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1 應(yīng)用背景

隨著我國能源政策的調(diào)整，水電在整個電網(wǎng)中的比重不斷增加，水電機(jī)組運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性日益受到重視。全面開展水電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，進(jìn)而實(shí)施水電機(jī)組的“狀態(tài)檢修”已成為水電機(jī)組運(yùn)行保障技術(shù)發(fā)展的必然趨勢[1]。在水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的眾多技術(shù)中，振動監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但是對于水輪機(jī)的空化與空蝕的識別則顯得能力不足。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國水輪機(jī)的空化與空蝕已經(jīng)成為水輪機(jī)損傷的主要原因之一，它會造成水輪機(jī)過流部件破壞加劇、運(yùn)行不穩(wěn)定，進(jìn)而引起性能下降、運(yùn)行效益低、檢修費(fèi)用大。空蝕損傷程度已成為決定是否進(jìn)行大修的關(guān)鍵參數(shù)。因此，進(jìn)行水輪機(jī)空化故障的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究，有助于判斷水輪機(jī)空化是否發(fā)生，有助于了解空化故障的發(fā)展趨勢，對于水輪發(fā)電機(jī)組的安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義[2]。

2 面臨問題

通過數(shù)值計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、模型觀測試驗(yàn)等方法，人們對空化空蝕產(chǎn)生的機(jī)理和外部表現(xiàn)形式有了一定的了解，在利用空化空蝕信號特征進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方面取得了大量的研究成果[3]。通常采用的方法有流量-揚(yáng)程法、噪聲法、壓力脈動法、圖像法等[4-7]。流量-揚(yáng)程法簡單方便，但是具有滯后性，無法診斷初始階段的空化;噪聲法利用振動傳感器或聲壓計(jì)采集水輪機(jī)空化時產(chǎn)生的噪聲，壓力脈動法通過測試并分析水輪機(jī)過流通道壓力脈動來判斷是否發(fā)生空化，它們都容易受外界噪聲干擾，靈敏度不高，傳感器布置與安裝受測量對象和運(yùn)行環(huán)境限制;圖像法直觀，能實(shí)時監(jiān)測，但是對流體介質(zhì)的清潔程度、攝像裝置以及后續(xù)處理提出了極高的要求。所以，在實(shí)際的水輪機(jī)空化監(jiān)測應(yīng)用研究中，它們的效果并不理想。

水輪機(jī)產(chǎn)生空化時，空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波沖擊水輪機(jī)過流部件的壁面，使壁面原子的晶格發(fā)生位錯變形，并最終以彈性波的形式釋放出猝發(fā)能量，從而產(chǎn)生頻率范圍在20kHz～1MHz的高頻聲發(fā)射信號聲發(fā)射波，并通過水力、機(jī)械系統(tǒng)傳播[8]。隨著聲測技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，通過測量和研究空化過程中氣泡潰滅時產(chǎn)生的聲發(fā)射信號作為判斷空化是否發(fā)生及其發(fā)展程度的依據(jù)[9-11]，已受到越來越多的關(guān)注。通過對聲發(fā)射高頻信號的提取與分析，既能克服低頻信號的干擾，又有助于準(zhǔn)確地診斷水輪機(jī)發(fā)生空化的位置和嚴(yán)重程度等[2]。當(dāng)然，這也對采集高頻信號的傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、分析處理方法提出了更高的要求。

3 解決方案

本文擬以LabVIEW 軟件為開發(fā)平臺設(shè)計(jì)出一套集聲發(fā)射信號采集與數(shù)據(jù)處理于一體的、專門服務(wù)于水輪機(jī)空化狀態(tài)監(jiān)測的自動化系統(tǒng)。聲發(fā)射傳感器收集到的聲發(fā)射信號前置放大器調(diào)理后經(jīng)高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入現(xiàn)場工控機(jī)系統(tǒng)。在LabVIEW 平臺下實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)空化狀態(tài)聲發(fā)射信號的數(shù)據(jù)采集、信號處理、狀態(tài)顯示等功能。整個系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 水輪機(jī)空化聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)工作原理圖

3.1 硬件部分

(1) 聲發(fā)射傳感器

選用北京聲華公司生產(chǎn)的SR-150M聲發(fā)射傳感器，如圖2所示。該傳感器由壓電陶瓷材料制成，呈圓柱體，外表由不銹鋼材料所包裹，采用磁吸附的方式固定于被測閥門閥體之上，安裝使用方便簡單、靈敏度高。SR-150M聲發(fā)射傳感器動態(tài)響應(yīng)范圍為60k~400kHz，中心頻率150kHz，峰值靈敏度：> 65dB。

考慮到水輪機(jī)不同位置處的空化聲信號特征可能會不同，將不同編號的傳感器分別安裝到幾個有代表性的位置，如：活動導(dǎo)葉拐臂連桿上，轉(zhuǎn)輪室外與槳葉裙邊等高的位置，以及尾水管檢修進(jìn)人孔外等。

(2) 前置放大器

選用北京聲華公司生產(chǎn)的PAI前置放大器。放大倍數(shù)為40dB，帶通濾波范圍為10KHz~ 2MHz，單端輸入，工作電壓為28V直流電壓。

(3) 高速數(shù)據(jù)采集卡

選用凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀，如圖3所示。該高速數(shù)字化儀能夠提供高精度、低噪音及高動態(tài)范圍性能，高密度且高精準(zhǔn)度，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。主要技術(shù)指標(biāo)有：4通道同步單端模擬輸入，最高采樣頻率為40MS/s，A/D分辨率為16位，輸入范圍為± 5 V 或 ± 1 V、帶512M BSDRAM可供數(shù)據(jù)存儲。

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圖2 聲華公司生產(chǎn)的SR-150M聲發(fā)射傳感器

圖3 凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀

(4) 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

選用的便攜式工控機(jī)CPU為INTEL E5200，內(nèi)存2G，14寸顯示器。

3.2 軟件部分

本文基于LabVIEW開發(fā)出的水輪機(jī)空化聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)軟件主界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)主界面

界面劃分為功能選擇區(qū)、時域波形顯示區(qū)、頻域波形顯示區(qū)、空化聲發(fā)射特征參數(shù)顯示區(qū)和趨勢分析顯示區(qū)等。它們共同完成如下功能：

(1) 數(shù)據(jù)采集

采用硬件模塊化的方式方便靈活地實(shí)現(xiàn)不同采樣通道數(shù)目和采樣頻率的高速數(shù)據(jù)采集。

該模塊使用了LabVIEW的NI Measurements模板中DAQmx 模塊的各函數(shù)，根據(jù)不同需要可進(jìn)行采集通道、采樣模式、采樣頻率、采樣頻段范圍、門檻值等設(shè)置。如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置界面

(2) 信號處理

本模塊利用LabVIEW 的Signal Processing Suite專用軟件包、函數(shù)和子程序庫，對采集到的傳感器信號進(jìn)行處理和分析，主要包括數(shù)字濾波、時域分析、頻域分析、小波分析等。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的反復(fù)對比測試，選定波擊計(jì)數(shù)、事件計(jì)數(shù)、能量計(jì)數(shù)、RMS值和中心頻率等5種參數(shù)作為空化聲發(fā)射信號的特征參數(shù)。其中，波擊計(jì)數(shù)(hits) 是一通道上一聲發(fā)射信號的探測與測量和所測得波擊個數(shù)，可以反映聲發(fā)射活動的總量和頻度。事件計(jì)數(shù)是由一個或幾個波擊鑒別所得聲發(fā)射事件的個數(shù)。一般情況下一陣列中，一個或幾個波擊對應(yīng)一個事件。它不僅可以反映聲發(fā)射事件的總量，還可以反映聲發(fā)射事件的頻度。有效值電壓(RMS) 是采樣時間內(nèi)信號電平的均方根值，以V表示。與聲發(fā)射的大小有關(guān)。測量簡便，不受門檻的影響。能量計(jì)數(shù)是事件信號檢波包絡(luò)線下的面積，可以反映事件的相對能量或強(qiáng)度，對門檻、工作頻率和傳播特性不甚敏感，可取代振鈴計(jì)數(shù)，也用于波源的類型鑒別。

(3) 狀態(tài)顯示

狀態(tài)監(jiān)測以數(shù)值監(jiān)測、圖形監(jiān)測、趨勢監(jiān)測等形式反映水輪機(jī)的空化狀態(tài)。數(shù)值形式包括：振鈴計(jì)數(shù)、事件計(jì)數(shù)、能量、RMS值和中心頻率等。圖形形式包括：空化聲發(fā)射信號時域圖、頻譜圖、聲發(fā)射信號特征參數(shù)隨時間變化的趨勢圖等。

(4) 數(shù)據(jù)存儲

為了便于數(shù)據(jù)讀取后進(jìn)行后處理和管理的方便，本系統(tǒng)把采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)文件的形式直接保存到指定路徑下。文件名以數(shù)據(jù)采集的具體時間組合命名。數(shù)據(jù)分為實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)兩種。實(shí)時數(shù)據(jù)主要有數(shù)據(jù)采集參數(shù)、聲發(fā)射信號原始波形等。歷史數(shù)據(jù)主要有按年、月、日等進(jìn)行分檔壓縮存儲的機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)的歷史數(shù)據(jù)和機(jī)組出現(xiàn)異常情況的歷史數(shù)據(jù)，包括提取出的振鈴計(jì)數(shù)、事件計(jì)數(shù)、能量、RMS值和中心頻率等。這些數(shù)據(jù)既可用于歷史數(shù)據(jù)回放和故障分析， 又可為水電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行提供依據(jù)。

4應(yīng)用實(shí)例

尾水管空腔空化是反擊式水輪機(jī)特有的一種漩渦空化，它發(fā)生在轉(zhuǎn)輪下方的空腔區(qū)域。尤其是反擊式水輪機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時，在轉(zhuǎn)輪后會產(chǎn)生渦帶，渦帶中心形成負(fù)壓，形成空化。同時，渦帶會以低于水輪機(jī)轉(zhuǎn)頻的速度在尾水管中旋轉(zhuǎn)，周期性地撞擊尾水管壁，造成振動和噪聲(其中就包括高頻成分的聲發(fā)射信號)，也可能在尾水管進(jìn)口段邊壁引起空蝕。

本次試驗(yàn)選在某小型水電站的3#混流式水輪機(jī)上進(jìn)行。該機(jī)組容量為8000kW，額定流量16.5m3/s，設(shè)計(jì)水頭58 m。因投運(yùn)于20世紀(jì)90年代，且缺乏必要的優(yōu)化運(yùn)行方案和檢修措施，整個機(jī)組的穩(wěn)定性狀況較差，以往的檢修也證明了尾水管中存在空腔空化與空蝕的破壞。因此，將2套聲發(fā)射傳感器分別布置在緊靠尾水管檢修進(jìn)人孔處和距離進(jìn)人孔1.2m處，如圖6所示。

圖6 聲發(fā)射傳感器布置地點(diǎn)(某水電站尾水進(jìn)人孔)

分別記錄了從機(jī)組帶40%、70%、100%負(fù)荷時的聲發(fā)射信號及其特征參數(shù)。因滿負(fù)荷運(yùn)行時機(jī)組狀態(tài)較平穩(wěn)，聲發(fā)射信號的各特征參數(shù)相對較小，可解釋為水流運(yùn)動以及撞擊流道產(chǎn)生的噪聲。而在帶70%和40%負(fù)荷時，采集到的聲發(fā)射信號及其特征參數(shù)變化明顯，尤其是頻譜中113kHz附近的頻率成分隨著所帶負(fù)荷的減少而不斷增加，而且試驗(yàn)人員在現(xiàn)場的震感較100%負(fù)荷時越加明顯。表1列出了70%和40%負(fù)荷這兩種工況下的聲發(fā)射信號特征參數(shù)。

表1 不同工況下水輪機(jī)尾水空腔空化聲發(fā)射信號特征參數(shù)對比

從表中可以看出，40%負(fù)荷下的各項(xiàng)參數(shù)均比70%負(fù)荷時大，有些參數(shù)的變化幅度較大，如事件計(jì)數(shù)、波擊計(jì)數(shù)、能量率等，說明前者的聲發(fā)射現(xiàn)象比后者劇烈。這與低負(fù)荷工況下水輪機(jī)流態(tài)惡化、振動加劇、空腔空化嚴(yán)重的理論與實(shí)踐結(jié)果是一致的，也在一定程度上反映了本文中開發(fā)出的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、特征參數(shù)提取上的合理性。

因?yàn)樵囼?yàn)條件的限制，未能進(jìn)行更多工況下的聲發(fā)射信號采集，也由于整個行業(yè)內(nèi)缺乏有關(guān)聲發(fā)射特征選取的界定標(biāo)準(zhǔn)，所以有關(guān)聲發(fā)射信號特征參數(shù)與水輪機(jī)空化發(fā)展程度的對應(yīng)關(guān)系還有待進(jìn)一步的系統(tǒng)的研究。

5結(jié)論

本文基于LabVIEW平臺開發(fā)出了集數(shù)據(jù)采集與信號處理于一體的用于水輪機(jī)空化聲發(fā)射信號監(jiān)測的綜合系統(tǒng)。凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀在完成高速聲發(fā)射信號采集方面發(fā)揮了重要的作用。從在某水電站現(xiàn)場應(yīng)用的情況來看，采集并分析出的113kHz的高頻成分的變化，反映了該電站中的水輪機(jī)在低負(fù)荷工況下空腔空化的存在。該結(jié)論在一定程度上證明了本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上的合理性，以及在水輪機(jī)空化狀態(tài)監(jiān)測中的可行性。