压力钢管运行安全监测系统初步设计

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(河海大学 能源与电气学院，南京 211100)

水电站引水系统的安全运行是水利水电工程运行安全的重要保障[1-2]。当水电站引水系统为压力钢管且采取明管型式铺设时，其安全问题就显得十分突出。第一，在遇到地震、塌方等灾害时，存在着失稳威胁；第二，日常运行中，发电机组的启、停及调整负荷等动作, 会产生不同程度的水锤现象, 可能使钢管内产生或大或小的压力,从而导致压力钢管发生爆裂、失稳或压扁现象[3]。一旦压力钢管出现爆裂或严重泄漏, 其冲击将给电厂带来毁灭性的影响[4-5]。若无有效的监控手段作出预防, 避免事故的出现, 则有可能产生灾难性的后果，并将严重影响电厂的其他重要设施[6-8]。由此可见, 引水系统压力钢管实时安全监测系统的设计是一项十分重要且非常紧迫的研究课题。

1 压力钢管安全监测现状及存在问题

从目前国内压力钢管运行安全监测技术来看，部分水电站的管理部门主观上还缺乏重视，投资严重不足，也有少数国内水电站企业已经注意到压力钢管的运行安全问题，对压力钢管明管内的某一参数或部分参数如水流流速、动水压力、位移进行监测，数据采用自动采集并传输至中央控制室的方式[8-9]。虽然自动化程度高，相比人工测量方式已经有很大的进步，但这种监测方式还是显得比较片面和单一；主要表现在关系压力钢管焊接部位、与压力钢管振动疲劳损伤有关的振动加速度、整体刚度表现特征的振动频率的变化等参数没有体现出来，无法全面真实地反映压力钢管及伸缩节的运行安全问题。因此，必须设计一种全新的压力钢管实时安全监测与专家分析系统来完成监测任务。

2 系统设计原则及组成

2.1 监测系统设计原则

系统的设计主要遵循以下原则：超前性、实时性、稳定性、有效性、普遍性、扩展性、规范性和安全保密性。

2.2 监测系统程序设计方案

压力钢管安全运行实时监测系统软件功能模块主要包括：数据采集与存储模块、数据传输模块、时域分析模块、频域分析模块、系统分析模块、报警系统模块、输出打印模块、人机界面以及初始状态设置模块，监测系统软件功能模块框架结构如图1所示[10]。

图1 压力钢管监测系统主要功能模块示意图Fig.1 Major functional modules of penstocks monitoring system

2.3 监测系统的组成

2.3.1 基于有线局域网构建的监测系统

根据压力钢管的实际情况，本系统采用分布式结构[11]。系统包括传感器设备层、数据采集控制层和监控管理层3级[10]。由局域网构建的压力钢管及伸缩节自动监测系统框图如图2所示。

图2 基于局域网的压力钢管及伸缩节自动监测系统框图Fig.2 Automatic monitoring system of penstocks and expansion joint based on local area network

2.3.2 基于无线网络构建的监测系统

系统采用无线传输方式需由移动运营商提供无线通讯网络覆盖，对于多台同时监控与监测，每台压力钢管监测系统必须有一个无线移动网络卡号，利用3G或4G网络实时向互联网发送监测数据。基于移动互联网建立的压力钢管及伸缩节自动监测系统框图如图3所示。

图3 基于无线网络的压力钢管及伸缩节自动监测系统框图Fig.3 Automatic monitoring system of penstocks and expansion joint based on wireless network

如果中控室离现场较近，建议采用光缆传输的方式进行数据通讯，稳定可靠，且便于维护。

3 监测系统的工作原理与功能

根据影响压力钢管及伸缩节安全运行的因素分析，本系统是通过对引水钢管的应力、位移、加速度、共振频率、温度、动水压力等进行在线监测，判断各因素的异常变化，从而实现对钢管是否存在安全隐患进行实时判断与监控。这在国外许多著名的水电站有类似的设备，但监测的因素多且比较单一，不够全面。本系统经过改进和完善，对以往研究者在压力钢管安全监测方面的研究进行了优化和完善。

3.1 系统工作原理

系统各传感器被安装在压力钢管及伸缩节相应的部位，将被监测点的物理量转化为弱电信号，该弱电信号经各传感器调理器进行放大、滤波等调理后送数据采集仪，数据采集仪将采集数据传输给现场监测计算机。现场监测计算机对采集的数据做相关分析，获得被测结构的共振频率及各测点的最大值及其他如应力等值。被监测数据由现场数据采集仪直接通过无线网络或有线网络传输给中控室的计算机，中控计算机或服务器对现场传来的监测数据通过专家系统进行进一步分析，并在人机界面显示现场监测数据的动态变化[12]。若监测数据出现异常，则计算机给出报警信息，显示异常数据所在的位置与类型,以便及时作出处理。

3.2 系统功能

系统主要有监测功能、显示功能、存储功能、数据通讯功能、数据管理功能、系统自检功能、系统供电功能、防震、防尘功能、防雷、抗干扰功能和短信报警功能。

4 现场测点布置与设备安装

监测点的优化选择和合理布置是压力钢管监测诊断技术信息采集的首要问题, 直接影响到压力钢管运行性态监测的可靠性和准确性,同时也会影响监测技术投入的成本。

在测点布置和安装时，应考虑以下因素：

(1)便于压力钢管的安全运行，有利于钢管的安全检修。

(2)合理选择和使用传感元件，与钢管运行监测点选择布置有机的配合，既要考虑它的可行性又要考虑它的必要性。

(3)防止因为安装工艺或者环境条件而降低监测点的准确性。

(4)在实践中可根据需要对测点的安装位置进行调整，不断优化测点布置[13]。

图4为初步拟定的加速度、温度、动水压力监测测点布置示意图[10]。

图4 加速度、动水压力及温度现场监测示意图Fig.4 Schematic diagram of field monitoring of acceleration, hydrodynamic pressure and temperature

4.1 应力监测

应力监测主要考虑监测压力钢管明管段及伸缩节应力集中的地方，如环形加强劲的部位、螺栓连接部位及钢管焊接部位等；有些则是为了考察其应力缓变状态及荷载作用下应变变化状态而设置的监测点，如压力钢管及伸缩节的中间位置、压力钢管在镇墩周围的应力分布等。

一般应力监测主要是监测被测构件2个方向或单方向的主应力如轴向应力、切向应力等，对于剪切应力和法向应力一般难以监测，可通过计算的方法与监测应力结合起来进行安全判定。应力监测可以有多点，主要根据需要与成本考虑；首要原则是监测数据必须能反映压力钢管及伸缩节在整个运行状态中可能出现最大应力的位置，但过多的应力监测点将导致设备成本随之增加。

图5至图7为应力监测的各种测点布置示意图。

图5 压力钢管应力测点现场监测布置Fig.5 Layout of field stress measuring points on penstocks

图6 压力钢管焊接部位应变监测示意图Fig.6 Schematic diagram of strain monitoring for the welded part of penstocks

图7 压力钢管焊接与应力集中部位应变监测示意图Fig.7 Schematic diagram of strain monitoring for the welded part and stress-concentrated part of penstocks

4.2 温度监测

温度监测相对比较简单，主要监测对压力钢管及伸缩节运行参数有影响的温度变化情况。通常直接将温度传感器安装在压力钢管及伸缩节的表面就可以，钢管表面温度同时也反映了引水管管道内流体的温度。在钢管表面任意位置布置一个测点用于监测引水管道内流体的温度及环境温度变化。温度现场监测布置如图4所示。

4.3 动水压力监测

与温度监测类似，动水压力监测也相对比较简单，在压力钢管的某一位置安装动水压力传感器，监测该点的动水压力。动水压力监测需要对各种增弃负荷、正常运行等不同工况过渡过程下引水系统(钢管)内流体压力分布情况进行分析计算，并结合现场试验，选取其中动水压力最大的区域安装传感器。这是因为引水系统内受水流冲刷路线不同，其压力分布也不一样，且与机组的不同工况有关。动水压力现场监测布置如图4所示。

4.4 位移监测

图8为伸缩节位移现场监测布置示意图。

图8 伸缩节位移现场监测布置示意图Fig.8 Schematic diagram of field monitoring of expansion joint displacement

这种监测布点方式主要是基于以下2种假设：

(1)伸缩节的外壳本身不会发生弯曲变形，或者发生弯曲变形的幅度与监测位移相比，可以忽略不计。

(2)伸缩节自身沿轴向的滚动位移不予考虑。

对于一些其他结构的压力钢管也可以增加位移监测点。

4.5 加速度监测

如图4所示，加速度监测方式主要考虑在压力钢管及伸缩节上各布置一个测点，伸缩节上的加速度测点布置在轴向中部，压力钢管上加速度测点布置在靠近伸缩节的位置。每个测点监测3个方向的加速度信号，分别为2个水平向，即沿引水管道轴线方向和管道切线方向，一个竖直方向。通过对每个测点的加速度时程进行分析，即可获得各测点每个振动方向的各阶振动频率。另外，将压力钢管上的振动响应信号作为激励信号，伸缩节上的加速度信号作为响应信号，将两者之间对应方向的加速度信号作传函分析，获得压力钢管与伸缩节振动响应之间的传函关系。

设输入信号u(t)是由激励信号x(t)和噪声信号m(t)组成，而响应信号v(t)同样也是由激励的响应信号y(t)和噪声信号n(t)组成，则u(t)和v(t)的功率谱密度(W/Hz)分别为：

Gu(f)=Gx(f)+Gm(f) ；

(1)

Gv(f)=Gy(f)+Gn(f) ；

(2)

Guv(f)=Gxy(f) 。

(3)

式中：Gx(f)为输入信号功率谱密度(W/Hz)；Gm(f)为输入噪声信号功率谱密度(W/Hz)；Gy(f)为输出信号功率谱密度(W/Hz);Gn(f)为输出噪声信号功率谱密度(W/Hz);Guv(f)为考虑输出噪声时的功率谱密度(W/Hz);Gxy(f)为不考虑输出噪声时的功率谱密度(W/Hz)。

一般情况下，压力钢管的振动与伸缩节的振动被看作平稳随机过程，不考虑输出噪声影响时的传递函数为

(4)

式中H1(f)为不考虑输出噪声影响时的传递函数。

考虑输出噪声影响时的传递函数为

(5)

式中H2(f)为考虑输出噪声影响时的传递函数。

由式(4)和式(5)可以看出，两者的计算结果是不同的，前者没有考虑输出噪声的影响，而后者同时考虑输入输出噪声的影响。

式(4)、式(5)传递函数的主频就是它们之间振动传递的共振频率，主频处的幅值即为信号的放大倍数。

可用一个新的函数r2(f)来表征两者之间的计算差异，定义为相关函数的表达式为

(6)

对于一个单输入和单输出的常系数线性系统来说，在理想的情况下，相关系数=1；但实际情况下，压力钢管及伸缩节之间的振动信号传递关系存在非线性，以及外界的干扰噪声的影响，相关系数一般总是<1。当相关系数<0.3时，认为响应信号与输入信号之间的传递关系是不相关的。根据相关函数分析，得到相关参数如共振频率、放大系数及阻尼比等，为进一步研究压力钢管的振动对伸缩节的影响奠定基础。

5 结 语

压力钢管运行安全监测系统的应用，既对发电企业的安全管理及现场的人员生命和财产安全具有重要的意义,又可以提高工作效率，产生一定的经济效益，对社会的经济发展添砖加瓦。

本系统对以往的压力钢管安全监测系统进行了改进和完善，使之更加科学化和智能化，以期为压力钢管安全运行监测工作提供参考依据。

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