【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)在水電廠的應用。

【關鍵詞】 水輪發(fā)電機組 汽蝕  監(jiān)測  汽化  噪聲  振動

 

        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）技術來監(jiān)測汽蝕噪聲，并實時顯示汽蝕的開始和相應的汽蝕強度，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，并結合CMS汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)在白山電廠的應用對汽蝕的檢查和評定做了進一步的討論。

 

       水輪機的工作介質是液體。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，高頻率沖擊的結果，使水輪機過流部件的金屬表面產生破壞，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沖擊而產生大量的熱量，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，在材料中有電流產生，引起熱電效應，對金屬表面產生電解作用，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)生電化學反應的主要原因。據(jù)實驗測定，在汽泡凝結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生破壞。

 

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。水流流經葉片時，在葉片表面形成壓力差，使轉輪旋轉作功。通常葉片的正面是正壓力，而背面是負壓力，這種負壓是轉輪作功所必須的，但它又造成了產生汽蝕的條件。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，所以葉型汽蝕的產生的主要原因是由于轉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

        在導葉下端面間隙處，導葉關閉時導葉與導葉立面間隙處，以及轉輪止漏裝置間隙處，當水流通過這些較小的間隙時，流速產生局部增高和壓力降低因而產生汽蝕，這種現(xiàn)象稱為間隙汽蝕。當機組在低負荷運行時，導葉開度較小，局部流速增高，壓力降低，很容易產生間隙汽蝕。

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，在尾水管進口處產生汽蝕破壞，造成尾水管振動。空腔汽蝕通常發(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，在實際的應用中，翼型（葉型）汽蝕監(jiān)測是關鍵。

水輪機產生汽蝕時，破壞轉輪，使水輪機效率降低和出力不穩(wěn)。因此在水輪機運行時應盡量設法消除汽蝕。

 

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頻率上的分量來評估其危害程度。

       當對一個給定的機組運行區(qū)域內的各個點測量了汽蝕之后，就可以生成汽蝕-負荷或汽蝕-導葉開度曲線。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，繼電器也會相應動作、模擬量輸出相應的數(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量，但這個相對量與轉輪葉片的絕對失重成正比，對確定轉輪的當前狀況非常有用。根據(jù)轉輪的實際失重來校準這個相對值來形成一個定量的對應關系，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制的理論，以全波整流頻譜分析的方法確定汽蝕的產生和汽蝕的嚴重程度。

        汽泡的形成和爆裂是由轉輪葉片周圍的不穩(wěn)定水流引起的。汽蝕強度在轉輪的一個周波內變化，但每個周波是重復的。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葉拐臂，用以測量汽蝕產生高頻振動噪聲。CMS汽蝕監(jiān)測系統(tǒng)的經過濾波、解調和頻譜分析，從輸入信號中檢測出汽蝕的產生和產生汽蝕的嚴重程度。好幾個頻譜經過平均得出結果。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，包括導葉連桿、下導軸承座、尾水入口和渦殼入口等。結果發(fā)現(xiàn)，在導葉連桿處的安裝時，腐蝕強度與汽蝕的相關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過7930放大后接入7915，在此，信號經過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。