[实用新型]水轮机空化监测与分析系统

说明书

技术领域　

本实用新型涉及一种电力系统设备监测，即水轮机空化监测与分析系统。

背景技术

在现有技术中，水轮机是水力发电机组中的关键设备。当水轮机发生空化时，会产生数量不等的气泡，气泡随着水流运动到高压区时会溃灭，同时产生高频脉冲波，辐射空化噪声，引起介质压力脉动，并诱发机械结构振动。空化空蚀是水轮机运行过程中不可避免的一种破坏现象，是导致水轮机运行效率下降、结构破坏以及使用寿命缩短的主要因素之一，尤其在泥沙磨损的联合作用下，其破坏更加强烈，会严重影响机组稳定运行和效率，是水轮机检修周期的一个决定性因素。空化监测的研究已成为当前水电机组状态监测领域的难点与热点问题之一，受到了业内学者的极大关注。

水轮机中的空化型态有游移型空化、固定型空化和漩涡型空化。通常按空化发生的部位将其分为以下四类：（1）叶型（翼型）空蚀。（2）空腔空蚀。（3）间隙空蚀。（4）其他局部脱流引起的空蚀。以上四种空蚀，间隙空蚀可能会引起机件破坏，对水轮机效率也有一定的影响，但最为常见且危害较大的是翼型空蚀和空腔空蚀，它们不仅会损坏水轮机部件，而且会使水轮机出力和效率下降，甚至引起机组的强烈振动和不稳定运行。一般而言，混流式水轮机的空化空蚀主要是翼型空化空蚀，而间隙和局部空化空蚀是次要的；而转桨式水轮机以间隙空化较多。

从以往的研究来看，目前的水轮机空化空蚀监测系统中，振动加速度传感器以及超声波传感器是两大主流传感器。但在应用时还存在一些不足，主要表现在监测手段单一以及测试系统的频段不够宽。以往研究中往往采用单一类型的传感器监测空化，这种监测模式无法满足其宽频特性的。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述不足而提供一种利于水轮机状态检修的水轮机空化监测与分析系统。

本实用新型的技术解决方案是：一种水轮机空化监测与分析系统，包括：

现地测量层：由振动加速度传感器和声发射传感器组成。采用振动加速度传感器拾取4－20kHz空化信号，采用声发射传感器拾取20－200kHz空化信号。传感器安装在最易发生空化空蚀的水轮机水车室内的导叶连杆拐臂套筒、支持盖或尾水管检修门区域。 

信号预处理层：包括放大器、隔离器、空化数据采集器。 

数据处理及分析层：包括计算机。

各层之间通过信号线连接。系统采用高屏蔽性的双绞线传送信号。

空化信号的监测就是测量空泡溃灭时产生的高频脉冲波、微射流及由此导致的高频噪声信号、介质的压力脉动和机械的结构振动，从测量的信号中提取表征空化的特征值，并建立空化特征值与空化强度的对应关系，通过监测测量信号中各特征值的变化来判断空化的发生和发展，从而达到监测空化的目的。

超声波法：超声波法是利用水轮机空化过程中所伴随产生的声学方面的一些特征，将空化现象与这些声学特征联系起来，探明他们之间的内在联系的一种方法。用此方法测量空化特性，主要是测量与计算表征声学方面特征的参数，最主要的是声强这个参数。超声波传感器使用压电换能器，具有较宽的频率响应特性，定向性能好，受背景噪声干扰少，在一定的频段范围内能将声能线性转换成电压信号，比较适合监测空化空蚀信号的高频分量。在监测水轮机更高频段的空化空蚀声信号，尤其是监测空化初生的声信号，超声波传感器更为可靠。

振动测试法：水轮机发生空化时，不仅会使机组运行噪声增强，还会引起机组的振动，因此，测试机组高频振动也是水轮机空化测试的最重要方法之一。空泡溃灭的瞬间会辐射冲量很大的高频机械振荡冲击力，这种声波属于脉冲性的，因此，一定程度上采用振动加速度计测量冲击力产生的加速度更为合适。通过加速度传感器拾取空化振动信号，再由数据采集系统采集到计算机进行分析处理，分别提取时域、频域的特征信号，再根据这些特征值的属性，可判断水轮机的空化空蚀的发生、发展以及严重程度，一定程度上还可预估空蚀的程度。由于振动加速度是通过水轮机机构传递的，因此，通过振动加速度传感器测试的信号基本上可以反映水轮机的空化的真实情况，总的趋势是空化空蚀越严重，所测得的振动加速度值越大。由于振动加速度传感器的感应频率范围与其灵敏度是一对矛盾，往往限制了其在更高频段的空化空蚀信号测试的应用，因此，目前振动加速度传感器一般用于水轮机的空化空蚀低频段信号的测试，尤其是在可闻听频段的空化测试。在水轮机空化空蚀实际测试现场，可将振动加速度传感器直接安装水车室的导叶拐臂套筒、支持盖或者下水导等处，但此处监测的信号由于受环境因素的影响以及传播损耗，其信号的可用性和可信性必然受到影响，需要后续信号处理提取空化的真实信号。