大器的增益放大：40 dB；輸入方式：單端輸入；帶寬可調的濾波器；供電電壓：28 VDC。

傳感器輸出的噪聲信號即使經過放大器的放大后，同系統的其他類型信號相比也是弱小信號，在遠距離傳輸時容易受到干擾。為了采集到高精度、低干擾、有效的噪聲信號，就必須將放大器的輸出信號在盡可能近的距離下采集，為此空蝕在線監測裝置采用DMS100-P型智能空蝕噪聲信號檢測裝置進行噪聲信號的識別和檢測。

DMS100-P智能噪聲檢測裝置采用10M速度的高速智能采集模塊結合高信噪比調理模塊構造采集系統。主要利用10 kHz以上信號進行檢測。由于在這個頻段下，極低的背景噪聲，使得采用噪聲強度法以及脈沖計數法進行空蝕預報和檢測成為可能。

利用數字通訊方式將以上計算結果傳送到發電機層狀態監測系統下位機盤柜中的空蝕監測采集預處理單元，由監測采集預處理單元完成機組效率計算、空蝕噪聲信號的工況統計、脈沖計數信號的工況統計、關鍵頻率的跟蹤統計、報警、預警、顯示以及空化系數σ的計算等功能，并完成歸一化噪聲強度-σ、歸一化脈沖計數-σ之間的對比分析。而通過以上兩者的對比分析，可以較及早地發現機組空蝕劣化的趨勢。

1.3 空蝕在線監測裝置的功能

空蝕在線監測裝置可以實時高速采集噪聲信號，并進行數字濾波，去除10kHz以下的背景噪聲信號；利用濾波后的信號計算噪聲強度，并完成該噪聲強度在單位時間的能量積分，獲取歸一化噪聲強度；將濾波后的信號進行噪聲脈沖包絡進行單位時間的脈沖計數統計，獲取歸一化脈沖計數；提供包絡譜分析、細化譜分析等，并能采用包絡解調算法對脈沖包絡的時頻域分析。完成噪聲信號的相關濾波頻譜計算。

(1)實時采集、存儲、在線監測。可根據需要設定采樣周期(小時、天、周、月)，系統自動定時進行轉輪空化系數、轉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存數據。

(2)功能分析。①聲發射傳感器監測頻帶：30～500 kHz，這個頻段主要是由空化產生的，很難有機械振動等低頻聲源產生，所以此裝置能濾除背景噪聲，得到有效空化信號。②能利用關聯分析工具，得到空化強度隨尾水位、水頭、負荷等的關聯特性。水電機組的運行狀況對水輪機空化有直接的影響，所以將空化聲信號與水電機組運行狀況進行關聯，有利于提高信號分析的準確度。③能分析水電機組不同工況下的空化強度指標，為掌握機組性能和優化調度提供技術依據。

空蝕在線監測裝置監測和評價機組空蝕噪聲，設計了專門的分析工具，這些工具包括：空蝕噪聲信號脈沖次數分布圖；空蝕噪聲信號脈沖次數分布瀑布圖；空蝕噪聲信號強度分段頻譜圖；空蝕噪聲信號強度分段頻譜瀑布圖；空蝕噪聲信號強度發展趨勢圖。

2 空蝕在線監測裝置的應用

空蝕在線監測系統安裝并調試好后，在某水電廠對各項功能進行了測試，做了現場試驗。由所得的試驗數據繪制特性曲線如圖3。

從圖3的空蝕脈沖重復率可知，在空蝕產生的聲發射信號重復率比較低，它是隨機的。而從它的聲強烈度可知，此時空蝕是比較嚴重的。

3 結 語

綜上所述，水電機組空蝕主要指的就是水輪機空蝕，水輪機空蝕是影響水電機組效率的主要因素?？瘴g嚴重時，甚至會引起機組故障。水電機組空蝕的在線檢測裝置可以實現分析空化噪聲的發展變化情況及關鍵有效頻率定位；及時發現噪聲信號發展趨勢，實現早期預警；該裝置降低了空蝕的破壞作用，對水電機組空蝕及時進行診斷，指導機組檢修具有重要意義。實踐證明這一先進技術將為電廠的機組運行及檢修提供依據、并將促進電廠在線監測技術的科技進步。

圖3 空蝕脈沖重復率和聲強烈度

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[1] 段生孝. 我國水輪機空蝕磨損破壞狀況與對策[J]. 大電機技術, 2001,(6)：56-64.

[2] 廖偉麗,劉勝柱,張樂福. 軸流轉漿式水輪機輪緣間隙空蝕的試驗研究[J]. 水力發電學報, 2005,24,(4)：67-72.

[3] 張 政, 薛小兵. 水輪機的空蝕及其危害[C]∥ 抽水蓄能電站機組裝備試驗與制造, 2015：271-273.

[4] 王 濤,南海鵬,王德意,董開松. 水電機組空蝕在線監測系統的研究[J]. 大電機技術,2002,(6)：44-66.

[5] 魏 然,王德意. 水電機組汽蝕在線監測系統的研究[J]. 水電技術,2001,(2)：49-52.

[6] 盛 鵬,何永勇,褚福磊. 水輪機空蝕在線監測與診斷系統[J]. 水利水電技術,2002,33,(7)：17-65.

[7] 聶榮昇. 水輪機中的空化與空蝕[M]. 北京：水利電力出版社，1985.

[8] 黃繼湯. 空化與空蝕的原理及應用[M]. 北京：清華大學出版社，1991.

[9] 鄭 源,陳德新. 水輪機[M]. 北京：中國水利水電出版社，2011：64-65.

[10] 魏 然,王德意. 水電機組汽蝕在線檢測系統的研究[J]. 西北電力技術,2001,(2)：49-52.