CN217358742U - 水轮机空化状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种水轮机空化状态监测系统，包括：传感器层，机组状态信号传输模块，数据采集层，数据存储传输层和数据分析处理层。其中，传感器层包括水听器、水压脉动传感器和振动加速度传感器。水听器安装在水轮机的尾水管排水阀后；水压脉动传感器安装在蜗壳出口处引压管、转轮上部引压管、尾水管入口处引压管中的至少一个位置；振动加速度传感器安装在水轮机的上部顶盖上。本实用新型通过在相应位置安装一个或多个传感器，在不影响水轮机的正常运行的情况下，更准确地采集水轮机噪声信号和振动信号。利用多个传感器采集到的信号结合机组状态信号，获得更全面的水轮机的空化状态参数，为提高机组运行效率和使用寿命提供更加准确的参考依据。

Description

水轮机空化状态监测系统

技术领域

本申请涉及水轮机状态监测技术领域，尤其涉及一种水轮机空化状态监测系统。

背景技术

水轮机是水利发电行业必不可少的组成部分，是充分利用清洁可再生能源实现节能减排、减少环境污染的重要设备。在水轮机长期运行的过程中，普遍存在空化、空蚀现象，直接关系到水轮机的效率和使用寿命。空化是导致空蚀破坏的直接原因，由于空化空蚀的长期影响，最终会导致水轮机过流部件结构损坏、运行条件恶劣，甚至严重影响机组效率，大幅度降低机组出力，对水轮机的安全、平稳运行带来极大挑战。因此，需要准确采集水轮机附近结构部件的噪声信号和振动信号，从而实现对水轮机状态的监测。

实用新型内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

本申请一方面实施例提出了一种水轮机空化状态监测系统，包括：传感器层，机组状态信号传输模块，数据采集层，数据存储传输层和数据分析处理层，其中，

所述传感器层包括水听器、水压脉动传感器和振动加速度传感器；其中，所述水听器安装在所述水轮机的尾水管排水阀后；所述水压脉动传感器安装在蜗壳出口处的引压管、转轮上部的引压管、尾水管入口处的引压管中的至少一个位置；所述振动加速度传感器安装在所述水轮机的上部顶盖上；

所述机组状态信号传输模块与所述数据存储传输层或所述数据分析处理层连接；

所述数据采集层包括高频数据采集模块和中频数据采集模块；其中，所述高频数据采集模块与所述水听器连接，所述中频数据采集模块分别与所述水压脉动传感器和所述振动加速度传感器连接；

所述数据存储传输层与所述数据采集层连接，所述数据存储传输层用以与所述数据分析处理层进行通讯。

可选地，在本申请一些实施例中，所述水听器的响应频率范围为0.5Hz-200kHz。

可选地，在本申请一些实施例中，所述水压脉动传感器的响应频率范围为0Hz-4000Hz。

可选地，在本申请一些实施例中，所述振动加速度传感器的响应频率范围为1Hz-20kHz。

可选地，在本申请一些实施例中，所述传感器层还包括：声发射传感器；其中，所述声发射传感器安装在所述水轮机的尾水管人孔门上部铁壁上；或者，所述声发射传感器安装在所述水轮机的尾水管人孔门上部铁壁，且安装在蜗壳人孔门附近铁壁和/或导叶连杆拐臂套筒上。

可选地，在本申请一些实施例中，所述声发射传感器的响应频率范围为20kHz-200kHz。

可选地，在本申请一些实施例中，所述传感器层还包括：振动速度传感器；其中，所述振动速度传感器安装在所述水轮机的上部顶盖上，其中，所述振动速度传感器的安装位置区别于所述振动加速度传感器的安装位置。

可选地，在本申请一些实施例中，所述振动速度传感器的响应频率范围为0.5Hz-200Hz。

可选地，在本申请一些实施例中，所述水轮机空化状态监测系统还包括：信号前处理层；其中，所述信号前处理层包括信号放大器、带通滤波器，其中，所述信号放大器的一端分别与所述水听器和所述声发射传感器连接，所述信号放大器的另一端与所述高频数据采集模块连接；所述带通滤波器的一端分别与所述水压脉动传感器、振动加速度传感器和所述振动速度传感器连接，所述带通滤波器的另一端与所述中频数据采集模块连接。

可选地，在本申请一些实施例中，所述数据存储传输层与所述数据采集层集成为一体。

本申请通过在相应位置安装水听器、水压脉动传感器和振动加速度传感器，在不影响水轮机的正常运行的情况下，更准确地采集水轮机噪声信号和振动信号。利用多个传感器采集到的信号结合机组状态信号(如机组水头、机组功率等信号)，获得更全面的水轮机的空化状态参数，为提高机组运行效率和使用寿命提供更加准确的参考依据。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例所提供的一种水轮机空化状态监测系统的示意图；

图2为本申请实施例所提供的另一种水轮机空化状态监测系统的示意图；

图3为本申请实施例所提供的又一种水轮机空化状态监测系统的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的水轮机空化状态监测系统。

图1为本申请实施例所提供的一种水轮机空化状态监测系统的示意图。如图1所示，本申请示例提供的水轮机空化状态监测系统包括：传感器层101、数据采集层102、机组状态信号传输模块103、数据存储传输层104和数据分析处理层105。

其中，传感器层101包括水听器111、水压脉动传感器112和振动加速度传感器113。

在一种实现方式中，水听器111可安装在水轮机的尾水管排水阀后，其中，该水听器111的响应频率范围可为0.5Hz-200kHz。水听器111的电压灵敏度大于29μV/Pa，承受静压不低于机组最大水头。此外，也可采用在水轮机的尾水管排水阀后加装3通接头的方式安装水听器111，不影响原尾水管排水阀的使用。水听器111的安装采用定制夹具，水听器111敏感元件部分与水轮机转轮室下方尾水管内的水接触，传感器壳体及线缆接头均不与水接触。

水压脉动传感器112安装在蜗壳出口处的引压管、转轮上部的引压管、尾水管入口处的引压管中的至少一个位置，响应频率范围可为0Hz-4000Hz，量程为-0.1Mpa-+1Mpa(承受静压不低于机组最大水头)，精度为0.5％FS。

振动加速度传感器113安装在水轮机的上部顶盖上，响应频率范围可为1Hz-20kHz，量程范围-50g-+50g，灵敏度为100mv/g，噪声电压(RMS)小于50μV，频响振幅非线性±1％。此外，振动加速度传感器113采用焊接底板配合传感器螺纹安装。作为一种示例，安装数量可为3支，2支为x，y方向水平安装，1支为靠近中心垂直安装。

数据采集层102包括高频数据采集模块121和中频数据采集模块122。其中，高频数据采集模块121与水听器111连接，采样率为2MS/s及以上，通道数不少于水听器数量，采样精度为16位，输入范围为-5v-+5v。中频数据采集模块122分别与水压脉动传感器112和振动加速度传感器113连接，采样率为64kS/s及以上，通道数不少于水压脉动传感器与振动加速度传感器数量之和，采样精度为24位，输入范围为-5v-+5v。

数据存储传输层104与数据采集层102连接，且数据存储传输层104包括下位机数据处理模块。可选地，在本申请一些实施例中，数据存储传输层104可与数据采集层102集成为一体，可以为工业级高性能单板计算机模块，该模块集成了计算、内存、外存储等处理芯片模块，并安装有相应下位机软件和相应多种接口，可进行数据的预处理、存储、传输，并与数据分析处理层105进行通讯。

数据分析处理层105可以包括上位机数据处理模块，并且可将获得数据进行现场监控大屏展示以及传输给现场工程师站。其中，上位机数据处理模块可包含实时信号采集监测软件和分析评价软件。采集监测软件用于实时数据采集功能、空化信号特征指标计算功能、实时监测功能、数据管理功能、参数报警功能、数据通讯功能等。分析评价软件可对采集到的数据进行更深度的分析、展示。

机组状态信号传输模块103与数据存储传输层104或数据分析处理层105连接。机组状态信号传输模块103用于将接收到的水轮机组运行时的机组状态信号传输给数据存储传输层104或数据分析处理层105。其中，机组状态信号可以包括机组水头、机组功率、机组流量中的至少一种机组状态信号。可以理解，在图1所示实施例中，是以机组状态信号传输模块103与数据存储传输层104中的下位机数据处理模块连接为例。在本申请的一些实施例中，机组状态信号传输模块103还可以与数据分析处理层105中的上位机数据处理模块连接。

根据本申请实施例的水轮机空化状态监测系统，在相应位置安装水听器、水压脉动传感器和振动加速度传感器，在不影响水轮机的正常运行的情况下，更准确地采集水轮机噪声信号和振动信号。利用多个传感器采集到的信号结合机组状态信号(如机组水头、机组功率等信号)，获得更全面的水轮机的空化状态参数，为提高机组运行效率和使用寿命提供更加准确的参考依据。

为了进一步采集到水轮机更宽频域范围的噪声信号和振动信号，水轮机空化状态监测系统中的传感器层除上述实施例中的传感器外，还可加增声发射传感器以及振动速度传感器，增大采集振动信号、噪声信号的频率范围。图2为本申请实施例所提供的另一种水轮机空化状态监测系统的示意图。如图2所示，在上述实施例的基础上，本申请示例提供的水轮机空化状态监测系统中的传感器层可包括：水听器211、声发射传感器212、水压脉动传感器213、振动加速度传感器214和振动速度传感器215。

其中，声发射传感器212安装在水轮机的尾水管人孔门上部铁壁上(其接触面需要耦合剂)，安装方式可为底板和夹具固定，也可采用磁吸和胶装等安装方式。或者，声发射传感器212安装在水轮机的尾水管人孔门上部铁壁，且安装在蜗壳人孔门附近铁壁和/或导叶连杆拐臂套筒上。声发射传感器212的响应频率范围为20kHz-200kHz。可选地，声发射传感器212可选取带内置放大器且放大倍数为40dB的声发射传感器。

可选地，如果声发射传感器212及线缆、接口均具有防水能力(如防水等级IP68)，且具备高灵敏度(如灵敏度大于60dB/V/(m/s))，可替代水听器211。可以理解，可在水听器211的安装位置上安装具有防水能力的声发射传感器，代替水听器完成水听器的功能。

振动速度传感器215安装在水轮机的上部顶盖上。作为一种示例，可采用焊接底板配合传感器螺纹安装，例如，安装数量可为2支，1支水平，1支垂直。需要说明的是，振动速度传感器215的安装位置区别于振动加速度传感器214的安装位置。振动速度传感器215的响应频率范围为0.5Hz-200Hz，量程范围为0-25mm/s，灵敏度为400mv/(mm/s)，频响振幅非线性±5％。

在数据采集层202中，高频数据采集模块221分别与水听器211和声发射传感器212连接，采样率为2MS/s及以上，通道数不少于水听器和声发射传感器数量之和，采样精度为16位，输入范围为-5v-+5v。中频数据采集模块222分别与水压脉动传感器213、振动加速度传感器214和振动速度传感器215连接，采样率为64kS/s及以上，通道数不少于水压脉动传感器、振动加速度传感器和振动速度传感器数量之和，采样精度为24位，输入范围为-5v-+5v。

需要说明的是，图2中的水听器211，水压脉动传感器213，振动加速度传感器214，数据采集层202，机组状态信号传输模块203，数据存储传输层204，数据分析处理层205的安装位置、结构以及功能描述，与图1中的水听器111，水压脉动传感器112，振动加速度传感器113，数据采集层102，机组状态信号传输模块103，数据存储传输层104，数据分析处理层105的安装位置、结构以及功能描述相同，在此不再赘述。

根据本申请实施例的水轮机空化状态监测系统，通过在相应位置安装水听器、水压脉动传感器、振动加速度传感器、声发射传感器和振动速度传感器，采集水轮机振动信号、噪声信号的频率范围更大，进一步提高监测水轮机空化状态的准确性。

在选取水轮机空化状态监测系统的传感器时，对于无内置放大器的传感器，或没有集成模拟滤波电路的传感器，为了采集噪声信号、振动信号更加准确，可在水轮机空化状态监测系统加增信号前处理层，对传感器层采集的信号进行预先处理。图3为本申请实施例所提供的又一种水轮机空化状态监测系统的示意图。如图3所示，本申请示例提供的水轮机空化状态监测系统可包括：传感器层301、信号前处理层302、数据采集层303、机组状态信号传输模块304、数据存储传输层305和数据分析处理层306。

其中，信号前处理层302包括信号放大器321和带通滤波器322。其中，信号放大器321的一端分别与水听器311和声发射传感器312连接，信号放大器321的另一端与高频数据331采集模块连接。带通滤波器322的一端分别与水压脉动传感器313、振动加速度传感器314和振动速度传感器315连接，带通滤波器322的另一端与中频数据采集模块332连接。信号放大器321的放大倍数可在40dB及以上。带通滤波器322用于对不在稳定频响范围的信号进行滤波。例如，传感器内没有集成模拟滤波电路，可采用数字带通滤波的方式，去除不在频响范围内噪声信号。

需要说明的是，图3中的传感器层301，数据采集层303，机组状态信号传输模块304，数据存储传输层305和数据分析处理层306的结构以及功能描述，与图2中的传感器层201，数据采集层202，机组状态信号传输模块203，数据存储传输层204和数据分析处理层205的结构以及功能描述相同，在此不再赘述。

根据本申请实施例的水轮机空化状态监测系统，通过信号前处理层中的信号放大器和带通滤波器，对多个传感器采集到的噪声信号和振动信号进行预先处理，结合机组状态信号，获得更加全面的水轮机的空化状态参数，可更加准确的监测水轮机空化状态。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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申请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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种水轮机空化状态监测系统，其特征在于，包括：传感器层，机组状态信号传输模块，数据采集层，数据存储传输层和数据分析处理层，其中，

所述传感器层包括水听器、水压脉动传感器和振动加速度传感器；其中，所述水听器安装在所述水轮机的尾水管排水阀后；所述水压脉动传感器安装在蜗壳出口处的引压管、转轮上部的引压管、尾水管入口处的引压管中的至少一个位置；所述振动加速度传感器安装在所述水轮机的上部顶盖上；

所述机组状态信号传输模块与所述数据存储传输层或所述数据分析处理层连接；

所述数据采集层包括高频数据采集模块和中频数据采集模块；其中，所述高频数据采集模块与所述水听器连接，所述中频数据采集模块分别与所述水压脉动传感器和所述振动加速度传感器连接；

所述数据存储传输层与所述数据采集层连接，所述数据存储传输层用以与所述数据分析处理层进行通讯。

2.根据权利要求1所述的水轮机空化状态监测系统，其特征在于，所述水听器的响应频率范围为0.5Hz-200kHz。

3.根据权利要求1所述的水轮机空化状态监测系统，其特征在于，所述水压脉动传感器的响应频率范围为0Hz-4000Hz。

4.根据权利要求1所述的水轮机空化状态监测系统，其特征在于，所述振动加速度传感器的响应频率范围为1Hz-20kHz。

5.根据权利要求1所述的水轮机空化状态监测系统，其特征在于，所述传感器层还包括：声发射传感器；其中，

所述声发射传感器安装在所述水轮机的尾水管人孔门上部铁壁上；或者，所述声发射传感器安装在所述水轮机的尾水管人孔门上部铁壁，且安装在蜗壳人孔门附近铁壁和/或导叶连杆拐臂套筒上。

6.根据权利要求5所述的水轮机空化状态监测系统，其特征在于，所述声发射传感器的响应频率范围为20kHz-200kHz。

7.根据权利要求5所述的水轮机空化状态监测系统，其特征在于，所述传感器层还包括：振动速度传感器；其中，

所述振动速度传感器安装在所述水轮机的上部顶盖上，其中，所述振动速度传感器的安装位置区别于所述振动加速度传感器的安装位置。

8.根据权利要求7所述的水轮机空化状态监测系统，其特征在于，所述振动速度传感器的响应频率范围为0.5Hz-200Hz。

9.根据权利要求7所述的水轮机空化状态监测系统，其特征在于，所述水轮机空化状态监测系统还包括：信号前处理层；其中，

所述信号前处理层包括信号放大器、带通滤波器，其中，所述信号放大器的一端分别与所述水听器和所述声发射传感器连接，所述信号放大器的另一端与所述高频数据采集模块连接；所述带通滤波器的一端分别与所述水压脉动传感器、振动加速度传感器和所述振动速度传感器连接，所述带通滤波器的另一端与所述中频数据采集模块连接。

10.根据权利要求1所述的水轮机空化状态监测系统，其特征在于，所述数据存储传输层与所述数据采集层集成为一体。

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