大型水轮机空化在线监测与分析——方法及应用研究

摘要

空蚀是破坏水轮机设备、降低水轮机效率的主要因素，在水轮机运行中难以避免。人们较早就开始了对空化空蚀进行研究，但由于水轮机中的空化空蚀问题本身复杂、牵涉多个学科，一直是人们研究的热点与难点。在对当前空化研究现状和发展趋势广泛调研的基础上，结合葛洲坝电厂大型轴流转桨式水轮机的特点，通过理论与实践相结合，开展了水轮机空化在线监测与分析方法研究。 在对国内外水轮机空化空蚀研究成果全面综述的基础上，总结了轴流转桨式水轮机空化空蚀机理、类型和发生部位，分析了空化空蚀的影响因素及其外在特性，根据在线监测实时性、可靠性和无损性的要求，充分借鉴现有监测方法，在与机组运行工况关联的基础上，确定采用声波探测方法在线监测水轮机空化状态，同步监测空化超声波和噪声，有利于及时准确地评估空化状态；根据水轮机结构、空化源、水流稳定性、传感器信号接收特性以及传感器安装的方便性与可靠性，对传感器进行了精心地布置；并结合传感器特性、信号传输和现场应用，设计了一种高可靠性可编程信号调理器，与传统的信号调理器相比，具有带宽可编程选择、放大倍数可灵活调整、可靠性高等优点。 传统监测系统仅进行了信号采集和信号特征量提取，主要依靠离线分析方法进行水轮机状态评估。根据水轮机系统构成及其行为关系模型，结合现场试验规程和专家经验，将机组正常运行过程视为试验过程：在机组正常运行过程中，自动辨识运行工况，模拟人工试验，利用“记忆”功能自动进行性能变化趋势分析；并对各种工况下机组运行时间进行了统计，为优化机组运行提供依据；此外，结合葛洲坝电厂机组特点，研究了综合空化强度的计算方法，间接反映水轮机空蚀水平，并在现有研究的基础上，阐明了空蚀水平评估中应注意的问题。 针对葛洲坝电厂监测需求，设计并开发了基于声波探测的水轮机空化在线监测与分析系统，包括现地单元和移动工作站。现地单元对水轮机空化状态进行在线监测与分析，而移动工作站是便于用户离线数据分析以及设置与操作现地单元的平台。 鉴于机组运行工况对水轮机空化的影响，为了在减少冗余度条件下捕获全面的水轮机状态信息，提出了自适应数据采集和存储机制，采集周期随机组运行工况的变化而变化，数据存储中同时考虑了机组运行工况和信号指标量变化；为了保证数据可靠性，对传感器状态进行了检测；采用了工况同步与时钟同步技术，以便准确地开展机组状态综合分析与评估。 为建立水轮机空化信号特征知识库，结合水轮机失效模式和空化影响因素，设计并开展了水轮机模型试验和现场试验；深入研究了基于小波包分解的频带分析技术，结合水轮机空化信号的特点，归纳了适合于空化信号分析的小波基函数应具有的特点，提出了区域小波包分解方式，提高了计算效率，并将该技术成功应用于模型试验结果分析，获取了空化信号时域幅值调制特性和频域能量分布特性随空化系数变化的关系；通过现场试验结果分析，提取了空化声信号特征波形，分析了机组运行时间对水轮机空化的影响。 经过系统长期在线运行，获取了大量的水轮机空化特征知识，分析了水轮机空化随有功、水头变化特性以及特定工况下水轮机空蚀随机组运行时间的变化特性，并利用模型试验的分析结果成功解释了其中的一些现象。 自2005年10月份以来，基于声波探测的水轮机空化在线监测与分析系统先后在葛洲坝电厂6台机组成功应用，已初具规模，监测和分析结果很好地描述了水轮机空化状态，为优化水轮机运行、指导水轮机状态检修提供了有力的依据，对于促进水轮机空蚀研究有着十分重要的现实意义。