水輪機壓力脈動監測系統在某水電站的應用

肖東來 竇學剛 石培 楊武

【摘要】尾水管壓力脈動是影響水輪機運行工況的重要因素之一。在水輪機運行過程中，利用各種動態測試儀器監測、記錄并分析水輪機尾水管的壓力脈動信號，指導機組實際運行，實現水輪機運行穩定性的控制。

【關鍵詞】水輪機；壓力脈動監測系統；穩定運行

引言

尾水管壓力脈動是導致水電機組振動的主要原因之一，特別是混流式機組，因在非最優工況運行時存在周向速度分量，在尾水管中不可避免出現低頻渦帶脈動，脈動傳至各過流部件引起機組振動，壓力脈動過大還會引起水輪機和廠房結構共振、葉片裂紋和斷裂、機組運行不穩定和軸承損壞等一系列嚴重后果，因此必須予以重視。

一、水輪機壓力脈動監測系統組成及測點分布

1 壓力脈動監測系統的組成

某水電站采用北京華科同安TN8000機組壓力脈動監測系統。系統由壓力變送器、壓力脈動采集模塊、智能數據采集箱和分析軟件組成，該系統可以通過以態網絡與電廠狀態監測和故障診斷系統實現集成。

壓力脈動信號通過壓力傳感器轉換成電信號后通過兩芯屏蔽電纜連接到TN8000系統的壓力脈動輸入接線端，再通過專用的9芯電纜傳送到壓力脈動采集模塊。壓力脈動采集模塊負責采集壓力脈動信號，采集方式采用同起點整周期采樣，在任意轉速下系統的采樣頻率均為工頻的256倍頻，最高分析頻率可達128倍轉頻，可保證低頻渦帶頻率的準確采集。由壓力脈動采集模塊轉換的數字信號通過總線傳送到系統板，然后進行大量的在線信號處理和加工，得到反映機組運行狀態的各種特征參數和部分原始數據。壓力脈動監測系統的測點分布

根據國標GB/T 17189-1997《水力機械振動和脈動現場測試規程》規定，壓力脈動應在下述部位進行測量：⑴機組高壓側：如鋼管末端（蝸殼進口）、蝸殼內的其它地方，以及在需要和可能時，在鋼管的某個斷面；⑵尾水管錐段：如需要，也可在擴散段或其它部位；⑶與轉輪上冠相對的頂蓋內表面、轉輪與導葉之間的空間等。壓力脈動傳感器應安裝在：⑴機組高壓側流道相應位置；⑵尾水管錐段距進口為L的-Y方向（對混流式水輪機，L可取0.4～0.5 D5，D5為尾水管錐管進口直徑），對于彎型尾水管，測點可設在彎段的小半徑側。另外，壓力脈動在線監測系統測點選取的主要原則就是該位置對穩定性傳遞最直接、影響最大的點，而不一定是壓力脈動值最大的點。

2 機組壓力脈動監測系統常用分析方法

目前，壓力脈動最常用的數據處理方法有時域分析和頻域分析。

時域分析是把電信號作為時間的函數來分析的方法，利用示波器可以給出信號的峰值電壓、上升時間和周期等專門信息，此時主要反映電信號的幅度隨時間變化的情況。因此運用時域分析方法可以得到壓力脈動信號的平均值（即壓力）、峰峰值（波峰與波谷的距離）、單峰值（最大點到平衡位置之間的距離）等參數，通過這些參數可以放映機組壓力脈動的大小。

頻域分析方法是以頻率為變量來分析電信號的幅度-頻率特性。通常利用頻譜分析儀來觀察信號的頻譜，如：A（t）信號是由一個基波a（t）與一個二次諧波b（t）組成的，再利用濾波法求得它們的幅度值a與b，并顯示在頻率座標上得到頻譜A（f），以此給出有關頻率、諧波、失真、頻率穩定度、頻譜純度，寄生信號等專門信息。因此運用頻域分析可以完成時域分析所不能完成的頻諧純度、頻譜密度等特性分析，可以得到壓力脈動的頻率成分，明確了哪些頻率成分對壓力脈動有主要影響，有利于分析造成壓力脈動的原因。通過結合機組的運行工況（主要是有功功率和水頭），還可以通過趨勢分析和瀑布圖（見圖1）分析機組在各工況下的壓力脈動變化，從而指導機組避開壓力脈動過大運行區。

除可利用基于負荷的瀑布圖分析外，某電站壓力脈動監測系統還可利用基于時間的瀑布圖，分析機組在某一時間段內相同工況下壓力脈動各頻率成分隨時間的變化規律，有助于掌握機組在穩定運行工況下的任何異常變化和發生事故時分析機組異常原因；利用級聯圖顯示機組在開停機過程中壓力脈動各種頻率成分的大小的隨轉速的變化趨勢，分析機組振因是否與轉速相關，以判定是否存在模態振動；利用連續波形分析機組在過渡過程中或機組出現異常前后各參數的變化過程，有助于了解機組過渡過程特性。

二、某水電站機組壓力脈動監測系統存在的問題

自2012年12月30日某電站投產以來，累計填報、記錄壓力脈動監測系統相關缺陷共計12次，7次因壓力傳感器或其附屬通道損壞導致反饋壓力脈動大報警、測點顯示為灰色或大幅跳變等故障，3次因采集模塊故障造成通訊中斷報警故障，2次因投產初期定值設置不合理而導致報警，經過故障的后期缺陷治理與，某水電站機組壓力脈動監測系統整體運行穩定，各部位壓力脈動狀況良好無異常報警情況。

結語：

壓力脈動監測系統是運行值班人員判斷分析并網機組運行可靠性最有力的分析工具，是全面掌握機組水力特性保障機組安全、穩定、經濟運行的重要手段。正確運用瀑布圖、級聯圖、連續波形圖等多種分析工具，既可以實時監測機組各部件運行狀況，時刻確保機組狀態良好，還可以通過對比歷史數據檢驗機組的安裝質量，評價機組檢修效果，最終通過調整使機組在最優狀況下運行。

參 考 文 獻：

[1] 付元初 熊海華，水輪發電機組振動、擺度、壓力脈動在線監測測點配置，水電站機電技術 2009 No.04

[2] 張冬生等，從“薩揚事故”探究水電機組實施狀態在線監測系統的重要意義，電子世界，2012 No.23