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水輪機空化監(jiān)測與分析系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種電力系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測，即水輪機空化監(jiān)測與分析系統(tǒng)。一種水輪機空化監(jiān)測與分析系統(tǒng)，包括：現(xiàn)地測量層：由振動加速度傳感器和聲發(fā)射傳感器組成。采用振動加速度傳感器拾取4－20kHz空化信號，采用聲發(fā)射傳感器拾取20－200kHz空化信號。傳感器安裝在最易發(fā)生空化空蝕的水輪機水車室內(nèi)的導(dǎo)葉連桿拐臂套筒、支持蓋或尾水管檢修門區(qū)域。信號預(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：包括計算機。采用振動加速度和聲發(fā)射傳感器探測水輪機空化發(fā)生時產(chǎn)生的聲信號，選取水輪機導(dǎo)葉拐臂、下環(huán)和尾水管三個空化測量較好的位置進行檢測，靈敏度高。
【專利說明】水輪機空化監(jiān)測與分析系統(tǒng)
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本實用新型涉及一種電力系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測，即水輪機空化監(jiān)測與分析系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，水輪機是水力發(fā)電機組中的關(guān)鍵設(shè)備。當(dāng)水輪機發(fā)生空化時，會產(chǎn)生數(shù)量不等的氣泡，氣泡隨著水流運動到高壓區(qū)時會潰滅，同時產(chǎn)生高頻脈沖波，輻射空化噪聲，引起介質(zhì)壓力脈動，并誘發(fā)機械結(jié)構(gòu)振動。空化空蝕是水輪機運行過程中不可避免的一種破壞現(xiàn)象，是導(dǎo)致水輪機運行效率下降、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，其破壞更加強烈，會嚴(yán)重影響機組穩(wěn)定運行和效率，是水輪機檢修周期的一個決定性因素?？栈O(jiān)測的研究已成為當(dāng)前水電機組狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的難點與熱點問題之一，受到了業(yè)內(nèi)學(xué)者的極大關(guān)注。
[0004]水輪機中的空化型態(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:(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，間隙空蝕可能會引起機件破壞，對水輪機效率也有一定的影響，但最為常見且危害較大的是翼型空蝕和空腔空蝕，它們不僅會損壞水輪機部件，而且會使水輪機出力和效率下降，甚至引起機組的強烈振動和不穩(wěn)定運行。一般而言，混流式水輪機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)槳式水輪機以間隙空化較多。
[0005]從以往的研究來看，目前的水輪機空化空蝕監(jiān)測系統(tǒng)中，振動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)用時還存在一些不足，主要表現(xiàn)在監(jiān)測手段單一以及測試系統(tǒng)的頻段不夠?qū)?。以往研究中往往采用單一類型的傳感器監(jiān)測空化，這種監(jiān)測模式無法滿足其寬頻特性的。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型的目的是針對上述不足而提供一種利于水輪機狀態(tài)檢修的水輪機空化監(jiān)測與分析系統(tǒng)。
[0007]本實用新型的技術(shù)解決方案是:一種水輪機空化監(jiān)測與分析系統(tǒng)，包括:
[0008]現(xiàn)地測量層:由振動加速度傳感器和聲發(fā)射傳感器組成。采用振動加速度傳感器拾取4 一 20kHz空化信號，采用聲發(fā)射傳感器拾取20 - 200kHz空化信號。傳感器安裝在最易發(fā)生空化空蝕的水輪機水車室內(nèi)的導(dǎo)葉連桿拐臂套筒、支持蓋或尾水管檢修門區(qū)域。
[0009]信號預(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:包括計算機。
[0011]各層之間通過信號線連接。系統(tǒng)采用高屏蔽性的雙絞線傳送信號。
[0012]空化信號的監(jiān)測就是測量空泡潰滅時產(chǎn)生的高頻脈沖波、微射流及由此導(dǎo)致的高頻噪聲信號、介質(zhì)的壓力脈動和機械的結(jié)構(gòu)振動，從測量的信號中提取表征空化的特征值，并建立空化特征值與空化強度的對應(yīng)關(guān)系，通過監(jiān)測測量信號中各特征值的變化來判斷空化的發(fā)生和發(fā)展，從而達到監(jiān)測空化的目的。
[0013]超聲波法:超聲波法是利用水輪機空化過程中所伴隨產(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，探明他們之間的內(nèi)在聯(lián)系的一種方法。用此方法測量空化特性，主要是測量與計算表征聲學(xué)方面特征的參數(shù)，最主要的是聲強這個參數(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)能將聲能線性轉(zhuǎn)換成電壓信號，比較適合監(jiān)測空化空蝕信號的高頻分量。在監(jiān)測水輪機更高頻段的空化空蝕聲信號，尤其是監(jiān)測空化初生的聲信號，超聲波傳感器更為可靠。
[0014]振動測試法:水輪機發(fā)生空化時，不僅會使機組運行噪聲增強，還會引起機組的振動，因此，測試機組高頻振動也是水輪機空化測試的最重要方法之一?？张轁绲乃查g會輻射沖量很大的高頻機械振蕩沖擊力，這種聲波屬于脈沖性的，因此，一定程度上采用振動加速度計測量沖擊力產(chǎn)生的加速度更為合適。通過加速度傳感器拾取空化振動信號，再由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到計算機進行分析處理，分別提取時域、頻域的特征信號，再根據(jù)這些特征值的屬性，可判斷水輪機的空化空蝕的發(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。由于振動加速度是通過水輪機機構(gòu)傳遞的，因此，通過振動加速度傳感器測試的信號基本上可以反映水輪機的空化的真實情況，總的趨勢是空化空蝕越嚴(yán)重，所測得的振動加速度值越大。由于振動加速度傳感器的感應(yīng)頻率范圍與其靈敏度是一對矛盾，往往限制了其在更高頻段的空化空蝕信號測試的應(yīng)用，因此，目前振動加速度傳感器一般用于水輪機的空化空蝕低頻段信號的測試，尤其是在可聞聽頻段的空化測試。在水輪機空化空蝕實際測試現(xiàn)場，可將振動加速度傳感器直接安裝水車室的導(dǎo)葉拐臂套筒、支持蓋或者下水導(dǎo)等處，但此處監(jiān)測的信號由于受環(huán)境因素的影響以及傳播損耗，其信號的可用性和可信性必然受到影響，需要后續(xù)信號處理提取空化的真實信號。
[0015]主要功能:1、信號采樣、記錄和回放。2、空化狀態(tài)在線監(jiān)視，了解機組空化性能，監(jiān)測空化性能的變化。3、分析空化隨著負(fù)荷的變化。4、分析空化隨著時間的變化曲線。
[0016]本實用新型的優(yōu)點是:1、本裝置采用了基于振動和聲發(fā)射多維融合的空化監(jiān)測技術(shù)，綜合了振動加速度和聲發(fā)射傳感器的優(yōu)勢，采用振動加速度和聲發(fā)射傳感器探測水輪機空化發(fā)生時產(chǎn)生的聲信號，包括可聞聲信號和超聲波聲信號。開發(fā)的水輪機空化監(jiān)測與分析系統(tǒng)適用于水輪機空化狀態(tài)的長期在線實時監(jiān)測，通過真機不同負(fù)荷下的空化噪聲圖譜分析，為真機運行識別空化發(fā)生提供樣本；根據(jù)水輪機空化聲信號頻譜及空化聲信號強度隨著空化程度的變化特性區(qū)分故障類型和評估空化故障程度；根據(jù)多點易發(fā)生空化空蝕的區(qū)域空化信號強度分析判定故障發(fā)生區(qū)域；并對機組長期運行提供空化狀態(tài)趨勢評估，為真機空化狀態(tài)的合理評價提供依據(jù)。2、選取水輪機導(dǎo)葉拐臂、下環(huán)和尾水管三個空化測量較好的位置進行檢測，靈敏度高。
[0017]下面將結(jié)合附圖對本實用新型的實施方式作進一步詳細(xì)描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型組成示意圖。
[0019]【具體實施方式】
[0020]參見圖1，水輪機空化監(jiān)測與分析系統(tǒng)由現(xiàn)地測量層、信號預(yù)處理層和數(shù)據(jù)處理及分析層三部分組成。
[0021]現(xiàn)地測量層:由振動加速度傳感器和聲發(fā)射傳感器組成。
[0022]信號預(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:包括計算機。
[0024]各層之間通過信號線連接。
[0025]采用振動加速度傳感器拾取4 - 20kHz空化信號，采用聲發(fā)射傳感器拾取20 —200kHz空化信號。
[0026]現(xiàn)地測量層:由振動加速度和聲發(fā)射傳感器組成?？删_拾取空化發(fā)生時4-20kHz可聞聲信號和50-200kHz超聲信號。聲發(fā)射傳感器由于其監(jiān)測頻譜極寬，定向性好、穿透能力強，滿足空化聲信號的超高頻段的測試要求，尤其是對初生空化的監(jiān)測，其具有不可替代的優(yōu)勢。由于水輪機空化信號頻率較寬，既有超聲頻段也有可聞頻段，且在可聞頻段的相當(dāng)高頻部位，振動加速度傳感器非常適合監(jiān)測空化的可聞頻段聲信號。
[0027]信號預(yù)處理層:由放大、保持、接線端子、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:采用振動加速度進行水輪機空化在線監(jiān)測，加速度計抗干擾能力強，安裝方便，對高頻空化信號的頻率響應(yīng)特性好；而為了對空化過程中輻射出的超聲波信號進行監(jiān)測，可采用聲發(fā)射傳感器，該傳感器監(jiān)測頻帶較寬，幾十kHz~幾百kHz，這個頻段很難由機械振動等低頻聲源產(chǎn)生，可以說是主要由空化產(chǎn)生的，避免了背景噪聲的干擾。本項目選擇了振動加速度和聲發(fā)射兩類傳感器進行空化在線監(jiān)測裝置。
[0030]在綜合考慮傳感器的頻率范圍以及可靠性的情況下，項目選用了美國物理聲學(xué)公司高品質(zhì)進口傳感器，以保證拾取的空化聲信號的準(zhǔn)確性，傳感器主要參數(shù)如下。
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種水輪機空化監(jiān)測與分析系統(tǒng)，其特征在于包括: 現(xiàn)地測量層:由振動加速度傳感器和聲發(fā)射傳感器組成； 信號預(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:包括計算機； 各層之間通過信號線連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的水輪機空化監(jiān)測與分析系統(tǒng)，其特征在于振動加速度傳感器拾取4 一 20kHz空化信號；聲發(fā)射傳感器拾取20 - 200kHz空化信號。
【文檔編號】G01M99/00GK203629869SQ201320844845
【公開日】2014年6月4日 申請日期: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 申請人:太平灣發(fā)電廠, 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司