葛洲坝电厂轴流压水泵机组空化特性试验研究

葛洲坝电厂轴流压水泵机组空化特性试验研究

0国外城市电厂运行监测与分析的研究现状由于严重的破坏和操作，以及性能和维修成本高的主要原因，造成了能源效率低下、运行不稳定、性能下降、运营效率低下等。国内很多研究者已经对空化的产生机理,空化信号的特征及识别,如何监测水轮机空化做了很多研究,但目前的研究主要是在模型试验上进行,还没有关于现场试验详细的报告。国外从90年代中期到现在开展了大量的现场研究工作,设计了实用的现场监测系统,取得了大量的试验数据,积累了丰富的经验,形成了一套较完善的监测与分析体系,真正做到了为电厂的运行及检修提供辅助决策。本文在分析了空化信号机理及现场空化监测要求的基础上,采用自行设计的空化信号监测系统,对葛洲坝的轴流式水轮机的空化信号监测进行了试验研究,采集并分析了多个工况下的试验数据,总结了试验结果。1空化检测装置空化过程由一系列离散事件组成:气泡的形成,发展和溃灭。空化能够引起水轮机内的低频压力脉动和高频压力脉冲。空化现象的瞬时能量可以采用一个指数表达式估计:p(t)=Pae−t/a⋅u(t)(1)p(t)=Ρae-t/a⋅u(t)(1)其中u(t)是一个阶梯函数。P是脉冲能量,a是时间常数,这两者都同气泡的尺寸成正比。据Harrison的观察,时间常数在10-5~10-6s之间。空化的外在表现形式通常为振动和噪声。振动和噪声通过水体和机械系统产生并传播,因此可以通过安装在机组外壁上的加速度传感器或直接安装在流道内的压力传感器监测空化。由于水轮机的运行条件以及空化类型、位置和作用都是变化的,这便会影响到脉冲能量的自然特性及从振源到传感器的传播路径。同时,所采集的信号也可能包含来自其他激励源的噪声,如水动力,机械和电磁力。因此,尽量选择精密的传感器和合理定位水轮机上的监测位置对提高空化监测的准确性是极为重要的。对于振动测量,通常的测点位置是水导轴承基座、导叶臂和尾水管壁;对于压力测量,通常的测点位置是尾水管壁和蜗壳壁。试验中,数据采集必须针对不同运行工况,以便获得较全面的试验数据。同时,为了保证所采数据的准确性,信号采集必须采用足够高的采样频率。对于一个实时信号采集系统来说,其具有有限的频率范围,若采集信号的截断频率为fc,根据Nyquist抽样定理,其采样频率fs至少是fc的两倍。假如以Nyquist滤波器作为一个理想的低通滤波器,则一个理想的单脉冲可表示为:p(t)=2⋅(2πfc)⋅sin(2πfct)2πfct(2)p(t)=2⋅(2πfc)⋅sin(2πfct)2πfct(2)假如空化溃灭事件在一个Te时间内随机发生,如果Te比Tc=1/fc大,则单个脉冲可以被辨别。实际试验过程中,为了保证频谱分析的准确性,在对空化信号抽样时,建议fs=4fc。2机组空化的影响从现场的实际运行来看,影响轴流式水轮机运行的最主要的空化类型有:叶轮进水边空化、轮缘间隙空化和尾水管漩涡空化。进水边空化和间隙空化会导致叶片的空蚀,尾水管漩涡空化会影响到水轮机的稳定运行,随着机组空化的不断发展,水轮机的效率和出力也会受到较大影响。因此,试验过程中我们主要针对可能发生以上空化的位置进行监测。2.1振动加速度传感器的安装研究工作在一台立式轴流式水轮机进行。该水轮机的额定流量为825m3/s,额定水头为18.6m,额定出力为129MW,转速为65rpm(频率1.08Hz),有5个叶片和32个导叶。转子通过两个导轴承固定在基座上,其中一个在转子上方,另一个在发电机的下方,推力轴承在它们之间。试验中采用4支振动加速度传感器进行监测,具体安放位置如图1所示。为了表明监测的位置,字母和数字被联合使用。其中字母表示传感器的类型,如V代表加速度传感器;字母后面的数字(1、2、3和4)为传感器编号,以便于记录和检索数据;挂号中的数字表示导叶编号,如V1(32)表示安装在32号导叶轴上的振动加速度传感器。除V1外,V2(4-5)安装在4号与5号导叶之间的支持盖上,V3(8)安装在8号导叶轴上,V4安装在尾水管检修门上。2.2振动信号采样针对现场测试选用了符合要求的设备,建立了完整的试验系统,如图2所示。高频加速度传感器采用B&K公司的4397,其工作频段是1Hz~20kHz,共振频率为53kHz;采用ADVANTECHPCI-1712采集卡控制振动信号采样,其最高采样频率为1MS/s,试验中与4397搭配,采集频率设定为100KS/s,同时采集四个通道数据。加速度传感器在测量前进行了校准,以证实它们的灵敏度和典型的频率响应。3振动能量的测试水轮机运行过程中,空化现象是否发生及试验过程中的干扰噪声辨识是数据采集前必须考虑的问题。廖伟丽和BajicB分别开展了轴流式水轮机的模型和真机的空化试验研究,结果表明轴流式水轮机在各种工况下都会有空化现象发生。一般来说,试验中的水动力噪声和机械噪声都属于低频噪声,对空化数据高频部分的影响较小。为了辨别是否存在电磁力噪声,试验中采集了空载未加工况下的数据以便与其它工况数据进行对比。试验时水轮机的工作水头为21m,负荷从低到高逐渐增加,先是空载,然后30MW、66MW、100MW、115MW和130MW。考虑到水轮机的转频为1.08Hz,数据采集系统以3秒为一个采样周期,连续采集而不分析。每个工况的试验时间将近2分钟。分析时针对每个工况取20组数据,求出它们的均方根值。不同测点在不同工况下所采集数据的均方根值如图3所示,图中自上而下依次为通过V4、V2、V1和V3传感器所采集数据的均方根值。从图中可以看出,在V2和V4测点,水轮机运行在30MW时的振动能量较空载时要低,而这一点在V1和V3测点上没有表现出来。这说明在小流量工况下,导叶轴上测点对工况的变化不敏感。从30MW、66MW、100MW和130MW来看,所有测点的所测得振动能量都是逐渐上升的,说明在同一水头下,随着流量的增加振动逐渐增大空化逐渐增强。然而,在115MW处却表现出与总体趋势不一致的情形,各测点的振动能量在此工况下突然减小,甚至低于66MW时所测振动能量,这一现象表明此工况空化强度较小,是一个空化性能较好的大流量工况,与Bourdon等人的试验结论是一致的。从总体上看,尾水管处所测的振动能量最强,其次是支持盖上,导叶轴上所测能量相对较弱。各测点不同工况下的功率密度谱如图4所示。空载与其它工况在功率密度谱图上的相似性表明数据采集过程中没有受到机组电磁力的干扰。在所有的监测位置,宽频振动被测出发生在2kHz以上,在4~8kHz、12~14kHz和17~19kHz范围内振动能量尤为集中。从水轮机转轮以上测点来看,比较在不同工况下的振动能量,除115MW外,随着工况从空载到130MW不断增大。如图4(a)、4(b)和4(c)所示,导叶轴上l号和3号测点在功率密度谱图上显示出相似的结果,支持盖上2号测点所测振动能量则比导叶轴上要强很多。从图4(d)中尾水管的4号测点来看,该处各工况振动能量在低频部分比较集中,随着工况的变化,振动能量的变化不大,根据Escaler等人的研究,该处空化振动能量受尾水涡带影响较大,故低频部分能量特别突出。图4表明,空化所引起的高频振动信号在支持盖上最容易测得,且信号的特征明显;尾水管处由于受尾水涡带的作用,除了130MW振动能量明显增大,其余各工况之间信号能量相近,此处对转轮的空化程度判断不甚理想;导叶轴上所测信号能量虽较前两者小,但其信号特征明显且随工况变化,表明其是一个较理想的测点。4空化监测仪器的不足水轮机的空化现象是当前水轮机设计与运行中必须面对的一个非常重要的技术问题,如何有效地采集和分析空化信号,总结水轮机运行的空化规律是当前电厂急待解决的问题。本文对现场轴流转桨式水轮机进行了多个工况的空化试验,研究表明:(1)轴流转桨式水轮机的支持盖和导叶轴是转轮空化监测的理想测点。相对而言,尾水管检修门适合于水轮机运行稳定性监测。(2)在同一工作水头,大多数工况下,水轮机的空化强度随出力的增加而增大,但是也有特殊工况存在,比如试验中的115MW。(3)从分析的数据来看,在21m工作水头,该机组出力为115MW时振动较其它大出力情况下弱,空化性能较好。(4)空化振动信号的分布具有一定