水輪發(fā)電機(jī)組汽蝕簡(jiǎn)介及汽蝕在線監(jiān)測(cè)
【摘要】水輪發(fā)電機(jī)組汽蝕是影響水輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行和機(jī)組壽命的主要故障，本文簡(jiǎn)述了水輪發(fā)電機(jī)組汽蝕的現(xiàn)象，介紹了美國O.R.E公司CMS 汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水電廠的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】 水輪發(fā)電機(jī)組 汽蝕 監(jiān)測(cè) 汽化 噪聲 振動(dòng)
一、前言
隨著水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的提高以及水輪發(fā)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中所占的比重越來越大，如何確保大型機(jī)組的可靠和穩(wěn)定運(yùn)行，已成為電力業(yè)一個(gè)極為關(guān)注的問題。汽蝕是水輪機(jī)運(yùn)行中最為常見的故障之一，嚴(yán)重時(shí)的它直接危及到機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組汽蝕進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是十分必要的。美國O.R.E公司CMS汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以提供水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪受汽蝕程度的在線監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)使用DSP（數(shù)字、信號(hào)處理）技術(shù)來監(jiān)測(cè)汽蝕噪聲，并實(shí)時(shí)顯示汽蝕的開始和相應(yīng)的汽蝕強(qiáng)度，不斷測(cè)量并累計(jì)汽蝕的損害程度。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，可以對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化，如果將CMS數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)輪實(shí)際維護(hù)的歷史數(shù)據(jù)相互對(duì)照，則該系統(tǒng)可對(duì)檢修周期提供技術(shù)參考依據(jù)。本文闡述了汽蝕現(xiàn)象和成因，分析了在線汽蝕檢測(cè)的原理，并結(jié)合CMS汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在白山電廠的應(yīng)用對(duì)汽蝕的檢查和評(píng)定做了進(jìn)一步的討論。
二、汽蝕現(xiàn)象
水輪機(jī)的工作介質(zhì)是液體。水流流速在水輪機(jī)中各點(diǎn)大小不同，進(jìn)而引起壓力高低不同，當(dāng)某點(diǎn)的壓力達(dá)到（或低于）該溫度下水的汽化壓力時(shí)，水就開始局部汽化產(chǎn)生大量汽泡，同時(shí)水體中存在的許多眼看不見的氣核體積驟然增大也形成可見氣泡，這些氣泡隨著水流進(jìn)入高壓區(qū)（壓力高于汽化壓力）時(shí)，氣泡瞬時(shí)破滅，由于汽泡中心壓力較低，氣泡周圍的水質(zhì)點(diǎn)將以很高的速度向汽泡中心撞擊形成巨大的壓力（可達(dá)幾百甚至上千個(gè)大氣壓力），并以很高的頻率沖擊金屬表面，高頻率沖擊的結(jié)果，使水輪機(jī)過流部件的金屬表面產(chǎn)生破壞，這一系列的現(xiàn)象就稱為汽蝕現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱汽蝕。在發(fā)生汽蝕過程，水輪機(jī)部件被高壓水反復(fù)沖擊而產(chǎn)生大量的熱量，在不受沖擊的部位溫度較低，這樣部件表面存在局部溫差，在晶粒中形成熱電偶，冷熱端間存在著電位差，在材料中有電流產(chǎn)生，引起熱電效應(yīng)，對(duì)金屬表面產(chǎn)生電解作用，形成電化學(xué)腐蝕。金屬表面因電解作用而發(fā)暗變毛糙，加速了機(jī)械作用的破壞。當(dāng)汽泡在高壓區(qū)受壓縮時(shí)體積縮小而溫度升高，再加上水錘對(duì)金屬表面的沖擊使得金屬材料的表面局部出現(xiàn)高溫，這是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的主要原因。據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在汽泡凝結(jié)時(shí)局部溫升可達(dá)幾百攝氏度，這種高溫高壓促進(jìn)了汽泡對(duì)金屬材料表面局部加熱到熔點(diǎn)或使其局部強(qiáng)度降低而產(chǎn)生破壞。
三、汽蝕分類
根據(jù)汽蝕發(fā)生的條件，水輪機(jī)中的汽蝕一般可分為下列幾類：
1、翼型（葉型）汽蝕
這是反擊式水輪機(jī)普遍具有的汽蝕現(xiàn)象。水流流經(jīng)葉片時(shí)，在葉片表面形成壓力差，使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)作功。通常葉片的正面是正壓力，而背面是負(fù)壓力，這種負(fù)壓是轉(zhuǎn)輪作功所必須的，但它又造成了產(chǎn)生汽蝕的條件。從理論上講，這個(gè)汽蝕條件可從水輪機(jī)安裝高度上加以解決，所以葉型汽蝕的產(chǎn)生的主要原因是由于轉(zhuǎn)輪葉片制造中不符合模型要求而引起的。在運(yùn)行中由于運(yùn)行工況不良也會(huì)引起葉型汽蝕。
2、間隙汽蝕
在導(dǎo)葉下端面間隙處，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)導(dǎo)葉與導(dǎo)葉立面間隙處，以及轉(zhuǎn)輪止漏裝置間隙處，當(dāng)水流通過這些較小的間隙時(shí)，流速產(chǎn)生局部增高和壓力降低因而產(chǎn)生汽蝕，這種現(xiàn)象稱為間隙汽蝕。當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)葉開度較小，局部流速增高，壓力降低，很容易產(chǎn)生間隙汽蝕。
3、空腔汽蝕
所謂空腔汽蝕，就是在非最優(yōu)工況時(shí)，水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成一種對(duì)稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和壓力脈動(dòng)，在尾水管進(jìn)口處產(chǎn)生汽蝕破壞，造成尾水管振動(dòng)?？涨黄g通常發(fā)生在尾水管壁。
4、局部氣蝕
水輪機(jī)過流部件局部凸凹不平時(shí)，引起局部壓力降低形成局部氣蝕。局部氣蝕主要發(fā)生在轉(zhuǎn)輪室聯(lián)接處、葉片固定螺釘及密封螺釘處?；炝魇剿啓C(jī)則是轉(zhuǎn)輪上冠泄水孔后面。
以上汽蝕最普遍、危害最大的是翼型（葉型）汽蝕，他造成電站機(jī)組的經(jīng)常檢修，空腔汽蝕危害也很大，但不象葉型汽蝕那樣普遍。所以，在實(shí)際的應(yīng)用中，翼型（葉型）汽蝕監(jiān)測(cè)是關(guān)鍵。
水輪機(jī)產(chǎn)生汽蝕時(shí)，破壞轉(zhuǎn)輪，使水輪機(jī)效率降低和出力不穩(wěn)。因此在水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)盡量設(shè)法消除汽蝕。
四、CMS汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
1、汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能
1.1、汽蝕判別
當(dāng)翼型（葉型）汽蝕現(xiàn)象存在時(shí)，我們?cè)谄g信號(hào)的頻譜的葉片通頻(BPF)或主軸通頻(1X)位置上可以看到尖峰存在，見圖1。這兩個(gè)頻率分量的大小反映了翼型（葉型）汽蝕的強(qiáng)度，其相對(duì)與背景噪聲的差值反映了翼型（葉型）汽蝕的相對(duì)強(qiáng)度。作為其它類型的汽蝕現(xiàn)象，也可以通過頻譜在相應(yīng)頻率上的分量來評(píng)估其危害程度。
1.2、描繪機(jī)組汽蝕曲線
當(dāng)對(duì)一個(gè)給定的機(jī)組運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的各個(gè)點(diǎn)測(cè)量了汽蝕之后，就可以生成汽蝕-負(fù)荷或汽蝕-導(dǎo)葉開度曲線。根據(jù)這個(gè)曲線即汽蝕映射圖，我們就可以區(qū)分汽蝕的輕度（可接受）區(qū)段、中度區(qū)段和嚴(yán)重區(qū)段。
1.3、汽蝕棒圖顯示
基于以上三個(gè)區(qū)段的定義，在線方式所需的警告和報(bào)警值就可以建立起來。葉片通過調(diào)制電平被表示成三種顏色的棒。其中，綠色代表輕度（可接受）區(qū)段，黃色代表中度區(qū)段，紅色代表嚴(yán)重汽蝕區(qū)段。如果安裝了可選繼電器、模擬量輸出，繼電器也會(huì)相應(yīng)動(dòng)作、模擬量輸出相應(yīng)的數(shù)值。
1.4、汽蝕量積分累計(jì)（匯總）
當(dāng)汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以在線方式運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將測(cè)量的汽蝕數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間做積分。積分的結(jié)果代表了汽蝕的相對(duì)損害量。之所以說是相對(duì)量，是因?yàn)樗皇菣C(jī)組的絕對(duì)失重質(zhì)量，但這個(gè)相對(duì)量與轉(zhuǎn)輪葉片的絕對(duì)失重成正比，對(duì)確定轉(zhuǎn)輪的當(dāng)前狀況非常有用。根據(jù)轉(zhuǎn)輪的實(shí)際失重來校準(zhǔn)這個(gè)相對(duì)值來形成一個(gè)定量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即計(jì)算出比例常數(shù)，對(duì)計(jì)劃檢修非常有益。
2、CMS汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理
CMS汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于水輪機(jī)高頻汽蝕以葉片通過頻率或主軸通過頻率被調(diào)制的理論，以全波整流頻譜分析的方法確定汽蝕的產(chǎn)生和汽蝕的嚴(yán)重程度。
汽泡的形成和爆裂是由轉(zhuǎn)輪葉片周圍的不穩(wěn)定水流引起的。汽蝕強(qiáng)度在轉(zhuǎn)輪的一個(gè)周波內(nèi)變化，但每個(gè)周波是重復(fù)的。高頻汽蝕噪聲的幅值就會(huì)以葉片通過頻率或主軸通過頻率被調(diào)制。
加速度傳感器被連接在水輪機(jī)連桿上，比較典型的地方是導(dǎo)葉拐臂，用以測(cè)量汽蝕產(chǎn)生高頻振動(dòng)噪聲。CMS汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)過濾波、解調(diào)和頻譜分析，從輸入信號(hào)中檢測(cè)出汽蝕的產(chǎn)生和產(chǎn)生汽蝕的嚴(yán)重程度。好幾個(gè)頻譜經(jīng)過平均得出結(jié)果。譜線在葉片通過頻率（BPF）處的值（汽蝕強(qiáng)度）被定量地表達(dá)為葉片通過調(diào)制電平（BPML）。CMS系統(tǒng)配置圖如圖2。
3、CMS汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
汽蝕監(jiān)測(cè)采用加速度傳感器，加速度傳感器體積很小安裝在靠近水輪機(jī)的地方。加速度傳感器記錄振動(dòng)噪聲并將信號(hào)按比例加速放大輸出（dB/g）。加速度傳感器的典型安裝位置是導(dǎo)葉連桿，同時(shí)為了避免引入干擾和信號(hào)失真?zhèn)鞲衅麟娫春头糯笃饕簿徒惭b，見圖3。在開發(fā)CMS的過程中，加速度傳感器被安裝在水輪機(jī)的不同位置進(jìn)行測(cè)試，包括導(dǎo)葉連桿、下導(dǎo)軸承座、尾水入口和渦殼入口等。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)葉連桿處的安裝時(shí)，腐蝕強(qiáng)度與汽蝕的相關(guān)性總是得到充分體現(xiàn)。
圖3 加速度傳感器安裝連接圖
在實(shí)際的汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，原始的傳感器信號(hào)經(jīng)過7930放大后接入7915，在此，信號(hào)經(jīng)過10~20KHz的濾波后放大，再進(jìn)行全波整流，然后再放大，最后通過傅立葉變換生成噪音強(qiáng)度（dB/g）-頻率曲線(Hz)。原理框圖如圖4。
圖4 CMS原理框圖
以葉片通頻率調(diào)制的噪聲譜線的振幅用葉片通過調(diào)制電平（BPML）來定義。頻率為葉片通過頻率（BPF）的譜線上的一個(gè)尖峰代表了在轉(zhuǎn)輪或葉片上產(chǎn)生了汽蝕；而為主軸通頻（SPF）或稍低頻率的譜線上的一個(gè)尖峰往往代表翼形汽蝕。葉片通過調(diào)制電平（BPML）信號(hào)出現(xiàn)高于寬帶振動(dòng)噪聲3-5dB的點(diǎn)時(shí)，我們就可以說汽蝕發(fā)生了。BPML與噪聲輻射能量成對(duì)數(shù)關(guān)系，
即：BPML=10·lg(W/W0）（10·BPML/10 ∝ πrad）
其中：W：聲功率（聲源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的總功率）
W0：基準(zhǔn)聲功率=10-12瓦
這樣，BPML每增加10dB就會(huì)引起噪聲輻射能量的10倍增加（可以認(rèn)為造成了相當(dāng)量級(jí)汽蝕破壞），例如，BPML增加了20dB，則相應(yīng)的能量增加100倍，通過圖5中實(shí)際監(jiān)測(cè)的頻譜結(jié)果可以看出，在葉片通頻處（虛線指示的位置）可以看到尖峰的存在，且大于背景噪聲近10dB，說明發(fā)生了有較強(qiáng)危害的汽蝕現(xiàn)象存在。
圖5 實(shí)際監(jiān)測(cè)的頻譜結(jié)果
綜上所述，水輪機(jī)汽蝕降低了水輪機(jī)出力和效率，影響水輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行和機(jī)組壽命。對(duì)水輪機(jī)汽蝕及時(shí)進(jìn)行故障診斷，有利于提高水輪發(fā)電機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，可以為我國的水電生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在線汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CMS）通過水輪機(jī)的聲波輻射來監(jiān)測(cè)腐蝕情況，確定轉(zhuǎn)輪上所產(chǎn)生的腐蝕強(qiáng)度。當(dāng)采用永久（在線）監(jiān)測(cè)模式時(shí)，系統(tǒng)不斷測(cè)量并累計(jì)汽蝕的損害強(qiáng)度。如果將CMS數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)輪實(shí)際維護(hù)的歷史數(shù)據(jù)相互參照，則該系統(tǒng)可被用來預(yù)定維護(hù)計(jì)劃（包括停機(jī)檢修）。
本文標(biāo)簽：水輪發(fā)電機(jī)組汽蝕簡(jiǎn)介及汽蝕在線監(jiān)測(cè)
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