水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種電力系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測(cè)，即水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)。一種水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，包括：現(xiàn)地測(cè)量層：由振動(dòng)加速度傳感器和聲發(fā)射傳感器組成。采用振動(dòng)加速度傳感器拾取4－20kHz空化信號(hào)，采用聲發(fā)射傳感器拾取20－200kHz空化信號(hào)。傳感器安裝在最易發(fā)生空化空蝕的水輪機(jī)水車(chē)室內(nèi)的導(dǎo)葉連桿拐臂套筒、支持蓋或尾水管檢修門(mén)區(qū)域。信號(hào)預(yù)處理層：包括放大器、隔離器、空化數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)處理及分析層：包括計(jì)算機(jī)。采用振動(dòng)加速度和聲發(fā)射傳感器探測(cè)水輪機(jī)空化發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的聲信號(hào)，選取水輪機(jī)導(dǎo)葉拐臂、下環(huán)和尾水管三個(gè)空化測(cè)量較好的位置進(jìn)行檢測(cè)，靈敏度高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本實(shí)用新型涉及一種電力系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測(cè)，即水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，水輪機(jī)是水力發(fā)電機(jī)組中的關(guān)鍵設(shè)備。當(dāng)水輪機(jī)發(fā)生空化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生數(shù)量不等的氣泡，氣泡隨著水流運(yùn)動(dòng)到高壓區(qū)時(shí)會(huì)潰滅，同時(shí)產(chǎn)生高頻脈沖波，輻射空化噪聲，引起介質(zhì)壓力脈動(dòng)，并誘發(fā)機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)?？栈瘴g是水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不可避免的一種破壞現(xiàn)象，是導(dǎo)致水輪機(jī)運(yùn)行效率下降、結(jié)構(gòu)破壞以及使用壽命縮短的主要因素之一，尤其在泥沙磨損的聯(lián)合作用下，其破壞更加強(qiáng)烈，會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和效率，是水輪機(jī)檢修周期的一個(gè)決定性因素。空化監(jiān)測(cè)的研究已成為當(dāng)前水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的難點(diǎn)與熱點(diǎn)問(wèn)題之一，受到了業(yè)內(nèi)學(xué)者的極大關(guān)注。
[0004]水輪機(jī)中的空化型態(tài)有游移型空化、固定型空化和漩渦型空化。通常按空化發(fā)生的部位將其分為以下四類(lèi):(I)葉型(翼型)空蝕。(2)空腔空蝕。(3)間隙空蝕。(4)其他局部脫流引起的空蝕。以上四種空蝕，間隙空蝕可能會(huì)引起機(jī)件破壞，對(duì)水輪機(jī)效率也有一定的影響，但最為常見(jiàn)且危害較大的是翼型空蝕和空腔空蝕，它們不僅會(huì)損壞水輪機(jī)部件，而且會(huì)使水輪機(jī)出力和效率下降，甚至引起機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)和不穩(wěn)定運(yùn)行。一般而言，混流式水輪機(jī)的空化空蝕主要是翼型空化空蝕，而間隙和局部空化空蝕是次要的；而轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)以間隙空化較多。
[0005]從以往的研究來(lái)看，目前的水輪機(jī)空化空蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，振動(dòng)加速度傳感器以及超聲波傳感器是兩大主流傳感器。但在應(yīng)用時(shí)還存在一些不足，主要表現(xiàn)在監(jiān)測(cè)手段單一以及測(cè)試系統(tǒng)的頻段不夠?qū)?。以往研究中往往采用單一?lèi)型的傳感器監(jiān)測(cè)空化，這種監(jiān)測(cè)模式無(wú)法滿(mǎn)足其寬頻特性的。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述不足而提供一種利于水輪機(jī)狀態(tài)檢修的水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)。
[0007]本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是:一種水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，包括:
[0008]現(xiàn)地測(cè)量層:由振動(dòng)加速度傳感器和聲發(fā)射傳感器組成。采用振動(dòng)加速度傳感器拾取4 一 20kHz空化信號(hào)，采用聲發(fā)射傳感器拾取20 - 200kHz空化信號(hào)。傳感器安裝在最易發(fā)生空化空蝕的水輪機(jī)水車(chē)室內(nèi)的導(dǎo)葉連桿拐臂套筒、支持蓋或尾水管檢修門(mén)區(qū)域。
[0009]信號(hào)預(yù)處理層:包括放大器、隔離器、空化數(shù)據(jù)采集器。
[0010]數(shù)據(jù)處理及分析層:包括計(jì)算機(jī)。
[0011]各層之間通過(guò)信號(hào)線(xiàn)連接。系統(tǒng)采用高屏蔽性的雙絞線(xiàn)傳送信號(hào)。
[0012]空化信號(hào)的監(jiān)測(cè)就是測(cè)量空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高頻脈沖波、微射流及由此導(dǎo)致的高頻噪聲信號(hào)、介質(zhì)的壓力脈動(dòng)和機(jī)械的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從測(cè)量的信號(hào)中提取表征空化的特征值，并建立空化特征值與空化強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)監(jiān)測(cè)測(cè)量信號(hào)中各特征值的變化來(lái)判斷空化的發(fā)生和發(fā)展，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)空化的目的。
[0013]超聲波法:超聲波法是利用水輪機(jī)空化過(guò)程中所伴隨產(chǎn)生的聲學(xué)方面的一些特征，將空化現(xiàn)象與這些聲學(xué)特征聯(lián)系起來(lái)，探明他們之間的內(nèi)在聯(lián)系的一種方法。用此方法測(cè)量空化特性，主要是測(cè)量與計(jì)算表征聲學(xué)方面特征的參數(shù)，最主要的是聲強(qiáng)這個(gè)參數(shù)。超聲波傳感器使用壓電換能器，具有較寬的頻率響應(yīng)特性，定向性能好，受背景噪聲干擾少，在一定的頻段范圍內(nèi)能將聲能線(xiàn)性轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，比較適合監(jiān)測(cè)空化空蝕信號(hào)的高頻分量。在監(jiān)測(cè)水輪機(jī)更高頻段的空化空蝕聲信號(hào)，尤其是監(jiān)測(cè)空化初生的聲信號(hào)，超聲波傳感器更為可靠。
[0014]振動(dòng)測(cè)試法:水輪機(jī)發(fā)生空化時(shí)，不僅會(huì)使機(jī)組運(yùn)行噪聲增強(qiáng)，還會(huì)引起機(jī)組的振動(dòng)，因此，測(cè)試機(jī)組高頻振動(dòng)也是水輪機(jī)空化測(cè)試的最重要方法之一。空泡潰滅的瞬間會(huì)輻射沖量很大的高頻機(jī)械振蕩沖擊力，這種聲波屬于脈沖性的，因此，一定程度上采用振動(dòng)加速度計(jì)測(cè)量沖擊力產(chǎn)生的加速度更為合適。通過(guò)加速度傳感器拾取空化振動(dòng)信號(hào)，再由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，分別提取時(shí)域、頻域的特征信號(hào)，再根據(jù)這些特征值的屬性，可判斷水輪機(jī)的空化空蝕的發(fā)生、發(fā)展以及嚴(yán)重程度，一定程度上還可預(yù)估空蝕的程度。由于振動(dòng)加速度是通過(guò)水輪機(jī)機(jī)構(gòu)傳遞的，因此，通過(guò)振動(dòng)加速度傳感器測(cè)試的信號(hào)基本上可以反映水輪機(jī)的空化的真實(shí)情況，總的趨勢(shì)是空化空蝕越嚴(yán)重，所測(cè)得的振動(dòng)加速度值越大。由于振動(dòng)加速度傳感器的感應(yīng)頻率范圍與其靈敏度是一對(duì)矛盾，往往限制了其在更高頻段的空化空蝕信號(hào)測(cè)試的應(yīng)用，因此，目前振動(dòng)加速度傳感器一般用于水輪機(jī)的空化空蝕低頻段信號(hào)的測(cè)試，尤其是在可聞聽(tīng)頻段的空化測(cè)試。在水輪機(jī)空化空蝕實(shí)際測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，可將振動(dòng)加速度傳感器直接安裝水車(chē)室的導(dǎo)葉拐臂套筒、支持蓋或者下水導(dǎo)等處，但此處監(jiān)測(cè)的信號(hào)由于受環(huán)境因素的影響以及傳播損耗，其信號(hào)的可用性和可信性必然受到影響，需要后續(xù)信號(hào)處理提取空化的真實(shí)信號(hào)。
[0015]主要功能:1、信號(hào)采樣、記錄和回放。2、空化狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)視，了解機(jī)組空化性能，監(jiān)測(cè)空化性能的變化。3、分析空化隨著負(fù)荷的變化。4、分析空化隨著時(shí)間的變化曲線(xiàn)。
[0016]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:1、本裝置采用了基于振動(dòng)和聲發(fā)射多維融合的空化監(jiān)測(cè)技術(shù)，綜合了振動(dòng)加速度和聲發(fā)射傳感器的優(yōu)勢(shì)，采用振動(dòng)加速度和聲發(fā)射傳感器探測(cè)水輪機(jī)空化發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的聲信號(hào)，包括可聞聲信號(hào)和超聲波聲信號(hào)。開(kāi)發(fā)的水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)適用于水輪機(jī)空化狀態(tài)的長(zhǎng)期在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)真機(jī)不同負(fù)荷下的空化噪聲圖譜分析，為真機(jī)運(yùn)行識(shí)別空化發(fā)生提供樣本；根據(jù)水輪機(jī)空化聲信號(hào)頻譜及空化聲信號(hào)強(qiáng)度隨著空化程度的變化特性區(qū)分故障類(lèi)型和評(píng)估空化故障程度；根據(jù)多點(diǎn)易發(fā)生空化空蝕的區(qū)域空化信號(hào)強(qiáng)度分析判定故障發(fā)生區(qū)域；并對(duì)機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行提供空化狀態(tài)趨勢(shì)評(píng)估，為真機(jī)空化狀態(tài)的合理評(píng)價(jià)提供依據(jù)。2、選取水輪機(jī)導(dǎo)葉拐臂、下環(huán)和尾水管三個(gè)空化測(cè)量較好的位置進(jìn)行檢測(cè)，靈敏度高。
[0017]下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本實(shí)用新型組成示意圖。
[0019]【具體實(shí)施方式】
[0020]參見(jiàn)圖1，水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)由現(xiàn)地測(cè)量層、信號(hào)預(yù)處理層和數(shù)據(jù)處理及分析層三部分組成。
[0021]現(xiàn)地測(cè)量層:由振動(dòng)加速度傳感器和聲發(fā)射傳感器組成。
[0022]信號(hào)預(yù)處理層:包括放大器、隔離器、空化數(shù)據(jù)采集器。
[0023]數(shù)據(jù)處理及分析層:包括計(jì)算機(jī)。
[0024]各層之間通過(guò)信號(hào)線(xiàn)連接。
[0025]采用振動(dòng)加速度傳感器拾取4 - 20kHz空化信號(hào)，采用聲發(fā)射傳感器拾取20 —200kHz空化信號(hào)。
[0026]現(xiàn)地測(cè)量層:由振動(dòng)加速度和聲發(fā)射傳感器組成。可精確拾取空化發(fā)生時(shí)4-20kHz可聞聲信號(hào)和50-200kHz超聲信號(hào)。聲發(fā)射傳感器由于其監(jiān)測(cè)頻譜極寬，定向性好、穿透能力強(qiáng)，滿(mǎn)足空化聲信號(hào)的超高頻段的測(cè)試要求，尤其是對(duì)初生空化的監(jiān)測(cè)，其具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。由于水輪機(jī)空化信號(hào)頻率較寬，既有超聲頻段也有可聞?lì)l段，且在可聞?lì)l段的相當(dāng)高頻部位，振動(dòng)加速度傳感器非常適合監(jiān)測(cè)空化的可聞?lì)l段聲信號(hào)。
[0027]信號(hào)預(yù)處理層:由放大、保持、接線(xiàn)端子、傳輸、隔離模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、及相關(guān)外設(shè)組成。完成信號(hào)放大、采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、初步處理及數(shù)據(jù)上傳等功能。
[0028]數(shù)據(jù)處理及分析層:由工業(yè)平板電腦及軟件組成。處理及存貯數(shù)據(jù)、分析空化狀態(tài)并生成各種圖表。
[0029]1、傳 感器選型:采用振動(dòng)加速度進(jìn)行水輪機(jī)空化在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，加速度計(jì)抗干擾能力強(qiáng)，安裝方便，對(duì)高頻空化信號(hào)的頻率響應(yīng)特性好；而為了對(duì)空化過(guò)程中輻射出的超聲波信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可采用聲發(fā)射傳感器，該傳感器監(jiān)測(cè)頻帶較寬，幾十kHz~幾百kHz，這個(gè)頻段很難由機(jī)械振動(dòng)等低頻聲源產(chǎn)生，可以說(shuō)是主要由空化產(chǎn)生的，避免了背景噪聲的干擾。本項(xiàng)目選擇了振動(dòng)加速度和聲發(fā)射兩類(lèi)傳感器進(jìn)行空化在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置。
[0030]在綜合考慮傳感器的頻率范圍以及可靠性的情況下，項(xiàng)目選用了美國(guó)物理聲學(xué)公司高品質(zhì)進(jìn)口傳感器，以保證拾取的空化聲信號(hào)的準(zhǔn)確性，傳感器主要參數(shù)如下。
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，其特征在于包括: 現(xiàn)地測(cè)量層:由振動(dòng)加速度傳感器和聲發(fā)射傳感器組成； 信號(hào)預(yù)處理層:包括放大器、隔離器、空化數(shù)據(jù)采集器； 數(shù)據(jù)處理及分析層:包括計(jì)算機(jī)； 各層之間通過(guò)信號(hào)線(xiàn)連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)空化監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，其特征在于振動(dòng)加速度傳感器拾取4 一 20kHz空化信號(hào)；聲發(fā)射傳感器拾取20 - 200kHz空化信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01M99/00GK203629869SQ201320844845
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】潘羅平, 張建軍, 桂中華, 周葉, 寧淑賢, 牟巖波, 王一平 申請(qǐng)人:太平灣發(fā)電廠(chǎng), 北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司