水輪發(fā)電機組汽蝕簡介及汽蝕在線監(jiān)測
【摘要】水輪發(fā)電機組汽蝕是影響水輪發(fā)電機組安全運行和機組壽命的主要故障，本文簡述了水輪發(fā)電機組汽蝕的現(xiàn)象，介紹了美國O.R.E公司CMS 汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)在水電廠的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】 水輪發(fā)電機組 汽蝕 監(jiān)測 汽化 噪聲 振動
一、前言
隨著水輪發(fā)電機組單機容量的提高以及水輪發(fā)電機組在電力系統(tǒng)中所占的比重越來越大，如何確保大型機組的可靠和穩(wěn)定運行，已成為電力業(yè)一個極為關(guān)注的問題。汽蝕是水輪機運行中最為常見的故障之一，嚴重時的它直接危及到機組的安全運行。因此，對水輪發(fā)電機組汽蝕進行在線監(jiān)測是十分必要的。美國O.R.E公司CMS汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)，可以提供水輪機轉(zhuǎn)輪受汽蝕程度的在線監(jiān)測。該系統(tǒng)使用DSP（數(shù)字、信號處理）技術(shù)來監(jiān)測汽蝕噪聲，并實時顯示汽蝕的開始和相應(yīng)的汽蝕強度，不斷測量并累計汽蝕的損害程度。根據(jù)測量結(jié)果，可以對機組運行工況進行優(yōu)化，如果將CMS數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)輪實際維護的歷史數(shù)據(jù)相互對照，則該系統(tǒng)可對檢修周期提供技術(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的原理，并結(jié)合CMS汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)在白山電廠的應(yīng)用對汽蝕的檢查和評定做了進一步的討論。
二、汽蝕現(xiàn)象
水輪機的工作介質(zhì)是液體。水流流速在水輪機中各點大小不同，進而引起壓力高低不同，當某點的壓力達到（或低于）該溫度下水的汽化壓力時，水就開始局部汽化產(chǎn)生大量汽泡，同時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入高壓區(qū)（壓力高于汽化壓力）時，氣泡瞬時破滅，由于汽泡中心壓力較低，氣泡周圍的水質(zhì)點將以很高的速度向汽泡中心撞擊形成巨大的壓力（可達幾百甚至上千個大氣壓力），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，簡稱汽蝕。在發(fā)生汽蝕過程，水輪機部件被高壓水反復(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)，對金屬表面產(chǎn)生電解作用，形成電化學腐蝕。金屬表面因電解作用而發(fā)暗變毛糙，加速了機械作用的破壞。當汽泡在高壓區(qū)受壓縮時體積縮小而溫度升高，再加上水錘對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)生電化學反應(yīng)的主要原因。據(jù)實驗測定，在汽泡凝結(jié)時局部溫升可達幾百攝氏度，這種高溫高壓促進了汽泡對金屬材料表面局部加熱到熔點或使其局部強度降低而產(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
這是反擊式水輪機普遍具有的汽蝕現(xiàn)象。水流流經(jīng)葉片時，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，而背面是負壓力，這種負壓是轉(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，這個汽蝕條件可從水輪機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。在運行中由于運行工況不良也會引起葉型汽蝕。
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，當水流通過這些較小的間隙時，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。當機組在低負荷運行時，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，水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成一種對稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和壓力脈動，在尾水管進口處產(chǎn)生汽蝕破壞，造成尾水管振動?？涨黄g通常發(fā)生在尾水管壁。
4、局部氣蝕
水輪機過流部件局部凸凹不平時，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，在實際的應(yīng)用中，翼型（葉型）汽蝕監(jiān)測是關(guān)鍵。
水輪機產(chǎn)生汽蝕時，破壞轉(zhuǎn)輪，使水輪機效率降低和出力不穩(wěn)。因此在水輪機運行時應(yīng)盡量設(shè)法消除汽蝕。
四、CMS汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)
1、汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能
1.1、汽蝕判別
當翼型（葉型）汽蝕現(xiàn)象存在時，我們在汽蝕信號的頻譜的葉片通頻(BPF)或主軸通頻(1X)位置上可以看到尖峰存在，見圖1。這兩個頻率分量的大小反映了翼型（葉型）汽蝕的強度，其相對與背景噪聲的差值反映了翼型（葉型）汽蝕的相對強度。作為其它類型的汽蝕現(xiàn)象，也可以通過頻譜在相應(yīng)頻率上的分量來評估其危害程度。
1.2、描繪機組汽蝕曲線
當對一個給定的機組運行區(qū)域內(nèi)的各個點測量了汽蝕之后，就可以生成汽蝕-負荷或汽蝕-導(dǎo)葉開度曲線。根據(jù)這個曲線即汽蝕映射圖，我們就可以區(qū)分汽蝕的輕度（可接受）區(qū)段、中度區(qū)段和嚴重區(qū)段。
1.3、汽蝕棒圖顯示
基于以上三個區(qū)段的定義，在線方式所需的警告和報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，繼電器也會相應(yīng)動作、模擬量輸出相應(yīng)的數(shù)值。
1.4、汽蝕量積分累計（匯總）
當汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)以在線方式運行時，系統(tǒng)將測量的汽蝕數(shù)據(jù)對時間做積分。積分的結(jié)果代表了汽蝕的相對損害量。之所以說是相對量，是因為它不是機組的絕對失重質(zhì)量，但這個相對量與轉(zhuǎn)輪葉片的絕對失重成正比，對確定轉(zhuǎn)輪的當前狀況非常有用。根據(jù)轉(zhuǎn)輪的實際失重來校準這個相對值來形成一個定量的對應(yīng)關(guān)系，即計算出比例常數(shù)，對計劃檢修非常有益。
2、CMS汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)工作原理
CMS汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)基于水輪機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。汽蝕強度在轉(zhuǎn)輪的一個周波內(nèi)變化，但每個周波是重復(fù)的。高頻汽蝕噪聲的幅值就會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連桿上，比較典型的地方是導(dǎo)葉拐臂，用以測量汽蝕產(chǎn)生高頻振動噪聲。CMS汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)的經(jīng)過濾波、解調(diào)和頻譜分析，從輸入信號中檢測出汽蝕的產(chǎn)生和產(chǎn)生汽蝕的嚴重程度。好幾個頻譜經(jīng)過平均得出結(jié)果。譜線在葉片通過頻率（BPF）處的值（汽蝕強度）被定量地表達為葉片通過調(diào)制電平（BPML）。CMS系統(tǒng)配置圖如圖2。
3、CMS汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)
汽蝕監(jiān)測采用加速度傳感器，加速度傳感器體積很小安裝在靠近水輪機的地方。加速度傳感器記錄振動噪聲并將信號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，同時為了避免引入干擾和信號失真?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的不同位置進行測試，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，腐蝕強度與汽蝕的相關(guān)性總是得到充分體現(xiàn)。
圖3 加速度傳感器安裝連接圖
在實際的汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)中，原始的傳感器信號經(jīng)過7930放大后接入7915，在此，信號經(jīng)過10~20KHz的濾波后放大，再進行全波整流，然后再放大，最后通過傅立葉變換生成噪音強度（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尖峰往往代表翼形汽蝕。葉片通過調(diào)制電平（BPML）信號出現(xiàn)高于寬帶振動噪聲3-5dB的點時，我們就可以說汽蝕發(fā)生了。BPML與噪聲輻射能量成對數(shù)關(guān)系，
即：BPML=10·lg(W/W0）（10·BPML/10 ∝ πrad）
其中：W：聲功率（聲源在單位時間內(nèi)發(fā)出的總功率）
W0：基準聲功率=10-12瓦
這樣，BPML每增加10dB就會引起噪聲輻射能量的10倍增加（可以認為造成了相當量級汽蝕破壞），例如，BPML增加了20dB，則相應(yīng)的能量增加100倍，通過圖5中實際監(jiān)測的頻譜結(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)生了有較強危害的汽蝕現(xiàn)象存在。
圖5 實際監(jiān)測的頻譜結(jié)果
綜上所述，水輪機汽蝕降低了水輪機出力和效率，影響水輪發(fā)電機組安全運行和機組壽命。對水輪機汽蝕及時進行故障診斷，有利于提高水輪發(fā)電機組的安全、經(jīng)濟運行水平，可以為我國的水電生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟效益。在線汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)（CMS）通過水輪機的聲波輻射來監(jiān)測腐蝕情況，確定轉(zhuǎn)輪上所產(chǎn)生的腐蝕強度。當采用永久（在線）監(jiān)測模式時，系統(tǒng)不斷測量并累計汽蝕的損害強度。如果將CMS數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)輪實際維護的歷史數(shù)據(jù)相互參照，則該系統(tǒng)可被用來預(yù)定維護計劃（包括停機檢修）。
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