CN111220702B - 一种水轮机空蚀监测及评价方法 - Google Patents

一种水轮机空蚀监测及评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了水力发电领域的一种水轮机空蚀监测及评价方法，包括以下步骤：S1：测点选择和传感器布置：在转轮叶片与转轮室之间、转轮叶片与转轮体之间、叶片出水边及尾水门处均安装有超声波传感器和振动加速度传感器；S2：信号调理采集：通过数据采集系统采集超声波传感器和振动加速度传感器监测的超声波信号和噪声信号，并上传至计算机；S3：空蚀强度分析：通过计算机对水轮机的空蚀强度进行定期分析；S4：空蚀强度评价：将步骤S3定期分析的报告进行水平评价，能够全面的反映水轮机中空蚀的发展状态，并能够反映水轮机空蚀的发展趋势和相对程度，为制定优化维护策略提供依据。

Description

一种水轮机空蚀监测及评价方法
技术领域
本发明涉及水力发电技术领域，具体为一种水轮机空蚀监测及评价方法。
背景技术
影响水轮机组运行状态的各种因素如机械、电气和水力因素具有复杂性和相关性，三种发明因素往往相互耦合，使得水轮机组的动力学和振动机理比较复杂，多数水电厂虽然已经安装发明了基于振动的状态监测和故障诊断系统，以实现对水轮机空蚀进行监测和诊断。
目前为了避免由于空蚀造成的电厂运行经济损失，对水轮机空蚀的监测方法可分为两类，其中一类包括能量法、闪频观测法、高速摄影法，但是都是作为模型试验研究的，而另一组包括空蚀噪声监测法、空蚀超声波监测法、尾水管压力脉冲监测法和空蚀系数监测。
对水轮机空蚀监测最常见的是采用噪声监测，对20Hz-20KHz之间可听闻噪声进行现场监测，但是目前主要有声压计，水听器，考虑到电厂的特殊工作环境，传感器附近的随机背景噪声(运行操作人员和维修人员的讲话、走动以及维修敲击的声音)，设备运转的声音，水电机组因叶片转动、尾水管涡带、撞击、机械摩擦和电磁振动等均会对声压计的产生较大的影响，使得对水轮机空蚀的监测十分困难，而在水听器测量法中，存在传感器安装更换不方便，对设备运行造成安全隐患等问题，从而会影响监测的实时性，
也有采用超声波监测方法的技术，对空蚀过程中辐射出的30KHz_500KHz高频声信号进行现场监测，但是相对于噪声监测也存在局限性，不能够全面的反映水轮机中空蚀的发展状态，而且空蚀强度随有功、水头和时间三种变化趋势而改变，目前对其空蚀的发展状评估基于一次监测，不能够反映水轮机空蚀的发展趋势和相对程度，为制定优化维护策略提供依据。
基于此，本发明设计了一种水轮机空蚀监测及评价方法，以解决上述提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水轮机空蚀监测及评价方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水轮机空蚀监测及评价方法，包括以下步骤：
S1：测点选择和传感器布置：在转轮叶片与转轮室之间、转轮叶片与转轮体之间、叶片出水边及尾水门处均安装有超声波传感器和振动加速度传感器；
S2：信号调理采集：通过数据采集系统采集超声波传感器和振动加速度传感器监测的超声波信号和噪声信号，并上传至计算机；
S3：空蚀强度分析：通过计算机对水轮机的空蚀强度进行定期分析；
S4：空蚀强度评价：将步骤S3定期分析的报告进行水平评价。
优选的，在所述步骤S1中，所述超声波传感器和振动加速度传感器均采用四个，且超声波传感器和振动加速度传感器成对安装。
优选的，成对的所述超声波传感器和振动加速度传感器的安装方式采用磁力座。
优选的，在所述步骤S2中，所述数据采集系统包括信号调理器和信号传输线，所述信号调理器包括带宽滤波器和低通滤波器，所述带宽滤波器和低通滤波器的输入端通过信号传输线分别与超声波传感器和振动加速度传感器相连接，所述带宽滤波器和低通滤波器的输出端通过信号传输线与计算机相连接。
优选的，所述信号调理器采用开关电容滤波器，所述信号传输线采用同轴线缆，所述带宽滤波器和低通滤波器的输入端和输出端均采用BNS接口。
优选的，所述空蚀强度的计算为采集的超声波信号和噪声信号进行5层小波包分解得到。
优选的，在所述步骤S4中，定期分析报告包括日分析报告、周分析报告、月分析报告和年分析报告。
优选的，在所述步骤S4中，对水轮机空蚀水平评价是以半年为周期，结合超声波信号和噪声信号分别检测的信号综合空蚀声波强度，并通过基于空蚀强度系数的金属重量损失计算法进行空蚀水平评价。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过采用超声波传感器和振动加速度传感器分别对空蚀过程中辐射出的频声信号进行同时监测，能够全面的反映水轮机中空蚀的发展状态；
2、本发明通过对监测的信号进行定期分析并作出报告，能够反映水轮机空蚀的发展趋势和相对程度，为制定优化维护策略提供依据。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：一种水轮机空蚀监测及评价方法，包括以下步骤：
S1：测点选择和传感器布置：在转轮叶片与转轮室之间、转轮叶片与转轮体之间、叶片出水边及尾水门处均安装有超声波传感器和振动加速度传感器，超声波传感器和振动加速度传感器均采用四个，超声波传感器用于监测空蚀过程中辐射出的30KHz-500KHz高频声信号，振动加速度传感器用于监测20Hz-20KHz频率范围内的可听闻噪声信号，通过采用振动加速度传感器进行水轮机空蚀在线监测，相对于声压计，水听器，具有抗干扰能力强，安装方便，对高频空蚀信号的频率响应特性好等优点，且超声波传感器和振动加速度传感器成对安装，用于拓展监测频带，且安装方式采用磁力座；
S2：信号调理采集：通过数据采集系统采集超声波传感器和振动加速度传感器监测的超声波信号和噪声信号，并上传至计算机；
数据采集系统包括信号调理器和信号传输线，所述信号调理器包括带宽滤波器和低通滤波器，所述带宽滤波器和低通滤波器的输入端通过信号传输线分别与超声波传感器和振动加速度传感器相连接，所述带宽滤波器和低通滤波器的输出端通过信号传输线与计算机相连接；
其中，信号调理器采用开关电容滤波器，核心芯片为MAXIM公司，所述信号传输线采用同轴线缆，所述带宽滤波器和低通滤波器的输入端和输出端均采用BNS接口；
S3：空蚀强度分析：通过计算机对水轮机的空蚀强度进行定期分析，空蚀强度的计算为采集的超声波信号和噪声信号进行5层小波包分解得到；
S4：空蚀强度评价：将步骤S3定期分析的报告进行水平评价。
设第n次采集空蚀信号强度为In(i，j)，对应机组工况为(Ni，Hj)，不同与第n-1次信号采集对应工况，直至第n+k次信号采集，机组工况发生变化，则工况(Ni，Hj)下空蚀信号强度可表示为：
Figure GDA0003943556700000041
其中，定期分析报告包括日分析报告、周分析报告、月分析报告和年分析报告。周分析和月分析是在日分析的基础上实现的，年分析是每月内相同工况下空蚀强度随时间变化趋势分析。各分析报告中，工况(Ni，Hj)下的空蚀信号强度可表示为：
Figure GDA0003943556700000042
Figure GDA0003943556700000043
Figure GDA0003943556700000044
其中，Id(i，j)为日分析空蚀强度，D为当天该工况下信号采集次数，Iw(i，j)为周分析空蚀强度，W为本周内存在工况(Ni，Hj)的天数，Im(i，j)为月分析空蚀强度，M为本月内存在工况(Ni，Hj)的天数。
对水轮机空蚀水平评价是以半年为周期，结合超声波信号和噪声信号分别检测的信号综合空蚀声波强度。通过下式表示：
Icl＝λ1IintgU+λ2IintgN；
Figure GDA0003943556700000051
Figure GDA0003943556700000052
其中，Icl为计算半年内综合空蚀声波强度，Iintg为计算半年内所有工况下空蚀强度统计值，Iy(i，j)为半年内各工况下空蚀强度统计值，H为半年内存在工况下(Ni，Hj)的月数，Y为半年内出现的划分工况网格的数量，IintgU和IintgN是表示水轮机综合空蚀超声波强度和空蚀噪声强度，根据不同频率的信号传播中衰减不同，设置了加权系数λ1和λ2，由于信号频率越高，传输过程中衰减越严重，其中λ1≥λ2。
并通过基于空蚀强度系数的金属重量损失计算法进行空蚀水平评价。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种水轮机空蚀监测及评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：测点选择和传感器布置：在转轮叶片与转轮室之间、转轮叶片与转轮体之间、叶片出水边及尾水门处均安装有超声波传感器和振动加速度传感器；
S2：信号调理采集：通过数据采集系统采集超声波传感器和振动加速度传感器监测的超声波信号和噪声信号，并上传至计算机；
S3：空蚀强度分析：通过计算机对水轮机的空蚀强度进行定期分析；空蚀强度的计算为采集的超声波信号和噪声信号进行5层小波包分解得到；
S4：空蚀强度评价：将步骤S3定期分析的报告进行水平评价，包括：
设第n次采集空蚀信号强度为In(i，j)，对应机组工况为(Ni，Hj)，不同与第n-1次信号采集对应工况，直至第n+k次信号采集，机组工况发生变化，则工况(Ni，Hj)下空蚀信号强度表示为：
Figure FDA0003943556690000011
其中，定期分析报告包括日分析报告、周分析报告、月分析报告和年分析报告；周分析和月分析是在日分析的基础上实现的，年分析是每月内相同工况下空蚀强度随时间变化趋势分析；各分析报告中，工况(Ni，Hj)下的空蚀信号强度表示为：
Figure FDA0003943556690000012
Figure FDA0003943556690000013
Figure FDA0003943556690000014
其中，Id(i，j)为日分析空蚀强度，D为当天该工况下信号采集次数，Iw(i，j)为周分析空蚀强度，W为本周内存在工况(Ni，Hj)的天数，Im(i，j)为月分析空蚀强度，M为本月内存在工况(Ni，Hj)的天数；
对水轮机空蚀水平评价是以半年为周期，结合超声波信号和噪声信号分别检测的信号综合空蚀声波强度，通过下式表示：
Icl＝λ1IintgU+λ2IintgN；
Figure FDA0003943556690000021
Figure FDA0003943556690000022
其中，Icl为计算半年内综合空蚀声波强度，Iintg为计算半年内所有工况下空蚀强度统计值，Iy(i，j)为半年内各工况下空蚀强度统计值，H为半年内存在工况下(Ni，Hj)的月数，Y为半年内出现的划分工况网格的数量，IintgU和IintgN是表示水轮机综合空蚀超声波强度和空蚀噪声强度，根据不同频率的信号传播中衰减不同，设置加权系数λ1和λ2，信号频率越高，传输过程中衰减越严重，其中λ1≥λ2；
通过基于空蚀强度系数的金属重量损失计算法进行空蚀水平评价。
2.根据权利要求1所述的一种水轮机空蚀监测及评价方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述超声波传感器和振动加速度传感器均采用四个，且超声波传感器和振动加速度传感器成对安装。
3.根据权利要求2所述的一种水轮机空蚀监测及评价方法，其特征在于：成对的所述超声波传感器和振动加速度传感器的安装方式采用磁力座。
4.根据权利要求1所述的一种水轮机空蚀监测及评价方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述数据采集系统包括信号调理器和信号传输线，所述信号调理器包括带宽滤波器和低通滤波器，所述带宽滤波器和低通滤波器的输入端通过信号传输线分别与超声波传感器和振动加速度传感器相连接，所述带宽滤波器和低通滤波器的输出端通过信号传输线与计算机相连接。
5.根据权利要求4所述的一种水轮机空蚀监测及评价方法，其特征在于：所述信号调理器采用开关电容滤波器，所述信号传输线采用同轴线缆，所述带宽滤波器和低通滤波器的输入端和输出端均采用BNS接口。
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