基于卡普蘭式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

林 家 洋

(福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福州 350800)

0 前 言

近年來由于水口電站下游尾水位的持續(xù)下降，機(jī)組運行水頭增加，水輪機(jī)流道壓力脈動增大，機(jī)組出現(xiàn)了比較明顯的空蝕問題，水輪機(jī)在偏離最優(yōu)工況下，機(jī)組運行工況更加惡劣，先后出現(xiàn)過水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪漏油及進(jìn)水、轉(zhuǎn)輪活塞桿折斷、操作架開裂、預(yù)緊力松弛、轉(zhuǎn)輪室開裂脫落以及泄水錐圍板開裂[1]等重大問題, 這些問題無法早期發(fā)現(xiàn)與預(yù)警，直接影響機(jī)組長期持續(xù)穩(wěn)定運行。為此，提出開展卡普蘭式水輪機(jī)關(guān)鍵部件運行狀態(tài)現(xiàn)場測試研究，通過在真機(jī)上關(guān)鍵部件相關(guān)部位安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器，測量機(jī)組在各種可能運行工況下，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部部件動態(tài)應(yīng)力及應(yīng)變情況，利用試驗過程采集的數(shù)據(jù)，分析其運行過程實際狀態(tài)，判斷產(chǎn)生部件失效原因，為后期提高機(jī)組可靠性改進(jìn)提供技術(shù)支撐。但是由于目前軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水下部件受供電、信號傳輸方面限制，若實現(xiàn)在線監(jiān)測系統(tǒng)，技術(shù)難度大，實用性差或經(jīng)濟(jì)成本過高，本次試驗根據(jù)實際情況，試驗過程設(shè)計一套定時觸發(fā)供電的短期數(shù)據(jù)采集方式，將各種工況下采集的數(shù)據(jù)存在一個存儲卡中，再轉(zhuǎn)移到一套專用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[2]，以此來分析判斷機(jī)組曾經(jīng)出現(xiàn)多次異?，F(xiàn)象。同時，為后續(xù)是否建立在線監(jiān)測系統(tǒng)及如何建立狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提供一種思路。

1 監(jiān)測量與測點布置

1.1 應(yīng)變與應(yīng)力

部件應(yīng)力測試采用電阻應(yīng)變測量法，即通過測量部件應(yīng)變值，經(jīng)計算得到部件的靜應(yīng)力(即平均應(yīng)力)和動態(tài)應(yīng)力。

σ=E·ε

(1)

式中：σ為計算得出的應(yīng)力值，MPa；ε為試驗測得的應(yīng)變值，μm/m；E為材料的彈性模量，可取E=2.1×105MPa；部件的應(yīng)變通過電阻應(yīng)變片與相應(yīng)的電橋測量得到。

電阻應(yīng)變式傳感器有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變式兩種，水力機(jī)械部件應(yīng)力測試中通常選用金屬電阻應(yīng)變片，應(yīng)力的測量部位為活塞桿本體、活塞桿預(yù)緊螺栓、操作架內(nèi)外表面、轉(zhuǎn)臂側(cè)表面以及轉(zhuǎn)轂體內(nèi)表面[3]等。

1.2 關(guān)鍵部件振動

除進(jìn)行應(yīng)變應(yīng)力測試外，還進(jìn)行振動的輔助測量?？紤]到關(guān)鍵部件破壞屬于疲勞破壞，另外，機(jī)組轉(zhuǎn)速為107.1 r/min，對應(yīng)轉(zhuǎn)頻為1.78 Hz，葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻為10.7 Hz，還有傳感器需要進(jìn)行防油防水保護(hù)，因此采用響應(yīng)頻率下限低于0.5Hz的微型壓電型加速度傳感器來測量關(guān)鍵部件的振動。

本試驗的測點布置在水中旋轉(zhuǎn)的輪轂體的油腔內(nèi)，這使得應(yīng)力和振動信號的傳輸以及信號采集儀器和傳感器的供電存在較大的技術(shù)難度。本試驗考慮將采集儀器、供電蓄電池均封裝在一個密封箱內(nèi)，布置于油腔下方的空腔內(nèi)，傳感器供電線和信號線均通過密封的航空插頭與其連接，所有設(shè)備均達(dá)到IP68級防護(hù)要求。

1.3 試驗測點

應(yīng)力與振動測點的布置應(yīng)盡可能地反映關(guān)鍵部件的應(yīng)力狀態(tài)與振動水平，同時也考慮測點布置的難易。本次試驗對操作架、活塞桿及卡環(huán)等上應(yīng)力與振動測點初步布置如表1所示。

表1 傳感器測點布置統(tǒng)計表

從轉(zhuǎn)槳式葉片控制結(jié)構(gòu)來看，活塞桿的疲勞裂紋應(yīng)該與轉(zhuǎn)槳式葉片的受力有關(guān)，相應(yīng)的與轉(zhuǎn)槳式葉片正背面的水壓力及水壓脈動[4]有關(guān)。受條件限制，轉(zhuǎn)槳式葉片正背面的水壓脈動不好測量，只對外圍的壓力脈動量進(jìn)行測量，測點包括頂蓋內(nèi)圓與頂蓋外圓壓力脈動(最好在相隔90°的4個方向均進(jìn)行測量)以及尾水錐管上、下游側(cè)壓力脈動進(jìn)行測試。

對水輪機(jī)關(guān)鍵部件的應(yīng)力與振動、機(jī)組壓力脈動進(jìn)行監(jiān)測的同時，也對機(jī)組的振動與擺度也進(jìn)行監(jiān)測。試驗工況相同，這樣可以更好更全面地了解機(jī)組的性能，并為指導(dǎo)機(jī)組的安全穩(wěn)定運行提供技術(shù)支持。

(1)擺度：上導(dǎo)、推力與水導(dǎo)+X、+Y擺度，用渦流位移傳感器測量。

(2)振動：上機(jī)架水平與垂直振動、頂蓋水平與垂直振動，水導(dǎo)軸承座水平振動，用速度位移傳感器測量。

其他測點包括有功功率、導(dǎo)葉開度、槳葉開度、機(jī)組轉(zhuǎn)速、上游水位與下游水位等。

2 測試系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 測試系統(tǒng)布置

整個測試系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 整個測試系統(tǒng)布置圖

測試系統(tǒng)引線布置應(yīng)盡可能滿足如下要求：

(1)引線盡可能短。

(2)引線布置便于固定與防護(hù)。

(3)引線布置不影響槳葉操作機(jī)構(gòu)的正常使用。

采集儀布置在油腔下方的空腔內(nèi)，這就存在引線從油腔到非油腔的密封過渡，這可使用防水防油的航空密封插頭來實現(xiàn)。如圖2所示。

圖2 密封航空插頭示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

水輪機(jī)關(guān)鍵部件的應(yīng)力與振動數(shù)據(jù)采集選用北京比創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的32通道無線應(yīng)變測量系統(tǒng)，機(jī)組振動、擺度、壓力脈動及工況參數(shù)等采用美國NI 公司的基于CompactDAQ的數(shù)據(jù)采集儀來采集或其他采集儀器采集。試驗時，32通道無線應(yīng)變測量系統(tǒng)將密封置于輪轂體油腔下方的空腔中來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集?？紤]到數(shù)據(jù)的采集無法通過外面的遙控開關(guān)來實現(xiàn)，需要事先對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)控制設(shè)置，數(shù)據(jù)采集流程示意圖如圖3示。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程示意圖

因為無線應(yīng)變測量系統(tǒng)可以上電觸發(fā)采集，本試驗通過兩個歐姆龍數(shù)字定時器H5CX-L8D與蓄電池來控制數(shù)據(jù)的采集。

蓄電池首先對第一個定時器供電如圖4示，定時T1到后，定時器開關(guān)變成常閉狀態(tài)，此時，第二個定時器接通電源，觸發(fā)第二個定時器進(jìn)行預(yù)先設(shè)定好的開關(guān)動作，即常閉t1時間后，再常開t2時間，如此反復(fù)循環(huán)，從而控制試驗數(shù)據(jù)的采集，直到采集卡存滿或蓄電池電壓大幅降低而停止工作。

圖4 蓄電池供電過程示意圖

圖5中T1為儀器調(diào)試完畢后至機(jī)組開機(jī)試驗前的等待時間，這主要包括尾水門封門，尾水沖水，槳葉操作油腔注油等機(jī)組恢復(fù)工作。T1暫定為3 d，開機(jī)試驗時間初步定為某天上午9∶30。t1為采集儀器記錄數(shù)據(jù)時長，初步設(shè)定為6 h，t2為采集儀器停止記錄數(shù)據(jù)時長，初步設(shè)定為18 h(這樣的話，第二天9∶30開始采集數(shù)據(jù))，采集儀器按這種循環(huán)工作，直到采集卡數(shù)據(jù)存滿或電池電壓不夠而停止工作。

圖5 數(shù)據(jù)采集控制效果示意圖

在采集水輪機(jī)關(guān)鍵部件應(yīng)力與振動的同時，用基于CompactDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對機(jī)組振動、擺度、壓力脈動及工況參數(shù)等信號進(jìn)行記錄，如圖6示。

圖6 CompactDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3 測試項目與要求

3.1 試驗準(zhǔn)備

(1)尾水排水，轉(zhuǎn)輪輪轂內(nèi)油腔排油。

(2)打磨、清洗應(yīng)變片與加速度傳感器安裝。

(3)黏貼應(yīng)變片與安裝加速度傳感器，并進(jìn)行相關(guān)防護(hù)及調(diào)試工作。

(4)安裝調(diào)試壓力脈動與振動傳感器及其他外圍測點信號[5]。

(5)進(jìn)行機(jī)組相關(guān)恢復(fù)工作，使機(jī)組具備正式試驗條件。

3.2 項目及步驟

3.2.1 變轉(zhuǎn)速試驗

改變機(jī)組轉(zhuǎn)速依次為40%、60%、80%與100%額定轉(zhuǎn)速，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，進(jìn)行機(jī)組振動與擺度等信號的數(shù)據(jù)采集，采集時長為2 min左右。記錄完成后再進(jìn)行下一工況的調(diào)整與記錄。檢查機(jī)組是否存在動不平衡現(xiàn)象，若存在則對機(jī)組進(jìn)行動平衡配重試驗來減小機(jī)組的擺度與振動。

3.2.2 變勵磁試驗

改變勵磁調(diào)節(jié)器的電流輸出，使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓以20%額定電壓為增量依次調(diào)節(jié)為20%Ue、40%Ue、60%Ue、80%Ue與100%Ue，觀察并待勵磁電流穩(wěn)定后進(jìn)行機(jī)組振動與擺度等信號的數(shù)據(jù)采集，采集時長為兩分鐘左右，記錄完成后再進(jìn)行下一工況的調(diào)整與記錄，直至完成全部5個試驗工況。用來判定機(jī)組是否存在磁拉力不平衡現(xiàn)象。

3.2.3 變負(fù)荷試驗

以10 MW為增量，機(jī)組出力為空載開始做到230 MW(或最大出力)負(fù)荷工況，待試驗工況穩(wěn)定后進(jìn)行兩分鐘試驗數(shù)據(jù)采集記錄，記錄完成后再進(jìn)行下一工況的調(diào)整與記錄。

3.2.4 暫態(tài)過程試驗

該測試主要為了全面了解水輪機(jī)在開機(jī)、停機(jī)、負(fù)荷調(diào)整以及甩負(fù)荷過程中，水輪機(jī)關(guān)鍵部件應(yīng)力與應(yīng)變突變情況， 同時，考慮機(jī)組尾水位下切實際運行情況，同步測試機(jī)組振擺度、水壓力脈動、機(jī)組甩負(fù)荷過程真空度、抬機(jī)量以及壓力上升和轉(zhuǎn)速上升率實際值，通過真機(jī)各種暫態(tài)過程實測數(shù)據(jù)采集，對機(jī)組出現(xiàn)空蝕、部件斷裂以及振動問題開展關(guān)聯(lián)性分析。

3.3 試驗要求

(1)每個工況導(dǎo)葉開度不變，保持穩(wěn)定運行約6 min。

(2)每工況點的測程內(nèi)，功率變化不應(yīng)超過平均值的±1.5%。

(3)每工況點的測程內(nèi)，水頭變化不應(yīng)超過平均值的±1.0%。

(4)每工況點的測程內(nèi)，轉(zhuǎn)速變化不應(yīng)超過平均值的±0.5%。

3.4 試驗數(shù)據(jù)分析處理

試驗結(jié)束，機(jī)組尾水管排水，油腔排油后取出采集儀中的存儲卡，讀取水輪機(jī)關(guān)鍵部件(操作架與活塞桿等)的應(yīng)力與振動試驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理與分析(包括時頻域的分析)。同時，對壓力脈動等信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以及在時頻域?qū)C(jī)組壓力脈動與水輪機(jī)關(guān)鍵部件應(yīng)力與振動開展相關(guān)分析[6]。

由于關(guān)鍵部件的應(yīng)力與振動采集系統(tǒng)與機(jī)組振動、壓力脈動與擺度等的采集系統(tǒng)是兩套系統(tǒng)，存在不同工況數(shù)據(jù)的同步問題，可以通過數(shù)據(jù)采集的時間順序來確定。

4 結(jié) 語

通過開展卡普蘭式水輪機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵部件應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)測試研究，突破常規(guī)試驗方法，設(shè)計水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪應(yīng)力現(xiàn)場測試技術(shù)和測試裝置，能夠更加全面了解和深入研究水輪機(jī)不同工況實時運行狀態(tài)，驗證設(shè)計計算準(zhǔn)確性，估算水輪機(jī)在不同運行條件下的運行壽命，為合理劃分機(jī)組安全可靠運行區(qū)域提供科學(xué)依據(jù)，對轉(zhuǎn)輪運行疲勞壽命預(yù)估以及轉(zhuǎn)輪可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了初步探討，并為今后軸流轉(zhuǎn)輪式水輪機(jī)實現(xiàn)在線監(jiān)測進(jìn)行有力探索。

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