水輪機(jī)壓力脈動監(jiān)測系統(tǒng)在某水電站的應(yīng)用

肖東來 竇學(xué)剛 石培 楊武

【摘要】尾水管壓力脈動是影響水輪機(jī)運(yùn)行工況的重要因素之一。在水輪機(jī)運(yùn)行過程中，利用各種動態(tài)測試儀器監(jiān)測、記錄并分析水輪機(jī)尾水管的壓力脈動信號，指導(dǎo)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的控制。

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī)；壓力脈動監(jiān)測系統(tǒng)；穩(wěn)定運(yùn)行

引言

尾水管壓力脈動是導(dǎo)致水電機(jī)組振動的主要原因之一，特別是混流式機(jī)組，因在非最優(yōu)工況運(yùn)行時存在周向速度分量，在尾水管中不可避免出現(xiàn)低頻渦帶脈動，脈動傳至各過流部件引起機(jī)組振動，壓力脈動過大還會引起水輪機(jī)和廠房結(jié)構(gòu)共振、葉片裂紋和斷裂、機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定和軸承損壞等一系列嚴(yán)重后果，因此必須予以重視。

一、水輪機(jī)壓力脈動監(jiān)測系統(tǒng)組成及測點(diǎn)分布

1 壓力脈動監(jiān)測系統(tǒng)的組成

某水電站采用北京華科同安TN8000機(jī)組壓力脈動監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由壓力變送器、壓力脈動采集模塊、智能數(shù)據(jù)采集箱和分析軟件組成，該系統(tǒng)可以通過以態(tài)網(wǎng)絡(luò)與電廠狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成。

壓力脈動信號通過壓力傳感器轉(zhuǎn)換成電信號后通過兩芯屏蔽電纜連接到TN8000系統(tǒng)的壓力脈動輸入接線端，再通過專用的9芯電纜傳送到壓力脈動采集模塊。壓力脈動采集模塊負(fù)責(zé)采集壓力脈動信號，采集方式采用同起點(diǎn)整周期采樣，在任意轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)的采樣頻率均為工頻的256倍頻，最高分析頻率可達(dá)128倍轉(zhuǎn)頻，可保證低頻渦帶頻率的準(zhǔn)確采集。由壓力脈動采集模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號通過總線傳送到系統(tǒng)板，然后進(jìn)行大量的在線信號處理和加工，得到反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的各種特征參數(shù)和部分原始數(shù)據(jù)。壓力脈動監(jiān)測系統(tǒng)的測點(diǎn)分布

根據(jù)國標(biāo)GB/T 17189-1997《水力機(jī)械振動和脈動現(xiàn)場測試規(guī)程》規(guī)定，壓力脈動應(yīng)在下述部位進(jìn)行測量：⑴機(jī)組高壓側(cè)：如鋼管末端（蝸殼進(jìn)口）、蝸殼內(nèi)的其它地方，以及在需要和可能時，在鋼管的某個斷面；⑵尾水管錐段：如需要，也可在擴(kuò)散段或其它部位；⑶與轉(zhuǎn)輪上冠相對的頂蓋內(nèi)表面、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間的空間等。壓力脈動傳感器應(yīng)安裝在：⑴機(jī)組高壓側(cè)流道相應(yīng)位置；⑵尾水管錐段距進(jìn)口為L的-Y方向（對混流式水輪機(jī)，L可取0.4～0.5 D5，D5為尾水管錐管進(jìn)口直徑），對于彎型尾水管，測點(diǎn)可設(shè)在彎段的小半徑側(cè)。另外，壓力脈動在線監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)選取的主要原則就是該位置對穩(wěn)定性傳遞最直接、影響最大的點(diǎn)，而不一定是壓力脈動值最大的點(diǎn)。

2 機(jī)組壓力脈動監(jiān)測系統(tǒng)常用分析方法

目前，壓力脈動最常用的數(shù)據(jù)處理方法有時域分析和頻域分析。

時域分析是把電信號作為時間的函數(shù)來分析的方法，利用示波器可以給出信號的峰值電壓、上升時間和周期等專門信息，此時主要反映電信號的幅度隨時間變化的情況。因此運(yùn)用時域分析方法可以得到壓力脈動信號的平均值（即壓力）、峰峰值（波峰與波谷的距離）、單峰值（最大點(diǎn)到平衡位置之間的距離）等參數(shù)，通過這些參數(shù)可以放映機(jī)組壓力脈動的大小。

頻域分析方法是以頻率為變量來分析電信號的幅度-頻率特性。通常利用頻譜分析儀來觀察信號的頻譜，如：A（t）信號是由一個基波a（t）與一個二次諧波b（t）組成的，再利用濾波法求得它們的幅度值a與b，并顯示在頻率座標(biāo)上得到頻譜A（f），以此給出有關(guān)頻率、諧波、失真、頻率穩(wěn)定度、頻譜純度，寄生信號等專門信息。因此運(yùn)用頻域分析可以完成時域分析所不能完成的頻諧純度、頻譜密度等特性分析，可以得到壓力脈動的頻率成分，明確了哪些頻率成分對壓力脈動有主要影響，有利于分析造成壓力脈動的原因。通過結(jié)合機(jī)組的運(yùn)行工況（主要是有功功率和水頭），還可以通過趨勢分析和瀑布圖（見圖1）分析機(jī)組在各工況下的壓力脈動變化，從而指導(dǎo)機(jī)組避開壓力脈動過大運(yùn)行區(qū)。

除可利用基于負(fù)荷的瀑布圖分析外，某電站壓力脈動監(jiān)測系統(tǒng)還可利用基于時間的瀑布圖，分析機(jī)組在某一時間段內(nèi)相同工況下壓力脈動各頻率成分隨時間的變化規(guī)律，有助于掌握機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行工況下的任何異常變化和發(fā)生事故時分析機(jī)組異常原因；利用級聯(lián)圖顯示機(jī)組在開停機(jī)過程中壓力脈動各種頻率成分的大小的隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢，分析機(jī)組振因是否與轉(zhuǎn)速相關(guān)，以判定是否存在模態(tài)振動；利用連續(xù)波形分析機(jī)組在過渡過程中或機(jī)組出現(xiàn)異常前后各參數(shù)的變化過程，有助于了解機(jī)組過渡過程特性。

二、某水電站機(jī)組壓力脈動監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題

自2012年12月30日某電站投產(chǎn)以來，累計(jì)填報(bào)、記錄壓力脈動監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)缺陷共計(jì)12次，7次因壓力傳感器或其附屬通道損壞導(dǎo)致反饋壓力脈動大報(bào)警、測點(diǎn)顯示為灰色或大幅跳變等故障，3次因采集模塊故障造成通訊中斷報(bào)警故障，2次因投產(chǎn)初期定值設(shè)置不合理而導(dǎo)致報(bào)警，經(jīng)過故障的后期缺陷治理與，某水電站機(jī)組壓力脈動監(jiān)測系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，各部位壓力脈動狀況良好無異常報(bào)警情況。

結(jié)語：

壓力脈動監(jiān)測系統(tǒng)是運(yùn)行值班人員判斷分析并網(wǎng)機(jī)組運(yùn)行可靠性最有力的分析工具，是全面掌握機(jī)組水力特性保障機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段。正確運(yùn)用瀑布圖、級聯(lián)圖、連續(xù)波形圖等多種分析工具，既可以實(shí)時監(jiān)測機(jī)組各部件運(yùn)行狀況，時刻確保機(jī)組狀態(tài)良好，還可以通過對比歷史數(shù)據(jù)檢驗(yàn)機(jī)組的安裝質(zhì)量，評價(jià)機(jī)組檢修效果，最終通過調(diào)整使機(jī)組在最優(yōu)狀況下運(yùn)行。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 付元初 熊海華，水輪發(fā)電機(jī)組振動、擺度、壓力脈動在線監(jiān)測測點(diǎn)配置，水電站機(jī)電技術(shù) 2009 No.04

[2] 張冬生等，從“薩揚(yáng)事故”探究水電機(jī)組實(shí)施狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的重要意義，電子世界，2012 No.23