CN1188686C

CN1188686C - 水轮机空化空蚀破坏的在线监测方法及诊断装置

Info

Publication number: CN1188686C
Application number: CNB021313334A
Authority: CN
Inventors: 吴玉林; 陈乃祥; 徐朝晖; 徐东海
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2002-09-29
Filing date: 2002-09-29
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2022-09-29
Also published as: CN1401986A

Abstract

水轮机空化空蚀破坏的在线监测方法及诊断装置，该方法及装置通过测试流体机械的空化系数、流道中的压力脉动、流体机械的能量特性、工作水头以及空化冲击振动信号以及计算流体机械中金属失重量的大小，可以达到全面监测流体机械中的空化空蚀现象，控制运行状况以及发展的程度，并分析诊断空化空蚀发生的强度以及对流体机械本身造成的破坏，进而及时提出检修的时间计划，从而有效地提高了设备运行的安全性及使用寿命。

Description

水轮机空化空蚀破坏的在线监测方法及诊断装置

技术领域

本发明涉及一种主要用于石油、化工、水利、水力发电领域中使用的各种离心泵、轴流泵、混流式水轮机、轴流式水轮机等水利机械的空化空蚀破坏的在线监测诊断技术及装置。

背景技术

流体机械中的空化空蚀是影响流体机械使用寿命、运行稳定性的关键因素，已成为制约流体机械功率或容量大型化发展的主要问题之一。目前对流体机械中空化空蚀的诊断方法的研究主要集中于对空化产生的高频冲击力的加速度信号和流体压力脉动信号判断。例如文献“Signal processing techniques for the diagnosis of cavitation inception”(Source：America Society of Mechanical Engineers，Fluids Engineering DivisionPublication FED v 226 Aug 13-18 1995 1995 Sponsored by：ASME FED ASME p1-8)及“Spectrum normalization method in vibro-acoustical diagnostic measurements ofhydroturbine cavitation”(Source：Journal of Fluids Engineering，Transactionsof the ASME v 118 n 4 Dec 1996ASME p756-761 0098-2202.)中对空化分析诊断的方法采用压力时间系数法、快速傅立叶变化法。这种对空化空蚀的监测与分析方法不全面，没有监测流体机械的能量特性，没有将空化强度与材料的机械特性相比较，没有给出空化发展的趋势性分析。

随着监测与诊断技术的发展，相应的一些测试装置也应运而生。文献“INSTRUMENTSYSTEM FOR MONITORING CAVITATION NOISE”(Source：Journal of Physics E：Scientific Instruments v 15 n 7 Jul 1982 p 741-745 0022-3735) 和“INSTRUMENTATION FOR REACTOR TWO PHASE NOISE DIAGNOSIS”(Source：IEEETransactions on Nuclear Science v NS-29 n 1 Feb 1981 p 709-731 0018-9499)公开了一种对空化进行监测的测试装置，此装置仅仅测试并分析了空化产生的压力脉动，没有测试空化产生的高频噪声信号、空化产生的高频冲击力的加速度信号、流体机械的能量特性和空化产生的压力脉动。

发明内容

本发明的目的是提供一种水轮机空化空蚀破坏的在线监测方法及诊断装置，旨在全面监测流体机械中的空化空蚀现象，并分析诊断空化空蚀发生的强度以及对流体机械本身造成的破坏，以提高流体机械的安全性和使用寿命。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种水轮机空化空蚀破坏的在线监测方法，该方法包括如下步骤：

(1)利用计算机连续采集水轮机进出口的压力脉动信号P_re、上游水位h_u、下游水位E、水轮机的功率N及空化信号Cav；

(2)计算水轮机的工作水头H、空化系数和引水管水力损失；

(3)将实测空化信号Cav与临界空化信号Cav_临界比较，若Cav＜Cav_临界，则返回第(2)步，继续采集数据，若Cav＞Cav_临界，则继续进行下一步骤；

(4)计算水轮机叶片背面的金属失重量；

(5)将金属失重量与设定值比较，若金属失重量没有超过设定值，则发出预警提示，建议改变运行工况，若金属失重量超过设定值，即刻发出警示提示，建议进行大修。

本发明还提出了一种实施上述方法的诊断装置，该装置包括采集信号的传感器、滤波器、A/D转换器、数据采集器以及对数据进行处理和显示结果的计算机，所述的传感器包括压力脉动传感器、功率变送器、水位传感器、空化加速度传感器以及空化噪声传感器，其中压力脉动传感器、功率变送器和水位传感器并列连接到低通滤波器上，空化加速度传感器和空化噪声传感器并列连接到高通滤波器上，所述的高通滤波器和低通滤波器分别通过低速A/D转换器连接和高速A/D转换器与数据采集器，该数据采集器与计算机的输入端相连接。

本发明通过测试流体机械的空化系数、流道中的压力脉动、流体机械的能量特性、工作水头以及空化冲击振动信号，可以达到全面反映流体机械中空化空蚀发生，发展的程度，并通过计算流体机械中金属失重量的大小确定检修的时间计划，从而有效的提高了设备运行的安全性和使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的空化空蚀诊断软件程序流程框图。

图2为本发明提供的诊断装置的硬件布置图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施，以进一步理解本发明。

图1是空化空蚀诊断软件程序流程框图，开始后，计算机连续自动采集流体机械进出口的压力脉动信号P_re、上游水位h_u、下游水位E、流体机械的功率N及空化信号Cav；然后计算流体机械的工作水头H、空化系数和引水管水力损失；将实测空化信号Cav与临界空化信号Cav_临界比较，如果Cav＜Cav_临界，则返回，程序继续采集数据。反之，则计算流体机械的金属失重量；将计算金属失重量与设定值比较，如果流体机械金属失重量没有超过设定值，则发出预警提示，建议改变运行工况。反之，发出警示，建议进行大修。然后循环进行，直至人为停机，计算机退出工作状态。

具体实施方法如下：

1)在流体机械的进口和出口用压力传感器测量流体压力脉动P_re；

2)在线实时监测流体机械工作的上游水位h_u、下游水位E，计算测量流体机械的工作水头H；

H＝h_u-E

3)测量流体机械的功率N；

4)计算流体机械的装置空化系数σ_y；

计算水轮机的装置空化系数σ_y：

σ_{y} = \frac{B - H_{s} - H_{v}}{H}

式中：B——大气压，近似为B＝10.3米

H——水轮机工作水头

H_s——水轮机吸出高度H_s＝E-水轮机安装高程

H_v——当地水的汽化压力.

5)用高频加速度传感器和高频声压计(两者工作范围皆大于20kHz)测量流体机械进出口的空化信号Cav；

6)警示发生空化现象；

流体机械的装置空化系数、流体压力脉动、流体机械的功率和工作水头决定了空化冲击振动信号Cav的大小，即：

Cav＝Cav(σ_y、P_re、N、H)

当Cav＞Cav_临界时，流体机械中就会出现较重的空化现象，此时本发明即刻发出预警提示，建议改变流体机械的运行工况。

临界空化信号Cav_临界是在设计装置空蚀系数σ_y、允许压力脉动P_re、额定功率及额定水头下测得的。

7)计算水轮机水轮机叶片背面金属失重量；

国际电工委员会和我国国标规定，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，叶片背面金属失重量W为：

W＝k₁d² (1)

d：为转轮喉径(米)；

k₁＝2.718^m (2)

k₁：空化强度系数

联立(1)、(2)得：

W＝2.718^md² (3)

(3)式中，m＝0.45V²b^-0.56+2.3C_f-S_a-B-R₁ (4)

(4)式中：

R_1:是转轮材料系数(取自《Journal of Engineering》，Vol.118，No.3，Dec.1992)

碳钢转轮R₁＝2.8

铜转轮R₁＝3.3

不锈钢转轮R₁＝4.5

碳钢表面有不锈钢堆焊层的转轮R₁＝3.8

b：转轮叶片数；

C_f：负荷利用系数；

S_a：下水轮机淹没深度(米)；

B＝10.3-0.002E^0.92-0.01T (5)

(5)式中：

E：下游水位的海拔高程；

T：下游水温；

V = \frac{N}{9.81 \times 0.785 \times d^{2} \times H \times η} - - - (6)

(6)式中：

N为水轮机出力或机组出力

H为机组工作水头

η为水轮机效率或机组效率

IEC(国际电工委员会)规程规定了空化保证范围：0.47＜k₁＜1.9。无空化发生时k₁＝0.0025

表1.在方程(2)中建议的lnk₁值

空化程度	K₁	置信度及对应的lnk₁值
		置信度及对应的lnk₁值		置信度75％	置信度95％
		无空化	0.0025	置信度75％	置信度95％	-5.15	-5.85
IEC下限	0.47	无空化	0.0025	-2.21	-2.91	-5.15	-5.85
IEC下限	0.47	IEC上限	1.9	-2.21	-2.91	-0.87	-1.57

8)提出检修建议

当Cav＞Cav_临界，且水轮机叶片金属失重量W超过设定值后，本发明发出警示，建议进行大修。

水轮机叶片金属失重量的设定值是根据每次大修所消耗的金属焊条量确定的。

值得说明的是，本发明所称得流体机械不仅包含水轮机，而且包括泵在内；上述1)～8)步只适用于对水轮机的空化空蚀破坏的在线监测方法，对于泵，无须计算金属失重，因此第7)、8)步可以省略。

另外，泵的装置空化余量Δh_a与水轮机的装置空化系数σ_y的物理意义相同。因此，对于泵，用装置空化余量Δh_a代替水轮机的装置空化系数σ_y。

对泵装置空化余量的监测：

在线实时监测泵的上游水位h_u计算泵的装置空化余量Δh_a

Δh_a＝B-H_sZ-Δh_s-H_V

式中：B——大气压，近似为B＝10.3米

H_sZ——泵的安装高程，H_sZ＝h_u-泵的中心线高程。

Δh_s——引水管水力损失，查表求得。

图2为本发明提供的诊断装置的硬件布置图。该装置包括采集信号的传感器、滤波器、A/D转换器、数据采集器以及对数据进行处理和显示结果的计算机，所述的传感器包括压力脉动传感器1、功率变送器2、水位传感器3、空化加速度传感器4以及空化噪声传感器5，其中压力脉动传感器1、功率变送器2和水位传感器3并列连接到低通滤波器6上，空化加速度传感器4和空化噪声传感器5并列连接到高通滤波器7上，所述的高通滤波器7和低通滤波器6分别通过低速A/D转换器8和高速A/D转换器9与数据采集器10连接，该数据采集器与计算机11的输入端相连接。

Claims

1.一种水轮机空化空蚀破坏的在线监测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

(2)计算水轮机的工作水头H、空化系数和引水管水力损失；

(4)计算水轮机叶片背面的金属失重量；

2.一种实施如权利要求1所述方法的诊断装置，其特征在于：该装置包括采集信号的传感器、高通滤波器、低通滤波器、高速A/D转换器、低速A/D转换器、数据采集器以及对数据进行处理和显示结果的计算机，所述的传感器包括压力脉动传感器、功率变送器、水位传感器、空化加速度传感器以及空化噪声传感器，其中压力脉动传感器、功率变送器和水位传感器并列连接到低通滤波器上，空化加速度传感器和空化噪声传感器并列连接到高通滤波器上，所述的高通滤波器和低通滤波器分别通过低速A/D转换器和高速A/D转换器与数据采集器相连，该数据采集器与计算机的输入端相连接。