水电机组空蚀在线监测装置开发与应用

苏 立，缪旭光，毛 成，肖 永，文贤馗

(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵阳 550002；2.国电贵州电力有限公司红枫水力厂，贵阳 551400)

0 引 言

水电机组的空蚀对于机组会造成严重损坏，空蚀发生的严重程度是决定水电厂大修周期的重要因素。空蚀磨损破坏使机组效率下降、出力减少、振动加剧，不仅威胁水电站的安全运行，也严重威胁电网的安全运行[1]。廖伟丽等人进行了轴流转浆式水轮机轮缘间隙空蚀的试验研究，研究观察表明，轴流转浆式水轮机轮缘间隙空蚀在不同工况下，在转轮叶片轮缘不同的位置形成几种不同空蚀形态，从而揭示了危害性最严重的空蚀形态[2]。张政等人对水轮机的空蚀及其危害进行研究，空蚀会破坏水轮机的过流部件，如叶片、转轮等；空蚀增加了机组的检修周期，使年有效发电时间减少，增加生产运行成本；由于空蚀会产生强烈的噪声，造成运行人员精神疲劳，工作环境受到不良影响[3]。据统计，我国水电装机总容量6 300 万kW，大概有1/3以上的水电装机容量(包括大、中、小水电站)的水轮机的过流部件都遭受过不同程度的空蚀磨损破坏，以至水轮机出力不足，寿命缩短，效率下降，运行可靠性差，我国每年因发电损失和部件检修或更换费用高达几十亿元[1]。

早期对空蚀的研究主要局限于理论方面，近年来空蚀机理的理论研究进展逐渐趋缓。随着科学实验技术的进步，科学家开始设计不同的实验装备模拟实际工况或者直接在原型机上进行现场观测和处理分析，采用原型实验的方法研究空蚀。西安理工大学王涛、魏然等人利用超声波法研制了水电机组空蚀在线监测系统，在八盘峡水电厂4号机组上进行了现场试验，由于条件限制，该系统选用的是自行开发的水轮机磨损测试仪[4,5]；清华大学的盛鹏等人采用基于空蚀特征信号的空蚀状态间接检测技术研制了水轮机空蚀在线监测与诊断系统，该系统在福建省池潭水电站进行了现场试验，目前的监测方法还不能绝对完全准确地反映机组的空蚀状况[6]。为了更好的对水电机组空蚀进行监测，需要一些新的技术和方法。利用声发射信号进行水电机组的空蚀监测，正是基于这一需求而发展起来的新技术。

本文利用声发射信号对某水电厂机组进行空蚀在线监测，根据监测结果及时调整水电机组的运行方式，进而采取有效的措施来减少水电机组的空蚀发生。通过掌握机组空蚀的发展趋势，指导机组检修。

1 空蚀在线监测装置开发

在工程上把静止的或流动的液体，在一定温度下降低压力使其汽化的现象统称空化。空化过程能在极短的时间内突然发生，使液体的连续性遭到破坏，在液体中形成明显的充满蒸汽或气体的空泡。如果液体是流动的，空泡将随着液体一起运动，空泡的尺寸将因液体内部压力的变化涨大或缩小。当空泡移入高压区时，泡内的水蒸气将凝聚，气体将被溶解，空泡即溃灭消失。同时产生极高的压力并伴随有高温、放电、化学反应产生，使固体边壁遭到剥蚀破坏，这种现象称为空蚀[7]。

水轮机运行过程中发生的空化空蚀现象对水轮机的运行安全和运行效率产生极大的影响。首先，由于空化的产生和发展，使流动系统的特性发生变化。当空化发展到一定程度时，由于空泡体的排挤作用，使流道的有效面积减少、阻力增加，水轮机的运行效率下降。同时在空化的产生和压缩、膨胀过程中，将产生高频噪声和压力脉动。水轮机中的高频噪声将危及运行人员的身心健康，压力脉动将引起机组的不稳定运行。其次，由于空泡溃灭时产生的压力冲击对固体边壁的剥蚀破坏，即空蚀对水轮机叶片和壳体的破坏作用已成为水轮机损伤的主要原因，空蚀损伤程度已成为水轮机是否进行大修的关键参数。当空蚀到一定程度，设备就必须检修或更换，如果不能及时处理，机组就会出现故障甚至发生事故，给企业造成巨大的损失。另外，因为直接关系到电力系统的运行，水轮机空蚀的潜在危害和影响会更为严重[8]。

1.1 空蚀在线监测原理

根据空蚀现象的产生机理可以推断，空泡的瞬间形成和溃灭而产生的冲击波作用于叶片和管壁，这种冲击振动的信号必含有高频的振动成分(声发射信号)。实现对高频信号的提取和分析，既能够排除低频信号的影响，又能够准确诊断空蚀的严重程度，这是一种比较理想的监测方法。

声发射又称为应力波发射，是材料或零部件受外力作用产生变形、断裂或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。在外部条件作用下，固体(材料或零部件)的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象亦称声发射。声发射弹性波能反映出材料或零部件的性质，因此采用检测声发射信号的方法，可以判断材料或零部件的某种状态。运用仪器检测、记录、分析声发射信号，并利用声发射信号对声发射源的状态做出正确判断的技术叫声发射检测技术。

如何对声发射信号进行分析和处理来获取有用的声发射源信息是声发射检测技术应用的关键问题。声发射检测技术是无损检测中的一种新方法，与超声检测、振动检测等方法相比，声发射检测技术具有以下优点：声发射检测的信号来自检测对象本身，能够对检测对象实现实时监测；对于大型构件，不需要移动传感器做繁杂的扫查操作，只需要布置好足够数量的传感器就可以实现对大型构件的声发射监测；几乎所有的材料都可以进行声发射检测，并且声发射检测不受检测对象的尺寸、几何形状、工作环境等影响；可检测的频带较宽，可以监测从几千到1MHz频率的信号。

空蚀在线监测装置采用声发射原理进行对机组空蚀噪声的测量，其原因有以下几点：

(1)声发射传感器具有较宽的频带，完全能满足几kHz～500 kHz空蚀噪声信号的监测；

(2)声发射传感器和超声传感器相比在高频段具有较高灵敏度；

(3)在高频段，不易受其他水力因素干扰(在此频段背景噪声小)；

(4)采用就地安装的信号放大器和采集装置对完成原始空蚀噪声信号的采集和处理，再采用数字通讯技术将采集处理后的信号传输到分析装置，这样就可以更进一步避免无效信号的干扰，提供采集系统的信噪比。

空蚀在线监测装置的工作原理是在水轮机合适位置安装声发射传感器，如图1所示。声发射传感器输出的电压信号经过前置放大器，放大器的输出信号由DMS100-P型智能空蚀噪声信号检测装置在近距离条件下，高精度、低干扰条件下采集，并将噪声信号进行识别和检测，最后以数字通讯方式(RS-485或以太网)将采集及检测识别后数据传送到发电机层状态监测下位机盘柜中的空蚀噪声监测采集预处理单元作进一步的综合分析监测和数据融合。如图2所示。

图1 传感器安装位置示意图

图2 空蚀在线监测装置结构示意图

1.2 空蚀在线监测参数

空蚀在线监测装置使用美国物理声学公司(PAC)R15a型声发射传感器。测点布置：4个，其中2个测点，安装于导叶拐壁处，2个测点位于尾水门；传感器安装在位置1 ，尽量靠近拐臂根部。传感器安装位置示意图见图1。传感器和前置器的连接线长应小于1 m。

由于来自声发射传感器的电压输出信号非常弱，因此，系统中需要配置一个放大器对信号进行放大处理后再进行传输。放大器的增益放大：40 dB；输入方式：单端输入；带宽可调的滤波器；供电电压：28 VDC。

传感器输出的噪声信号即使经过放大器的放大后，同系统的其他类型信号相比也是弱小信号，在远距离传输时容易受到干扰。为了采集到高精度、低干扰、有效的噪声信号，就必须将放大器的输出信号在尽可能近的距离下采集，为此空蚀在线监测装置采用DMS100-P型智能空蚀噪声信号检测装置进行噪声信号的识别和检测。

DMS100-P智能噪声检测装置采用10M速度的高速智能采集模块结合高信噪比调理模块构造采集系统。主要利用10 kHz以上信号进行检测。由于在这个频段下，极低的背景噪声，使得采用噪声强度法以及脉冲计数法进行空蚀预报和检测成为可能。

利用数字通讯方式将以上计算结果传送到发电机层状态监测系统下位机盘柜中的空蚀监测采集预处理单元，由监测采集预处理单元完成机组效率计算、空蚀噪声信号的工况统计、脉冲计数信号的工况统计、关键频率的跟踪统计、报警、预警、显示以及空化系数σ的计算等功能，并完成归一化噪声强度-σ、归一化脉冲计数-σ之间的对比分析。而通过以上两者的对比分析，可以较及早地发现机组空蚀劣化的趋势。

1.3 空蚀在线监测装置的功能

空蚀在线监测装置可以实时高速采集噪声信号，并进行数字滤波，去除10kHz以下的背景噪声信号；利用滤波后的信号计算噪声强度，并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；将滤波后的信号进行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；提供包络谱分析、细化谱分析等，并能采用包络解调算法对脉冲包络的时频域分析。完成噪声信号的相关滤波频谱计算。

(1)实时采集、存储、在线监测。可根据需要设定采样周期(小时、天、周、月)，系统自动定时进行转轮空化系数、转轮空化噪声的特征频率、尾水管空化噪声特征频率值的采集和储存数据。

(2)功能分析。①声发射传感器监测频带：30～500 kHz，这个频段主要是由空化产生的，很难有机械振动等低频声源产生，所以此装置能滤除背景噪声，得到有效空化信号。②能利用关联分析工具，得到空化强度随尾水位、水头、负荷等的关联特性。水电机组的运行状况对水轮机空化有直接的影响，所以将空化声信号与水电机组运行状况进行关联，有利于提高信号分析的准确度。③能分析水电机组不同工况下的空化强度指标，为掌握机组性能和优化调度提供技术依据。

空蚀在线监测装置监测和评价机组空蚀噪声，设计了专门的分析工具，这些工具包括：空蚀噪声信号脉冲次数分布图；空蚀噪声信号脉冲次数分布瀑布图；空蚀噪声信号强度分段频谱图；空蚀噪声信号强度分段频谱瀑布图；空蚀噪声信号强度发展趋势图。

2 空蚀在线监测装置的应用

空蚀在线监测系统安装并调试好后，在某水电厂对各项功能进行了测试，做了现场试验。由所得的试验数据绘制特性曲线如图3。

从图3的空蚀脉冲重复率可知，在空蚀产生的声发射信号重复率比较低，它是随机的。而从它的声强烈度可知，此时空蚀是比较严重的。

3 结 语

综上所述，水电机组空蚀主要指的就是水轮机空蚀，水轮机空蚀是影响水电机组效率的主要因素。空蚀严重时，甚至会引起机组故障。水电机组空蚀的在线检测装置可以实现分析空化噪声的发展变化情况及关键有效频率定位；及时发现噪声信号发展趋势，实现早期预警；该装置降低了空蚀的破坏作用，对水电机组空蚀及时进行诊断，指导机组检修具有重要意义。实践证明这一先进技术将为电厂的机组运行及检修提供依据、并将促进电厂在线监测技术的科技进步。

图3 空蚀脉冲重复率和声强烈度

□

[1] 段生孝. 我国水轮机空蚀磨损破坏状况与对策[J]. 大电机技术, 2001,(6)：56-64.

[2] 廖伟丽,刘胜柱,张乐福. 轴流转浆式水轮机轮缘间隙空蚀的试验研究[J]. 水力发电学报, 2005,24,(4)：67-72.

[3] 张 政, 薛小兵. 水轮机的空蚀及其危害[C]∥ 抽水蓄能电站机组装备试验与制造, 2015：271-273.

[4] 王 涛,南海鹏,王德意,董开松. 水电机组空蚀在线监测系统的研究[J]. 大电机技术,2002,(6)：44-66.

[5] 魏 然,王德意. 水电机组汽蚀在线监测系统的研究[J]. 水电技术,2001,(2)：49-52.

[6] 盛 鹏,何永勇,褚福磊. 水轮机空蚀在线监测与诊断系统[J]. 水利水电技术,2002,33,(7)：17-65.

[7] 聂荣昇. 水轮机中的空化与空蚀[M]. 北京：水利电力出版社，1985.

[8] 黄继汤. 空化与空蚀的原理及应用[M]. 北京：清华大学出版社，1991.

[9] 郑 源,陈德新. 水轮机[M]. 北京：中国水利水电出版社，2011：64-65.

[10] 魏 然,王德意. 水电机组汽蚀在线检测系统的研究[J]. 西北电力技术,2001,(2)：49-52.