水轮发电机组压力脉动监测分析技术培训资料

TN8000水轮发电机组压力脉动监测分析系统培训资料北京华科同安监控技术有限公司目录1、引言 (1)2、压力脉动成因及特征频率 (1)3、压力脉动监测系统的关键技术 (2)3.1、测点选择 (2)3.2、传感器的选型和安装 (3)3.3、压力脉动信号的采集、分析、处理和评价 (4)4.TN8000压力脉动监测系统的构成 (5)5.TN8000压力脉动监测系统功能 (6)5.1实时监测与分析 (6)5.2报警和预警功能 (7)5.3故障诊断功能 (8)5.4优化运行 (8)压力脉动监测分析系统1、引言压力脉动是水轮机最普遍的不稳定因素，是导致水电机组振动的主要原因之一，流场的压力脉动周期性地作用在流道壁面上和转轮上，引起结构和部件的振动。

压力脉动过大时会引起水轮机和厂房结构振动、叶片裂纹和断裂、机组运行不稳定和轴承损坏，当压力为负压时，可能造成空化和空蚀，伴随较强烈的噪音。

因此对水轮机各过流段的压力脉动进行监测分析，研究其规律，可以全面掌握机组的水力特性，对指导和保护机组实际运行,开展针对性的状态检修有重要意义。

2、压力脉动成因及特征频率水轮机水力压力脉动主要是由于通道中流动的射流、脱流、分离和涡旋等造成的，主要因素有：●由于转轮出口水流偏离法线出口，产生正或负环量，在尾水管中形成螺旋状涡带而引起的脉动；●水轮机涡壳中流速不均匀而产生的交变水动力；●水轮机转轮旋转时，叶片相对于导叶的位置不断变化，引起绕叶片的环量周期性的变化，形成了交变水动力；●导叶和转轮之间的水压力变化，引起作用于叶片上的交变水动力；●尾水管中的压力脉动所引起的交变水动力；●固定导叶、活动导叶和转轮叶片尾缘后面形成的卡门涡，也引起作用于叶片上的交变水动力；●水轮机密封所产生的水压脉动；由上述水力激振力引起的压力脉动主要包括以下几种频率成分：●水轮机导叶通过频率nw w f kZ f 式中：k 为正整数，w Z 为导叶数，n f 为转轮转频。

●水轮机固定导叶卡门涡频率ks f 在280Hz 以上。

●水轮机活动导叶卡门涡频率kb f 在236--278Hz。

●尾水管低频压力脉动的特征频率f 1：式中，fn 为转轮旋转的转频，在小流量工况和高转速工况出现。

●尾水管中涡带产生压力脉动的特征频率f 2：nf f )4.025.0(2-=●尾水管中频压力脉动的特征频率f 3：●尾水管高频压力脉动的特征频率f 4：3、压力脉动监测系统的关键技术3.1、测点选择根据国标GB/T 17189-1997《水力机械振动和脉动现场测试规程》，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（对于轴流式及斜流式水轮机，L 可取0.7～0.8D 5，对混流式水轮机，L 可取0.4～0.5D 5，D 5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。

在常规的压力脉动试验中,通常在水轮机尾水管直锥段下游侧布置测点,并将该点的压力脉动幅值作为验收和评价机组稳定性好坏的依据，但由于在尾水管侧不同位置有不同的压力脉动幅值，不同工况下压力脉动产生的最大点位置也不同，使得尾水管压力脉动有很大的不确定性。

安装压力脉动在线监测系统最终目的不是测量压力脉动的大小，而是由此确定压力脉动对机组稳定性的影响，也就是机组的振动、噪音及出力摆动等，因此，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。

同时，测点选取还应考虑zf f n 101=nf f )6.38.1(3-=nf f )0.66.3(4-=到现场的实际情况，如很多改造机组由于没有取压口，就无法安装相关测点。

通常，压力脉动监测系统需要引入以下测点：蜗壳进口压力脉动、尾水管压力脉动、顶盖下压力脉动和活动导叶进出口压力脉动，具体安装测点要根据现场条件确定。

图1压力及压力脉动测点典型布置Ⅰ----顶盖下压力脉动测点Ⅱ----活动导叶前压力脉动测点Ⅲ----活动导叶后压力脉动测点Ⅳ----尾水管压力脉动测点X、YⅤ----涡壳进口处压力测点Ⅵ----差压流量测点3.2、传感器的选型和安装压力脉动测量通常采用压力变送器，通过管道将流体引出与变送器连接。

国标GB/T 17189-1997《水力机械振动和脉动现场测试规程》对压力脉动的测量与处理做出了明确说明：压力传感器的线性频率范围应能涵盖压力脉动信号的所有频率；压力量程应能满足被测流道中可能出现的最高压力和负压，如装于钢管和蜗壳的传感器应能承受最高水头和最大水锤压力之和，装于尾水管的传感器则应能在负压状态下正常工作；传感器的幅值响应非线性偏差应不超过其满量程的±1%；传感器安装后应与流道内壁齐平，注意避免连接管的共振和阻尼影响，尽量减少传感器对机械冲击的灵敏度，避免连接管的次生震荡，测量管路中的空气应排除干净。

压力脉动传感器安装的主要原则是传感器要尽可能地靠近测试点。

从我们的经验看，压力传感器和传感器安装位置的选择对压力脉动信号的精度具有很大的影响，传感器选型不合适或安装位置选择不当会造成很大的压力脉动测量误差。

因此，在选型时，压力脉动传感器应具有很高的测量精度，而且要求具有良好的动态特性以满足实时监测的要求；压力变送器的安装位置要尽可能地靠近取压口，最好将压力变送器安装在取压口上，如传感器离测试点比较远，由于水体的可压缩性及压力脉动在该段路程上的衰减使测量信号和实际信号相比产生衰减、滤波和滞后，分析的幅值、频率和相位都会与实际大不相同，严重影响测量精度。

另外，在常规的能量试验中，为了获得比较稳定的压力数据，水轮机的很多取压点装有均压管，其积分和均压作用势必减缓压力脉动的幅度，因此在压力脉动监测系统中，不能使用任何均压管。

3.3、压力脉动信号的采集、分析、处理和评价压力脉动信号通过压力传感器后就转换成电信号，传送到数据采集装置。

数据采集装置已一定的采样时间间隔对信号进行采集，得到以数值表示的波形瞬时值，即通常所说的时域波形图，再应用快速傅里叶变（FFT），得到这一时段信号的频谱，根据相应的幅值取值方法计算相对压力脉动混频幅值和特征数据，然后根据这些数据来评价、控制水压脉动对机组稳定运行的影响，根据其频率特性来研究引起压力脉动的可能原因。

然面，由于在实际测试过程中，水轮机压力脉动的非稳定特性和目前压力脉动信号采样标准的不统一，导致分析的结果可能会有较大差别。

从采样理论可知，采样越快，可得到的频率响应越高；连续采样时间越长，则频率分辨率越高。

在水轮机压力脉动测试中，如果需要测量到压力脉动的最高频率，为了避免混叠现象，采样速度至少为信号中最高频率成分的两倍以上；而为了采集得到较高分辨率的尾水管涡带频率，则要求采用较长的连续采样时间。

另外，由于水轮机压力脉动的非稳定特性，如采样时间选择太短，将会影响压力脉动混频双振幅幅值的准确性和重复性。

因此，为了能比较精确的分析压力脉动的频率成分、幅值及其相位，采样频率应不低于对应机组可能出现的最高压力脉动频率的2倍，试验中采样时间应不小于10秒，如采取整周期采集，则采样频率应不低于转频的256倍（最高频率为转频的128倍），连续采集周期数应不低于16周期（分辨率为1/16转频）。

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。

时域分析方法可以得到压力脉动信号的平均值（即压力）、峰峰值和有效值等参数，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。

需要指出的是，由于压力脉动信号的不稳定性，不同的计算方法得出的峰峰值有很大差别，尽管国标GB/T17189-1997《水力机械振动和脉动现场测试规程》对压力脉动峰峰值的计算方法做出了一些规定，如平均时段法或平均峰峰值法，但对具体执行方法并无明确规定。

现在一般常用的峰峰值计算采用95％置信度进行取值，针对采样时间内采集来的压力脉动时域数据进行分时段（如采用整周期采集，则机组一转为一时段），将每个时段内的3％不可信区域内的数据剔除，求出整个时段峰峰值。

为便于对照，一般所指的压力脉动值定义为压力脉动的峰峰值与试验水头的比值，即△H=(A／H)×100%，其中H为水头，A为压力脉动的峰峰值。

国标GB/T15468-1995《水轮机基本技术条件》规定，原型水轮机在所规定的稳定运行工况范围内，混流式水轮机尾水管内的压力脉动值应不大于相应水头的3%～11%，高水头取小值，低水头取大值。

在机组的设计招投标中，也均对压力脉动提出明确要求。

4.TN8000压力脉动监测系统的构成TN8000水轮机组压力脉动监测系统由压力变送器、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。

压力变送器过来的信号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，由压力脉动采集模块进行预处理和采集，转换成数字信号，再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。

智能数据采集箱一方面根据状态参数进行故障预警和报警，另一方面将数据通过网络平台传给状态数据服务器，供网络客户对机组状态做监测分析和诊断。

TN8000水轮机组压力脉动监测系统的压力脉动采集模块负责采集压力脉动信号。

压力脉动采集模块包括信号预处理单元、低通跟踪抗混频滤波器及单片机系统，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。

稳定运行工况下连续采集16个周期，频率分辨率为1/16倍转频，可保证低频涡带频率的准确采集。

在过渡过程时可实现长时间的数据连续采集，实现海量数据存储，最长时间可达10分钟，可确保过渡性过程和异常运行状态下机组压力脉动信号的准确采集和分析。

其性能指标如下：图1为某机组在100米水头附近，出力为80－105MW 出现尾水涡带时尾水管锥管段压力脉动的波形及频谱。

由图中可清晰的看到涡带的频率为1/4倍转频。

图2为某机组在100米水头附近，尾水管锥管段压力脉动频谱随负荷变化的瀑布图。

从上至下为从40至150MW 各不同出力下的尾水管锥管段压力脉动频谱，其中中段出现明显低频成份的部分为80－105MW 下的各谱线。