一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统及其方法技术方案

本发明专利技术涉及一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统及其方法，它属于水轮机空蚀初生领域。本发明专利技术系统包括现地测量层、信号预处理层、数据处理及分析层，运用数据融合技术和声发射检测技术，提取空化特征值，再融合机组顶盖振动、水压脉动、水头、下游水位、大轴补气量及其它工况数据等重要辅助变量，建立循环改进型的空蚀初生判别模型，实现水轮机空化状态识别以及空蚀工况预测，减少因水轮机组长期处于空化空蚀工况导致转轮叶片受损而被迫转检修的情况，提高了水轮机组的健康运行水平和服务年限。

【技术实现步骤摘要】
一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统及其方法
本专利技术涉及一种判别系统，尤其是涉及一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统，它属于水轮机空蚀初生领域。
技术介绍
近年来，随着大型水利枢纽工程的兴建以及大中型水电站的相继建成投产，水电在整个电网中的占比越来越大，水轮机运行的安全性、稳定性、经济性问题日显突出。对于水轮机而言，空化空蚀一直是行业内棘手且普遍存在的问题，其对水轮机的安全运行和效率产生了极坏影响。一是由于空蚀，许多大中型水轮机的大修被迫由5-10年改为2-3年，检修费用较高，给电站带来了巨大的经济损失。二是对水轮机过流部件的损伤已影响机组的安全稳定运行：洪水季节水流中携带大量污物泥沙，由于惯性力和离心力的作用污物泥沙将沿水轮机过流部件固壁运动，固壁将受磨损；结合清水固有的空蚀，在水轮机过流表面形成了所谓的空蚀与磨蚀的联合作用，加剧过流部件的损伤，机组效率下降、负荷波动和强烈振动，严重威胁到机组安全运行。由于库水位及导叶开度变化，使水轮发电机组吸出高度相应发生变化，加之污物泥沙的作用，机组在空磨蚀工况下运行经常发生。由于空化空蚀问题涉及多个学科，复杂度高，一直是人们研究的热点和难点。目前市场上仅有实验室以及实际监测水轮机空化的研究，尚无实际应用的在线监测设备，不能对空化空蚀的发生进行实时监测，只能在检修期将转轮等过流部件吊出，才能发现是否发生空蚀，以及空蚀产生的部位。数台水电机组检修时，发现距离上次检修期不久的数处过流部件再次出现较为严重的空蚀现象，若今后在运行中不能及时发现并立即采取调整措施加以防治，将严重影响机组安全稳定运行。对于水轮机，空化过程可描述为液态水在压力下降时发生空化初生，压力继续下降后气泡发育，若此时压力转而升高，气泡溃灭；而空蚀是指由于液体流速增加、压力下降时形成的空穴在溃灭时对过流表面造成的损坏。空蚀与空化往往具有密切的联系：空化区往往出现在流道表面发生突变及压力最低的地方，而空蚀是空化的直接后果，空蚀区将出现在空化区的下游处，且只发生在固体边界上。公开日为2015年05月27日，公开号为CN104655730A的中国专利中，公开了一种名称为“一种水轮机气蚀状态监测系统”的专利技术专利。该专利包括接收天线、控制器、A/D转换模块、采集模块、数据分析模块、比较模块和显示模块、存储器、FLASH和传感器，接收天线、控制器、A/D转换模块、采集模块、数据分析模块、比较模块和显示模块依次相连；存储器、FLASH和传感器依次相连。虽然该专利提供一种安全性能好、效率高且运行稳定的一种水轮机气蚀状态监测系统，但是不能适用现有的需求，且没有本申请效果好，故其还是存在缺陷。因此，提供一种提高设备的安全可靠性，在水电机组中实用性和通用性极强的水轮机空蚀初生状态判别系统及其方法，显得尤为必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种系统设计合理，充分运用数据融合技术和声发射检测技术，通过研究水轮机空化空蚀主要变量与辅助变量的关系，搭建循环改进型的空蚀初生判别模型，实现水轮机空化状态识别以及空蚀工况预测，减少设备故障和检修时间，提高设备的安全可靠性，在水电机组中实用性和通用性极强的循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统及其方法。本专利技术解决上述问题所采用的技术方案是：该循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统，该系统用于水电机组，包括采集装置，其特征在于：还包括现地测量层、信号预处理层、数据处理及分析层，其特征在于：所述现地测量层包括声发射传感器、顶盖振动速度传感器、上下游水位传感器、水压脉动传感器和大轴补气风速仪，声发射传感器安装在易发生空化且测量效果好的水电机组蜗壳、尾水管检修门上、下管壁处进行采集；大轴补气风速仪安装在机组大轴补气管上，检测信号送至机组计算机监控系统并在其PLC中计算得到大轴补气量，并与机组计算机监控系统的其它工况数据一并通过通讯方式送至空化分析专用计算机；信号预处理层包括前置放大器、空化数据采集器；数据处理及分析层包括空化分析专用计算机，声发射信号分别经过前置放大器、空化数据采集器来进行信号采集、滤波处理，通过采集装置的网口TCP/IP协议接入空化分析专用计算机。作为优选，本专利技术所述采集装置将声发射空化信号波形、有效值、峭度数据传输到空化分析专用计算机软件中进行统计分析。作为优选，本专利技术所述声发射传感器的技术参数为：工作频率50-300kHz，中心频率150kHz(dBrefV/μbar)；高信噪比、防震、防潮、抗油污型。作为优选，本专利技术所述前置放大器的技术参数为：放大倍数40dB(100倍)。作为优选，本专利技术所述空化数据采集器技术参数为：输入通道：4路，输入信号：±10V，采用速率：每通道2000000个采样/秒，通讯端口：RS-485；为采集到高精度、低干扰、有效的噪声信号。本专利技术还提供一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别方法，其特征在于：包括完成空化发生、空蚀初生状态判别、金属累计损失重量三个模型的创建工作，以空化发生模型为基础，金属累计损失重量模型为验证，不断修正、完善空蚀初生状态判别模型，具体步骤如下：首先，空化发生的数学模型创建步骤如下：1)在计算机内部分析软件里，设定采样率为1M，带通滤波20～300kHz，对原始的声发射信号进行消噪处理，将背景噪声和规律性声发射信号进行分离、去除。根据声发射信号参数的定义，进行如下特征信号提取工作：根据实际空化测试信号情况设置一个合适的门槛值，本专利技术为35dB，超过门槛值的点即为声发射事件发生时间，如果连续有N个点低于门槛值则确定为一个声发射事件结束，其中几个连续超过门槛值的点即构成一次振铃，声发射事件中最大值的点的数值即为峰值；将构成声发射事件的点的幅度平方，进行包络检波，求出检波后的包络线所围的面积，此包络面积即为本次声发射事件的能量的量度，从能量的大小即可判别出声发射瞬态信号的强弱。2)根据以上方法，可计算比较重要的特征参数有声发射事件计数、振铃计数、发生时间、上升时间、幅度、峰值、保持时间、能量等。其中，采用“脉冲重复率”和“声强烈度”两种特征指标作为空化发生的主要数学模型，通过现场试验、分析并创建空化特征判定值算法：脉冲重复率为单位时间内时间轴上声发射脉冲信号重复出现的概率，可将空化从碰磨、裂纹两种故障中区分出来，对同一稳定工况下的声发射信号的时域波形进行分析，对噪声脉冲包络进行单位时间的脉冲计数统计获取归一化脉冲计数，进而计算出脉冲重复率K(i)：如果K(i)>0.65，则声发射信号属于周期性强的碰磨和裂纹信号；否则就是随机性强的空化空蚀声发射信号。声强烈度则从能量观点直接反映物体的声发射强度，完成该噪声强度在单位时间的能量积分，获取归一化噪声强度，进而计算出声强烈度。此外，完成噪声信号的相关滤波频谱计算，并形成直观的实时波形、频谱分析、时频分析图，便于分析比对。其次，本专利技术的空化发生的预警提示信号，以及空蚀初生状态判别模型创建步骤如下：1)利用机组状态在线监测系统连续本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统，该系统用于水电机组，包括采集装置，其特征在于：还包括现地测量层、信号预处理层、数据处理及分析层，其特征在于：所述现地测量层包括声发射传感器、顶盖振动速度传感器、上下游水位传感器、水压脉动传感器和大轴补气风速仪，声发射传感器安装在易发生空化且测量效果好的水电机组蜗壳、尾水管检修门上、下管壁处进行采集；大轴补气风速仪安装在机组大轴补气管上，检测信号送至机组计算机监控系统并在其PLC中计算得到大轴补气量，并与机组计算机监控系统的其它工况数据一并通过通讯方式送至空化分析专用计算机；信号预处理层包括前置放大器、空化数据采集器；数据处理及分析层包括空化分析专用计算机，声发射信号分别经过前置放大器、空化数据采集器来进行信号采集、滤波处理，通过采集装置的网口TCP/IP协议接入空化分析专用计算机。/n

【技术特征摘要】
1.一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统，该系统用于水电机组，包括采集装置，其特征在于：还包括现地测量层、信号预处理层、数据处理及分析层，其特征在于：所述现地测量层包括声发射传感器、顶盖振动速度传感器、上下游水位传感器、水压脉动传感器和大轴补气风速仪，声发射传感器安装在易发生空化且测量效果好的水电机组蜗壳、尾水管检修门上、下管壁处进行采集；大轴补气风速仪安装在机组大轴补气管上，检测信号送至机组计算机监控系统并在其PLC中计算得到大轴补气量，并与机组计算机监控系统的其它工况数据一并通过通讯方式送至空化分析专用计算机；信号预处理层包括前置放大器、空化数据采集器；数据处理及分析层包括空化分析专用计算机，声发射信号分别经过前置放大器、空化数据采集器来进行信号采集、滤波处理，通过采集装置的网口TCP/IP协议接入空化分析专用计算机。


2.根据权利要求1所述的循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统，其特征在于：所述采集装置将声发射空化信号波形、有效值、峭度数据传输到空化分析专用计算机软件中进行统计分析。


3.根据权利要求1所述的循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统，其特征在于：所述声发射传感器的技术参数为：工作频率50-300kHz，中心频率150kHz。


4.根据权利要求1所述的循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统，其特征在于：所述前置放大器的技术参数为：放大倍数40dB。


5.根据权利要求1所述的循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统，其特征在于：所述空化数据采集器技术参数为：输入通道：4路，输入信号：±10V，采用速率：每通道2000000个采样/秒，通讯端口：RS-485。


6.一种循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别方法，采用权利要求1-5任意一项所述的循环改进型的水轮机空蚀初生状态判别系统，其特征在于：包括完成空化发生、空蚀初生状态判别、金属累计损失重量三个模型的创建工作，以空化发生模型为基础，金属累计损失重量模型为验证，不断修正、完善空蚀初生状态判别模型，具体步骤如下：
首先，空化发生的数学模型创建步骤如下：
1)在计算机内部分析软件里，设定采样率为1M，带通滤波20-300kHz，对原始的声发射信号进行消噪处理，将背景噪声和规律性声发射信号进行分离、去除；
根据声发射信号参数的定义，进行如下特征信号提取工作：根据实际空化测试信号情况设置一个合适的门槛值，超过门槛值的点即为声发射事件发生时间，如果连续有N个点低于门槛值则确定为一个声发射事件结束，其中几个连续超过门槛值的点即构成一次振铃，声发射事件中最大值的点的数值即为峰值；将构成声发射事件的点的幅度平方，进行包络检波，求出检波后的包络线所围的面积，此包络面积即为本次声发射事件的能量的量度，从能量的大小即可判别出声发射瞬态信号的强弱。
2)根据以上方法，计算重要的特征参数有声发射事件计数、振铃计数、发生时间、上升时间、幅度、峰值、保持时间、能量。其中，采用“脉冲重复率”和“声强烈度”两种特征指标作...

【专利技术属性】
技术研发人员：燕鸣，罗兴忠，高晓光，杨乾鸿，程礼彬，蒲国庆，黄学然，郭振兴，杨毅，王清尧，魏继军，雷明川，徐长鑫，吴思庆，
申请(专利权)人：华电电力科学研究院有限公司，四川华电泸定水电有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33