水轮机压力脉动监测系统在某水电站的应用

肖东来 窦学刚 石培 杨武

【摘要】尾水管压力脉动是影响水轮机运行工况的重要因素之一。在水轮机运行过程中，利用各种动态测试仪器监测、记录并分析水轮机尾水管的压力脉动信号，指导机组实际运行，实现水轮机运行稳定性的控制。

【关键词】水轮机；压力脉动监测系统；稳定运行

引言

尾水管压力脉动是导致水电机组振动的主要原因之一，特别是混流式机组，因在非最优工况运行时存在周向速度分量，在尾水管中不可避免出现低频涡带脉动，脉动传至各过流部件引起机组振动，压力脉动过大还会引起水轮机和厂房结构共振、叶片裂纹和断裂、机组运行不稳定和轴承损坏等一系列严重后果，因此必须予以重视。

一、水轮机压力脉动监测系统组成及测点分布

1 压力脉动监测系统的组成

某水电站采用北京华科同安TN8000机组压力脉动监测系统。系统由压力变送器、压力脉动采集模块、智能数据采集箱和分析软件组成，该系统可以通过以态网络与电厂状态监测和故障诊断系统实现集成。

压力脉动信号通过压力传感器转换成电信号后通过两芯屏蔽电缆连接到TN8000系统的压力脉动输入接线端，再通过专用的9芯电缆传送到压力脉动采集模块。压力脉动采集模块负责采集压力脉动信号，采集方式采用同起点整周期采样，在任意转速下系统的采样频率均为工频的256倍频，最高分析频率可达128倍转频，可保证低频涡带频率的准确采集。由压力脉动采集模块转换的数字信号通过总线传送到系统板，然后进行大量的在线信号处理和加工，得到反映机组运行状态的各种特征参数和部分原始数据。压力脉动监测系统的测点分布

根据国标GB/T 17189-1997《水力机械振动和脉动现场测试规程》规定，压力脉动应在下述部位进行测量：⑴机组高压侧：如钢管末端（蜗壳进口）、蜗壳内的其它地方，以及在需要和可能时，在钢管的某个断面；⑵尾水管锥段：如需要，也可在扩散段或其它部位；⑶与转轮上冠相对的顶盖内表面、转轮与导叶之间的空间等。压力脉动传感器应安装在：⑴机组高压侧流道相应位置；⑵尾水管锥段距进口为L的-Y方向（对混流式水轮机，L可取0.4～0.5 D5，D5为尾水管锥管进口直径），对于弯型尾水管，测点可设在弯段的小半径侧。另外，压力脉动在线监测系统测点选取的主要原则就是该位置对稳定性传递最直接、影响最大的点，而不一定是压力脉动值最大的点。

2 机组压力脉动监测系统常用分析方法

目前，压力脉动最常用的数据处理方法有时域分析和频域分析。

时域分析是把电信号作為时间的函数来分析的方法，利用示波器可以给出信号的峰值电压、上升时间和周期等专门信息，此时主要反映电信号的幅度随时间变化的情况。因此运用时域分析方法可以得到压力脉动信号的平均值（即压力）、峰峰值（波峰与波谷的距离）、单峰值（最大点到平衡位置之间的距离）等参数，通过这些参数可以放映机组压力脉动的大小。

频域分析方法是以频率为变量来分析电信号的幅度-频率特性。通常利用频谱分析仪来观察信号的频谱，如：A（t）信号是由一个基波a（t）与一个二次谐波b（t）组成的，再利用滤波法求得它们的幅度值a与b，并显示在频率座标上得到频谱A（f），以此给出有关频率、谐波、失真、频率稳定度、频谱纯度，寄生信号等专门信息。因此运用频域分析可以完成时域分析所不能完成的频谐纯度、频谱密度等特性分析，可以得到压力脉动的频率成分，明确了哪些频率成分对压力脉动有主要影响，有利于分析造成压力脉动的原因。通过结合机组的运行工况（主要是有功功率和水头），还可以通过趋势分析和瀑布图（见图1）分析机组在各工况下的压力脉动变化，从而指导机组避开压力脉动过大运行区。

除可利用基于负荷的瀑布图分析外，某电站压力脉动监测系统还可利用基于时间的瀑布图，分析机组在某一时间段内相同工况下压力脉动各频率成分随时间的变化规律，有助于掌握机组在稳定运行工况下的任何异常变化和发生事故时分析机组异常原因；利用级联图显示机组在开停机过程中压力脉动各种频率成分的大小的随转速的变化趋势，分析机组振因是否与转速相关，以判定是否存在模态振动；利用连续波形分析机组在过渡过程中或机组出现异常前后各参数的变化过程，有助于了解机组过渡过程特性。

二、某水电站机组压力脉动监测系统存在的问题

自2012年12月30日某电站投产以来，累计填报、记录压力脉动监测系统相关缺陷共计12次，7次因压力传感器或其附属通道损坏导致反馈压力脉动大报警、测点显示为灰色或大幅跳变等故障，3次因采集模块故障造成通讯中断报警故障，2次因投产初期定值设置不合理而导致报警，经过故障的后期缺陷治理与，某水电站机组压力脉动监测系统整体运行稳定，各部位压力脉动状况良好无异常报警情况。

结语：

压力脉动监测系统是运行值班人员判断分析并网机组运行可靠性最有力的分析工具，是全面掌握机组水力特性保障机组安全、稳定、经济运行的重要手段。正确运用瀑布图、级联图、连续波形图等多种分析工具，既可以实时监测机组各部件运行状况，时刻确保机组状态良好，还可以通过对比历史数据检验机组的安装质量，评价机组检修效果，最终通过调整使机组在最优状况下运行。

参 考 文 献：

[1] 付元初 熊海华，水轮发电机组振动、摆度、压力脉动在线监测测点配置，水电站机电技术 2009 No.04

[2] 张冬生等，从“萨扬事故”探究水电机组实施状态在线监测系统的重要意义，电子世界，2012 No.23