CN112729836B - 一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统及其方法，它属于水轮机空蚀初生领域。本发明系统包括现地测量层、信号预处理层、数据处理及分析层，运用数据融合技术和声发射检测技术，提取空化特征值，再融合机组顶盖振动、水压脉动、水头、下游水位、大轴补气量及其它工况数据等重要辅助变量，建立循环改进型的空蚀初生判别模型，实现水轮机空化状态识别以及空蚀工况预测，减少因水轮机组长期处于空化空蚀工况导致转轮叶片受损而被迫转检修的情况，提高了水轮机组的健康运行水平和服务年限。

Description

一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种判别系统，尤其是涉及一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统，它属于水轮机空蚀初生领域。

背景技术

近年来，随着大型水利枢纽工程的兴建以及大中型水电站的相继建成投产，水电在整个电网中的占比越来越大，水轮机运行的安全性、稳定性、经济性问题日显突出。

对于水轮机而言，空化空蚀一直是行业内棘手且普遍存在的问题，其对水轮机的安全运行和效率产生了极坏影响。一是由于空蚀，许多大中型水轮机的大修被迫由5-10年改为2-3年，检修费用较高，给电站带来了巨大的经济损失。二是对水轮机过流部件的损伤已影响机组的安全稳定运行：洪水季节水流中携带大量污物泥沙，由于惯性力和离心力的作用污物泥沙将沿水轮机过流部件固壁运动，固壁将受磨损；结合清水固有的空蚀，在水轮机过流表面形成了所谓的空蚀与磨蚀的联合作用，加剧过流部件的损伤，机组效率下降、负荷波动和强烈振动，严重威胁到机组安全运行。由于库水位及导叶开度变化，使水轮发电机组吸出高度相应发生变化，加之污物泥沙的作用，机组在空磨蚀工况下运行经常发生。

由于空化空蚀问题涉及多个学科，复杂度高，一直是人们研究的热点和难点。目前市场上仅有实验室以及实际监测水轮机空化的研究，尚无实际应用的在线监测设备，不能对空化空蚀的发生进行实时监测，只能在检修期将转轮等过流部件吊出，才能发现是否发生空蚀，以及空蚀产生的部位。

数台水电机组检修时，发现距离上次检修期不久的数处过流部件再次出现较为严重的空蚀现象，若今后在运行中不能及时发现并立即采取调整措施加以防治，将严重影响机组安全稳定运行。

对于水轮机，空化过程可描述为液态水在压力下降时发生空化初生，压力继续下降后气泡发育，若此时压力转而升高，气泡溃灭；而空蚀是指由于液体流速增加、压力下降时形成的空穴在溃灭时对过流表面造成的损坏。空蚀与空化往往具有密切的联系：空化区往往出现在流道表面发生突变及压力最低的地方，而空蚀是空化的直接后果，空蚀区将出现在空化区的下游处，且只发生在固体边界上。

公开日为2015年05月27日，公开号为CN104655730A的中国专利中，公开了一种名称为“一种水轮机气蚀状态监测系统”的发明专利。该专利包括接收天线、控制器、A/D转换模块、采集模块、数据分析模块、比较模块和显示模块、存储器、FLASH和传感器，接收天线、控制器、A/D转换模块、采集模块、数据分析模块、比较模块和显示模块依次相连；存储器、FLASH和传感器依次相连。虽然该专利提供一种安全性能好、效率高且运行稳定的一种水轮机气蚀状态监测系统，但是不能适用现有的需求，且没有本申请效果好，故其还是存在缺陷。

因此，提供一种提高设备的安全可靠性，在水电机组中实用性和通用性极强的水轮机空蚀初生状态判别系统及其方法，显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种系统设计合理，充分运用数据融合技术和声发射检测技术，通过研究水轮机空化空蚀主要变量与辅助变量的关系，搭建循环改进型的空蚀初生判别模型，实现水轮机空化状态识别以及空蚀工况预测，减少设备故障和检修时间，提高设备的安全可靠性，在水电机组中实用性和通用性极强的循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统及其方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统，该系统用于水电机组，包括采集装置，其特征在于：还包括现地测量层、信号预处理层、数据处理及分析层，其特征在于：所述现地测量层包括声发射传感器、顶盖振动速度传感器、上下游水位传感器、水压脉动传感器和大轴补气风速仪，声发射传感器安装在易发生空化且测量效果好的水电机组蜗壳、尾水管检修门上、下管壁处进行采集；大轴补气风速仪安装在机组大轴补气管上，检测信号送至机组计算机监控系统并在其PLC中计算得到大轴补气量，并与机组计算机监控系统的其它工况数据一并通过通讯方式送至空化分析专用计算机；信号预处理层包括前置放大器、空化数据采集器；数据处理及分析层包括空化分析专用计算机，声发射信号分别经过前置放大器、空化数据采集器来进行信号采集、滤波处理，通过采集装置的网口TCP/IP协议接入空化分析专用计算机。

作为优选，本发明所述采集装置将声发射空化信号波形、有效值、峭度数据传输到空化分析专用计算机软件中进行统计分析。

作为优选，本发明所述声发射传感器的技术参数为：工作频率50-300kHz，中心频率150kHz(dB ref V/μbar)；高信噪比、防震、防潮、抗油污型。

作为优选，本发明所述前置放大器的技术参数为：放大倍数40dB(100倍)。

作为优选，本发明所述空化数据采集器技术参数为：输入通道：4路，输入信号：±10V，采用速率：每通道2000000个采样/秒，通讯端口：RS-485；为采集到高精度、低干扰、有效的噪声信号。

本发明还提供一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别方法，其特征在于：包括完成空化发生、空蚀初生状态判别、金属累计损失重量三个模型的创建工作，以空化发生模型为基础，金属累计损失重量模型为验证，不断修正、完善空蚀初生状态判别模型，具体步骤如下：

首先，空化发生的数学模型创建步骤如下：

1)在计算机内部分析软件里，设定采样率为1M，带通滤波20～300kHz，对原始的声发射信号进行消噪处理，将背景噪声和规律性声发射信号进行分离、去除。根据声发射信号参数的定义，进行如下特征信号提取工作：根据实际空化测试信号情况设置一个合适的门槛值，本发明为35dB，超过门槛值的点即为声发射事件发生时间，如果连续有N个点低于门槛值则确定为一个声发射事件结束，其中几个连续超过门槛值的点即构成一次振铃，声发射事件中最大值的点的数值即为峰值；将构成声发射事件的点的幅度平方，进行包络检波，求出检波后的包络线所围的面积，此包络面积即为本次声发射事件的能量的量度，从能量的大小即可判别出声发射瞬态信号的强弱。

2)根据以上方法，可计算比较重要的特征参数有声发射事件计数、振铃计数、发生时间、上升时间、幅度、峰值、保持时间、能量等。其中，采用“脉冲重复率”和“声强烈度”两种特征指标作为空化发生的主要数学模型，通过现场试验、分析并创建空化特征判定值算法：脉冲重复率为单位时间内时间轴上声发射脉冲信号重复出现的概率，可将空化从碰磨、裂纹两种故障中区分出来，对同一稳定工况下的声发射信号的时域波形进行分析，对噪声脉冲包络进行单位时间的脉冲计数统计获取归一化脉冲计数，进而计算出脉冲重复率K(i)：如果K(i)>0.65，则声发射信号属于周期性强的碰磨和裂纹信号；否则就是随机性强的空化空蚀声发射信号。声强烈度则从能量观点直接反映物体的声发射强度，完成该噪声强度在单位时间的能量积分，获取归一化噪声强度，进而计算出声强烈度。此外，完成噪声信号的相关滤波频谱计算，并形成直观的实时波形、频谱分析、时频分析图，便于分析比对。

其次，本发明的空化发生的预警提示信号，以及空蚀初生状态判别模型创建步骤如下：

1)利用机组状态在线监测系统连续采集水轮机进出口的压力脉动信号Pr、上游水位H₁、下游水位H₂、功率P及空化信号Ca。

2)计算水轮机的工作水头H、空化系数和引水管水力损失:

a)计算水轮机的工作水头H＝H₁-H₂-引水管水力损失-尾水管水力压损；

b)计算水轮机的装置空化系数σz；

式中：B—大气压，近似为10.3米；

H—水轮机工作水头；

Hs—水轮机吸出高度Hs＝H₂-水轮机安装高程；

Hv—当地水的汽化压力。

c)通过测试、计算得到临界空化信号Ca_临界。

在设计装置空化系数σz、允许压力脉动Pr_max、额定功率及额定水头下测试、计算得的。

d)警示空化发生、空蚀初生现象。

水轮机的装置空化系数、流体压力脉动、流体机械的功率、工作水头、单位时间内大轴补气量Qv，决定了空化冲击振动信号Ca大小，即Ca＝Ca(σz，Pr，P，H，Qv)，本发明内部程序采用Pr、P、H、Qv作为空化发生的预警提示闭锁条件，若程序判断Pr、P、H、Qv的定值或单位时间内变化量达到定值范围内时，若此时实测空化信号Ca，即声强烈度大于设定值时，则允许发出空化发生的预警提示，则允许发出空化发生的预警提示，且方可允许进行如下判断：

当Ca>Ca_临界且顶盖振动单位时间内突变增量超过规定值时，流体机械中将预示出较重的空化现象，此时本发明即刻发出空蚀初生的预警提示，建议改变流体机械的运行工况，直至预警消失。

最后，本发明基于实测空化信号与临界空化信号的比较，建立空蚀工况导致金属累计损失重量的模型，并通过累计补气量的大小，对空蚀初生状态判别模型进行侧面验证及完善，其模型创建步骤如下：

1)将实测空化信号Ca与临界空化信号Ca_临界比较，若Ca＜Ca_临界，则继续采集数据；若Ca＞Ca_临界，则计算水轮机叶片背面的金属失重量，建立空蚀工况导致金属累计损失重量模型；

2)将金属失重量与设定值(每次水轮机检修消耗的金属焊条重量)进行比较，若金属失重量超过设定值，即刻发出空蚀严重的预警提示，建议及时开展水轮机检修。并在每次水轮机检修时统计好消耗的金属焊条量，以及累计补气量的大小，用以比对、验证、完善空化发生、空蚀初生状态判别、金属累计损失重量三个模型。

模型创建后，开展系统静态、动态调试，通过记录水轮机不同运行工况的声发射信号，如起停机过程、甩负荷过程、水头高度及尾水水位变化对空化现象产生的影响和规律进行分析，尤其在尾水水位变化较大时，空化系数随之改变，此时开展测试验证，校核空蚀模型参数，通过测试、验证出如下规律：

(a)工作水头对空化空蚀的影响：水轮机翼型空化空蚀随水头的增加而变得严重。而对于空腔空蚀，在最优工况下运行，空腔空蚀较小，运行水头较低和较高时，空腔空化空蚀发生概率变大；

(b)功率对空化空蚀的影响：水轮机翼型空化空蚀随功率的增加而变得严重。而水轮机在低负荷或高负荷下运行时，空腔空化空蚀发生概率变大且较为严重；

(c)吸出高度对空化空蚀的影响：下游水位降低时，运行吸出高度增加，此时易形成翼型空蚀和空腔空蚀。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

(1)本发明通过安装高信噪比、防震、防潮、抗油污型声发射传感器，开发适合于水电厂现场的空化声发射检测系统，通过多形式的空化实时功能图，以及逐步预示空化发生、空蚀初生状态有助于水电厂技术人员实时掌握水轮机空化空蚀状态，及时做出运行相关调整，防止机组长期处于空化空蚀的非健康工况，提高主设备运行可靠性；

(2)本发明通过创建金属累计损失重量模型，若金属失重量越限将发出空蚀严重的预警提示，指导水电厂技术人员及时开展水轮机的检修工作，避免事故扩大化；

(3)本发明通过研究水轮机空化空蚀相关的主要变量与辅助变量的关系，结合软硬件完成空化发生、空蚀初生状态判别、金属累计损失重量三个模型的创建工作，并通过数次检修期的反复验证，形成循环改进型的空蚀初生判别模型，为业内技术人员提供了一种有效参考。

(4)本发明充分运用数据融合技术和声发射检测技术，通过研究水轮机空化空蚀主要变量与辅助变量的关系，搭建循环改进型的空蚀初生判别模型，实现水轮机空化状态识别以及空蚀工况预测，减少设备故障和检修时间，提高设备的安全可靠性。

其运用前景十分广阔，在水电机组中实用性和通用性极强，可直接被其它水电机组借鉴应用，产生的经济效益也非常可观。

附图说明

图1是本发明的水轮机空蚀初生状态判别系统现场设备连接示意图。

图2是本发明-实施例的空化声发射时域波形图。

图3是本发明-实施例的空化声发射频谱图。

图4是本发明-具体实施例的空化发生、空蚀初生状态判别、金属累计损失重量三个模型程序功能流程图。

图5是图4中A处左侧的局部放大示意图。

图6是图4中A处右侧的局部放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例

参见图1至图6，本实施例循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统现场设备连接，如图1所示，主要包含以下设备及系统：

(1)现地测量层：由声发射传感器、顶盖振动速度传感器、上下游水位传感器、水压脉动传感器及大轴补气风速仪等组成。其中：采用的声发射传感器安装在易发生空化且测量效果较好的水电机组蜗壳、尾水管检修门上、下管壁处进行采集；机组顶盖振动信号、流体机械进出口的压力脉动信号Pr、上游水位H₁和下游水位H₂(用以获得水头数据)等测量信号采用状态在线监测系统进行采集，通过通讯方式送至空化分析专用计算机；大轴补气风速仪安装在机组大轴补气管上，检测信号送至机组计算机监控系统并在其PLC中计算得到大轴瞬时补气量和累计补气量，并与机组计算机监控系统的其它工况数据，如流体机械的功率P、导叶开度Y，机组转速n，一并通过通讯方式送至空化分析专用计算机。

(2)信号预处理层：包括前置放大器、空化数据采集器。其中：为采集到高精度、低干扰、有效的噪声信号，将前置放大器选择安装在尽可能近的距离下进行效果测试，选择5米范围内、经测试效果良好的安装位置进行安装。将声发射信号分别经过前置放大器、空化数据采集器来进行信号采集、滤波处理，通过采集装置的网口TCP/IP协议接入空化分析专用计算机。

(3)数据处理及分析层：包括空化分析专用计算机。采集装置将声发射空化信号波形、有效值、峭度等数据传输到空化分析专用计算机软件中进行统计分析，提取空化特征值，此时通过计算机通讯方式获取到机组顶盖振动、水压脉动、水头、大轴补气量及其它工况数据等重要辅助变量，创建模型探测出空化的发生，综合进行空蚀初生状态的判别。

数据处理及分析主要分为两个阶段的工作。第一阶段：通过TCP/IP协议连接对信号进行采集及分析。通过各种试验、分析并创建判定值算法。在分析阶段，采集卡需要将波形等采集数据传输到空化分析计算机专用软件进行分析，数据量是非常大的，只能使用2通道采集卡的网口TCP/IP协议进行传输。第二阶段：通过空化分析计算机专用软件分析创建完成判定值算法后，将采集并经数据处理的各机组空化强度信号(由空化信号Ca通过标度转换得到：数值0-100，数值越大代表空化声发射信号的声强烈度越大，即空化情况越严重)，以及判别出的空化发生、空蚀初生、空蚀严重的预警提示信号通过串口MODBUS协议传输至计算机监控系统的控制中心，供运行人员监视。

从图2的空化声发射信号时域波形图、图3的频谱图以及现场采集到的碰磨和裂纹的相关图形(略)中可看出，水轮机在运行过程中，由于空化和空蚀的影响，会产生声发射信号，并且声发射信号在时轴上的发生位置以及声发射信号幅值大小为随机的，相较于碰磨和裂纹而言，基本无规律可循，因此可通过建模区分出来；而从声发射信号的频谱图中可知，空化空蚀发生时，将产生160kHz左右的频率成分，而碰磨和裂纹大多数情况小于100kHz，裂纹有少部分能达到150kHz。

据此开展空化发生、空蚀初生状态判别、金属累计损失重量三个模型的创建工作，具体程序功能流程，如图4所示：

首先，创建空化发生的数学模型：

在空化分析专用计算机软件里，设定采样率为1M，带通滤波20—300kHz，对原始的声发射信号进行消噪处理，将背景噪声和规律性声发射信号进行分离、去除。根据声发射信号参数的定义，采用“脉冲重复率”和“声强烈度”两种特征指标作为空化发生的主要数学模型：脉冲重复率为单位时间内时间轴上声发射脉冲信号重复出现的概率，可将空化从碰磨、裂纹两种故障中区分出来，对同一稳定工况下的声发射信号的时域波形进行分析，对噪声脉冲包络进行单位时间的脉冲计数统计获取归一化脉冲计数，进而计算出脉冲重复率K(i)：

具体算法如下：

把每周期内声发射信号根据相位分成36段，计算每段信号内脉冲超过门槛电压值的次

数N_i，如果此次数N_i大于某一设定值N₀，则认为这一段信号内发生了声发射脉冲事件，记为E(i)＝1，否则E(i)＝0；最后在一段时间(M个周期)内，定义脉冲重复率K(i)为：

其中j表示第j个周期，i表示一个周期内第i个段，i＝1，2，...，36

如果K(i)>0.65，则认为声发射信号属于周期性强的碰磨和裂纹信号；K(i)≤0.65，则属于随机性强的空化空蚀声发射信号，只有K(i)≤0.65时，才开始计算声强烈度，常用均方根电压或均方电压来作为声发射信号声强烈度的能量测量，可直接与材料的重要物理参数如声发射事件的机械能、应变率或形变机制等直接联系起来，而无需建立声强烈度的模型。本发明采用均方根电压的方式完成该噪声强度在单位时间的能量积分，获取归一化噪声强度，进而计算出声强烈度，作为实测空化信号Ca。

其次，生成空化发生的预警提示信号，创建空蚀初生状态判别模型：

1)通过在设计装置空化系数σz、允许压力脉动Pr_max、额定功率及额定水头下，测试、计算得到临界空化信号Ca_临界。

2)利用机组状态在线监测系统连续采集水轮机进出口流体压力脉动Pr、流体机械的功率P、工作水头H、下游水位H₂、空化信号Ca、机组转速n及计算机监控系统采集、计算得到的单位时间内大轴补气量Qv，一并通过通讯方式送至空化分析专用计算机。

当机组转速n大于5％时(屏蔽机组未运行状态)，将Pr、P、H、Qv、H₂作为空化发生的预警提示闭锁条件，若程序判断条件：a、Pr大于设定值A₁(或单位时间内变化量大于设定值a₁)，b、P小于功率低限B₁或P大于功率高限B₂(或单位时间内变化量大于设定值b₁)，c、H小于水头低限C₁或H大于水头高限C₂(或单位时间内变化量大于设定值c₁)，d、Qv大于设定值D₁(或单位时间内变化量大于设定值d₁)，e、下游水位H₂小于低限值E₁，这五个条件中，有四个条件同时满足时，若此时实测空化信号Ca，即声强烈度大于设定值F₁时，则允许发出空化发生的预警提示，且方可允许进行如下判断：

当Ca>Ca_临界且顶盖振动X、Y、Z三个方向数值之中有一个数值在单位时间内突变增量均超过设定值G₁时，预示出流体机械中发生了较重的空化空蚀现象，此时本发明即刻发出空蚀初生的预警提示，建议改变流体机械的运行工况，直至预警消失。

最后，创建金属累计损失重量数学模型，生成空蚀严重的预警提示信号：

1)将实测空化信号Ca与临界空化信号Ca_临界比较，若Ca＜Ca_临界，则继续采集数据；若Ca＞Ca_临界，则计算水轮机叶片背面的金属失重量，建立空蚀工况导致金属累计损失重量模型，具体算法如下：

根据国际电工委员会及我国国标规定，考核水轮机的空蚀特性按运行8000小时水轮机金属剥蚀量为基础。因此，机组运行8000小时(不常运行的调峰机组为3000小时)，叶片背面金属失重量M为：

M＝k₁d² (1)

d：转轮喉径(米)；

k₁：空化强度系数，与机组实际的空化系数k呈正比例关系；

在计算实时的金属损失量时，将软件处理周期设置为1s，每秒叶片背面金属失重量为：

IEC(国际电工委员会)标准规定了空化保证范围：0.47＜k₁＜1.9，无空化发生时k₁＝0.0025。在置信度为95％时：无空化发生时，空化系数k取0.0029；k₁取下限时，k＝0.055；k₁取上限时，k＝0.21。

由实测空化信号Ca的量程(传感器量程标度转换得到)与空化系数k的量程(0～0.21)通过标度转换，将Ca转换得到实时k值。

此时，通过以下方法将k值转换为k₁值：

1)当k＜0.055时，令k₁＝0，认为此时未发生空蚀导致叶片金属脱落的情况；

2)当0.055＜k＜0.21时，由空化系数k(0.055～0.21)与空化保证范围下的空化强度系数k₁的量程(0.47—1.9)通过标度转换，将实时k值转换得到实时k₁值；

3)根据GB/T 15469.1-2008《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机空蚀评定第1部分：反击式水轮机的空蚀评定》规定：金属损失量不大于100kg，空化系数k不大于0.78。故当0.21＜k＜0.78时，k₁在[1.9，100/d²]区间范围内变化，此时k₁值的计算公式如下：

综上所述，在软件中通过采集实测空化信号Ca，并将k值转换为实时的空化强度系数k₁值后，然后根据公式(2)计算得到每秒实时的叶片背面金属失重量，最后计算出累计叶片背面金属失重量，即金属累计损失重量。

2)将金属累计损失重量与设定值(每次水轮机检修消耗的金属焊条重量)进行比较，若金属累计损失重量超过设定值，即刻发出空蚀严重的预警提示，建议及时开展水轮机检修。并在每次水轮机检修时统计好消耗的金属焊条量和累计补气量的大小，用以比对、验证、完善各模型。

综上所述，本发明通过运用数据融合技术和声发射检测技术，利用水轮机空化空蚀相关的主要变量与辅助变量之间关系，结合软硬件建立循环改进型的空蚀初生判别模型，实现水轮机空化状态识别和空蚀工况预测，减少设备故障和检修时间，提高设备运行可靠性和设备生命周期利润，最终提高了水轮机组的健康水平和服务年限。

本实施例通过实测声发射空化信号，利用脉冲重复率和声强烈度两种特征指标创建机组空化发生的模型，并采用水轮机的装置空化系数、流体压力脉动、流体机械的功率、工作水头、单位时间内大轴补气量的变化量作为闭锁条件，综合判断出空化发生的预警提示，提高了空化信号的准确性。

本实施例完成声发射空化噪声信号的相关滤波频谱计算，并形成直观的实时波形、频谱分析、时频分析图，便于技术人员实时分析比对机组空化空蚀工况。

本实施例基于实测空化信号与临界空化信号的比较，以及顶盖振动变化增量超过规定值，预示出流体机械发生较重的空化现象，以及判别出空蚀初生状态，及时发出空蚀初生的预警提示，利于运行人员及时调整运行工况，合理避开空化空蚀状态，直至预警消失。

本实施例通过创建金属累计损失重量模型，若金属失重量越限，及时发出空蚀严重的预警提示，为水轮机的检修工作提供决策支持。并可通过检修期金属焊条量统计比对，和通过累计补气量的大小进行侧面验证，循环验证、完善空化发生、空蚀初生状态判别、金属累计损失重量三个模型，进而不断提高各模型的准确率，尤其是空蚀初生状态判别模型。若同一水电站里采用本发明的同型号水轮机组越多，机组滚动检修次数越多，验证周期间隔越小，得到准确模型的时间将变得更短。

本实施例采用声发射技术在机组运行过程中监测水轮机空化状态，融合其它重要辅助变量进行佐证判断，探测出空化的发生，利用空化与空蚀间的联系，判断出空蚀工况的发生初期。此外，基于实测空化信号与临界空化信号的比较，建立空蚀工况导致金属累计损失重量的模型，并与每次水轮机检修消耗的金属焊条量和累计补气量的大小进行比对，进而验证、完善空蚀初生状态判别模型。

本实施例图4中的A线条标记线，是为了说明图5、图6中的局部放大，便于更好的看清图4中的内容。

通过上述阐述，本领域的技术人员已能实施。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别方法，包括系统，所述系统用于水电机组，包括采集装置、现地测量层、信号预处理层、数据处理及分析层，所述现地测量层包括声发射传感器、顶盖振动速度传感器、上下游水位传感器、水压脉动传感器和大轴补气风速仪，声发射传感器安装在易发生空化且测量效果好的水电机组蜗壳、尾水管检修门上、下管壁处进行采集；大轴补气风速仪安装在机组大轴补气管上，检测信号送至机组计算机监控系统并在其PLC中计算得到大轴补气量，并与机组计算机监控系统的其它工况数据一并通过通讯方式送至空化分析专用计算机；信号预处理层包括前置放大器、空化数据采集器；数据处理及分析层包括空化分析专用计算机，声发射信号分别经过前置放大器、空化数据采集器来进行信号采集、滤波处理，通过采集装置的网口TCP/IP协议接入空化分析专用计算机，

其特征在于：包括完成空化发生、空蚀初生状态判别、金属累计损失重量三个模型的创建工作，以空化发生模型为基础，金属累计损失重量模型为验证，不断修正、完善空蚀初生状态判别模型，具体步骤如下：

首先，空化发生的数学模型创建步骤如下：

1)在计算机内部分析软件里，设定采样率为1M，带通滤波20-300kHz，对原始的声发射信号进行消噪处理，将背景噪声和规律性声发射信号进行分离、去除；

根据声发射信号参数的定义，进行如下特征信号提取工作：根据实际空化测试信号情况设置一个合适的门槛值，超过门槛值的点即为声发射事件发生时间，如果连续有N个点低于门槛值则确定为一个声发射事件结束，其中几个连续超过门槛值的点即构成一次振铃，声发射事件中最大值的点的数值即为峰值；将构成声发射事件的点的幅度平方，进行包络检波，求出检波后的包络线所围的面积，此包络面积即为本次声发射事件的能量的量度，从能量的大小即可判别出声发射瞬态信号的强弱；

2)根据以上方法，计算重要的特征参数有声发射事件计数、振铃计数、发生时间、上升时间、幅度、峰值、保持时间、能量；其中，采用“脉冲重复率”和“声强烈度”两种特征指标作为空化发生的主要数学模型，通过现场试验、分析并创建空化特征判定值算法：脉冲重复率为单位时间内时间轴上声发射脉冲信号重复出现的概率，可将空化从碰磨、裂纹两种故障中区分出来，对同一稳定工况下的声发射信号的时域波形进行分析，对噪声脉冲包络进行单位时间的脉冲计数统计获取归一化脉冲计数，进而计算出脉冲重复率K(i)：如果K(i)>0.65，则声发射信号属于周期性强的碰磨和裂纹信号；否则就是随机性强的空化空蚀声发射信号；声强烈度则从能量观点直接反映物体的声发射强度，完成该噪声强度在单位时间的能量积分，获取归一化噪声强度，进而计算出声强烈度；此外，完成噪声信号的相关滤波频谱计算，并形成直观的实时波形、频谱分析、时频分析图，便于分析比对；

其次，空化发生的预警提示信号，以及空蚀初生状态判别模型创建步骤如下：

1)利用机组状态在线监测系统连续采集水轮机进出口的压力脉动信号Pr、上游水位H₁、下游水位H₂、功率P及实测空化信号Ca；

2)计算水轮机的工作水头H、空化系数和引水管水力损失；

a)计算水轮机的工作水头H＝H₁-H₂-引水管水力损失-尾水管水力压损；

b)计算水轮机的装置空化系数σz：

式中：B—大气压；

H—水轮机工作水头；

Hs—水轮机吸出高度Hs＝H₂-水轮机安装高程；

Hv—当地水的汽化压力；

c)通过测试、计算得到临界空化信号Ca_临界：

在设计装置空化系数σz、允许压力脉动Pr_max、额定功率及额定水头下测试、计算得的；

d)警示空化发生、空蚀初生现象：

水轮机的装置空化系数、流体压力脉动、流体机械的功率、工作水头、单位时间内大轴补气量Qv，决定了实测空化信号Ca大小，即Ca＝Ca(σz，Pr，P，H，Qv)，内部程序采用Pr、P、H、Qv作为空化发生的预警提示闭锁条件，若程序判断Pr、P、H、Qv的定值或单位时间内变化量达到定值范围内时，若此时实测空化信号Ca，即声强烈度大于设定值时，则允许发出空化发生的预警提示，且方可允许进行如下判断：

当Ca>Ca_临界且顶盖振动单位时间内突变增量超过规定值时，流体机械中将预示出较重的空化现象，此时即刻发出空蚀初生的预警提示，建议改变流体机械的运行工况，直至预警消失；

最后，基于实测空化信号与临界空化信号的比较，建立空蚀工况导致金属累计损失重量的模型，并通过累计补气量的大小，对空蚀初生状态判别模型进行侧面验证及完善，其模型创建步骤如下：

1)将实测空化信号Ca与临界空化信号Ca_临界比较，若Ca＜Ca_临界，则继续采集数据；若Ca＞Ca_临界，则计算水轮机叶片背面的金属失重量，建立空蚀工况导致金属累计损失重量模型；

2)将金属失重量与设定值进行比较，若金属失重量超过设定值，即刻发出空蚀严重的预警提示，建议及时开展水轮机检修；并在每次水轮机检修时统计好消耗的金属焊条量，以及累计补气量的大小，用以比对、验证、完善空化发生、空蚀初生状态判别、金属累计损失重量三个模型。

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