水轮机转轮安全评估基础方法研究

　第３０卷第４期华电技术Ｖｏｌ．３０　Ｎｏ．４　　　２００８年４月ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｐｒ．２００８　　水轮机转轮安全评估基础方法研究Ｍｅｔｈｏｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓａｆｅｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｆｒａｎｃｉｓｔｕｒｂｉｎｅｒｕｎｎｅｒ黄振峰，胡昌洋，毛汉领ＨＵＡＮＧＺｈｅｎｆｅｎｇ，ＨＵＣｈａｎｇｙａｎｇ，ＭＡＯＨａｎｌｉｎｇ（广西大学机械工程学院，广西南宁　５３０００４）（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ５３０００４，Ｃｈｉｎａ）摘　要：混流式水轮机在运行过程中产生大量裂纹，严重危及水电站的安全运行。介绍了水轮机组检修现状，结合混流式水轮机转轮提出了３种转轮安全评估方法并进行了可行性分析。利用声发射技术，可在线监测水轮机转轮叶片裂纹的产生和扩展过程，结合振动技术对水轮机进行安全评估，实现了对水轮机的转轮叶片在线状态监测和故障诊断。关键词：混流式水轮机转轮叶片；疲劳裂纹；声发射技术；安全评估中图分类号：ＴＫ７３０．３＋１６　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２００８）０４－００３５－０４Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｎｕｍｂｅｒｏｆｃｒａｃｋｓａｒｅｏｆｔｅｎｅｎｇｅｎｄｅｒｅｄｉｎｔｈｅｍｉｘｅｄｆｌｏｗｔｕｒｂｉｎｅｒｕｎｎｅｒｄｕｒｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｅｃｒａｃｋｓａｒｅｈａｒｍｆｕｌｓｅｒｉｏｕｓｌｙｔｏｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｍｉｘｅｄｆｌｏｗｔｕｒｂｉｎｅｏｖｅｒｈａｕｌｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｒｕｎｎｅｒｓａｆｅｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｉｒｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｍｉｘｅｄｆｌｏｗｔｕｒｂｉｎｅｒｕｎｎｅｒ，．ＴｈｅｅｎｇｅｎｄｅｒｉｎｇａｎｄｅｘｔｅｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｓｏｎｔｈｅｍｉｘｅｄｆｌｏｗｔｕｒｂｉｎｅｒｕｎｎｅｒｂｌａｄｅｃａｎｂｅｍｏｎｉｔｏｒｅｄｂｙｕｓｉｎｇＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ（ＡＥ）ｏｎ－ｌｉｎｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄｓａｆｅｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｍｉｘｅｄｆｌｏｗｔｕｒｂｉｎｅｃａｎｂｅｅｘｅｃｕｔｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｕｓｔｈｅｏｎ－ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｍｉｘｅｄｆｌｏｗｔｕｒｂｉｎｅｒｕｎｎｅｒｂｌａｄｅｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｘｅｄｆｌｏｗｔｕｒｂｉｎｅｒｕｎｎｅｒｂｌａｄｅ；ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋ；ａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｓａｆｅｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ收稿日期：２００８－０２－２７基金项目：国家自然科学基金项目（５０４６５００２）；广西自然科学基金项目（桂科基０４４８０１４）０　引言混流式水轮机水头高、出力大，是大型水电站普遍采用的机型。国内外大型混流式水轮机转轮叶片在运行中经常出现大量贯穿性裂纹（如美国波里叶湖电站和巴克尔电站，俄罗斯布拉茨克电站，国内岩滩、小浪底、李家峡、二滩等大型水电站），这些水电站在投入运行后水轮机转轮都不同程度的出现了裂纹［１］。当裂纹扩展到一定长度后，叶片形状会有较大改变，导致水力不平衡，效率大幅度降低，造成低频率大振幅的脉动，叶片断裂会产生损坏机组的灾难性的事故，严重时会危及水电站运行安全。水轮机组检修是执行原水利电力部颁发的《发电厂检修规程》，按照检修周期、检修工期、检修项目等指标的要求，“到期必修、修必修好”。这种维修方法需要定期的停产检修，针对性不强，且具有盲目性，既浪费了大量的人力、物力，又增加了检修费用，还影响了电站的经济效益。目前，对水轮机转轮叶片的研究主要集中在动力特性的研究方面，利用有限元软件对叶片的运行状态进行仿真，查找不良状态产生的原因或在设计中预防不良状态的发生。尽管从设计和制造方面进行了大量的研究，但仍不能完全解决混流式转轮的裂纹问题。本文针对水轮机转轮叶片在工作过程中经常出现裂纹，严重危及电站运行安全的实际问题，将振动与声发射技术（ＡＥＴ）相结合，实现对转轮叶片在线监测和安全评估，有针对性地对转轮进行停机维修，对提高水电站运行安全性和稳定性，降低运　·３６·华电技术第３０卷　营成本有着重要的意义。１　转轮叶片振动监测传统的裂纹检测方法有超声波、红外辐射、磁探伤以及荧光粉检测技术等，这些检测方法或要求受检机器停机进行拆卸处理，或由于工作环境存在较高的噪声和干扰而无法对机器的运行状态进行在线监测。裂纹的存在和扩展造成转子结构系统单元刚度的降低和阻尼增加，导致系统固有频率降低、振动幅值增加以及运动平稳性变化等异常现象，因而可以利用实时测得转子系统振动响应的方法实现对裂纹故障的在线检测和诊断。振动是水电机组较为常见的问题，直接影响着机组的安全运行，是评定机组运行质量的重要指标。在ＤＬ／Ｔ５５６－９４《水轮发电机组振动监测装置设置导则》中，对振动监测装置的设置作了说明，为振动监测装置设置和结果评定提供了依据。１．１　振动监测的基本参数（１）振幅为表征机组振动严重程度的指标之一。正常运行的机组有一个稳定的且可以接受的低振幅值，任何振幅的改变都将反映机组状态的改变。（２）频率。不同的振动源的振动频率一般是不同的，可作为分析振动的原因的重要依据。（３）相角为转子某一瞬间的振动基频信号与轴上某一固定标志的相位差。１．２　转子裂纹故障的特征提取在建立转子系统有限元模型的基础上，采用数值分析等手段分析稳态、瞬态、非线性转子系统的各种故障机理（包括不平衡、不对中、初始弯曲、碰磨以及轴承故障等）和动力学特性，借助现代信号处理方法（小波变化等）对转子振动信号进行特征提取，得到转子裂纹所特有的故障征兆。转子裂纹故障的特征如下：（１）各阶临界转速较正常时要低，尤其是在转子裂纹严重时则更为突出。在恒定转速下，各阶谐波幅值１Ｘ，２Ｘ和３Ｘ及其相位不稳定，且尤以２Ｘ突出；（２）由于裂纹造成刚度变化且不对称，转子的共振转速扩展为一个区，且转子动平衡发生困难，往往多次重试也达不到所要求的平衡精度；（３）裂纹转子在强迫响应时，一次分量的分散度比无裂纹时大。１．３　振动原因判别引起水轮发电机组振动的原因很多，可归纳为机械、水力和电气３大类。在机组上导、上机架、主轴联接法兰、水导轴承等部位安装带有录波存储功能的测振仪，分别在各种转速下测量机组典型部位的振动信号，进行时频域变换和频谱分析。不考虑引起机组振动的各因素间的相互影响，通过机组试验、振动位置、振动信号特征提取，分析机组振动位置和振动故障原因［２］。转轮叶片裂纹产生、扩展，使转轮发生错边、变形，导致转轮原有的平衡遭到破坏，振动增大。根据振动的频率、特征和位置来判断振动故障原因，可判断出是否因为转轮叶片裂纹扩展导致水力不平衡，振动加剧。根据转轮叶片的振幅变化，判断转轮叶片的损伤程度。应依据机械振动评价标准来判断机组振动水平，而检修标准和检修规模应根据具体情况而定。２　转轮叶片声发射监测大型旋转机械的故障诊断一直采用传统的振动信号监测及其相关的模态分析方法，但这种方法对轴承、转轮叶片内部更小裂纹及摩擦等早期故障有时不是很有效，而且振动分析方法是通过对加速度、位移等振动信号的分析处理来判断故障的，相当于是二次信号处理，很难实现真正意义的实时监测。声发射技术由于其技术机理的特点，反映的是故障（裂纹、摩擦等）的一次信号，具有高度的实时性，有利于故障早期预报［３］。目前，基于振动检测的裂纹识别方法，特别是裂纹参数的定量估计，由于故障信号提取及其识别困难而一直无法实现。ＡＥ传感器不受结构与旋转动态振动噪声的影响，可以获取一系列的由旋转机械故障处产生的瞬时能量脉冲。声发射技术能够对裂纹的扩展过程进行在线监测，且能够反映裂纹动态扩展的过程，克服了传统的射线、超声、电磁和振动等检测方法局部性和实时性差的缺点，因此，声发射监测与传统的振动监测相比具有更多的潜在优势，特别适合于旋转机械的故障诊断。２．１　声发射监测系统设计声发射信号持续时间短，数据量大，依靠硬件实现记录、存储声发射信号的瞬态波形，不仅对硬件要求高，而且难以保证实时性，因此，综合波形分析和参数分析的特点，提取声发射信号中的扩展波分量，用参数分析法提取波形特征，对疲劳裂纹的扩展过程进行预测。但是，水轮机工作环境条件十分复杂，其声发射特征，噪音信号特征、水平，声发射参数临界值等可能不同，需要针对不同条件研究其声发射或噪音信号特征，以便适当调整有关参数和处理方法，提高声发射预测的针对性和准确性，对监测信号　第４期黄振峰，等：水轮机转轮安全评估基础方法研究·３７·　进行全波形分析。在设计监测设备时，应采用２种运行模式：即全波形实时采集存储模式和实时参数分析模式。第１种模式是传感器采集完整的ＡＥ波形，通过蓝牙装置将数据发送给主机、存储于主机存储器中，不进行任何处理，为分析ＡＥ波形特征、噪声特征及水平和声发射活动的动态变化规律等提供原始资料。第２种模式是对水轮机转轮裂纹实时预测预报时采用，ＤＳＰ对采集的数据进行滤波降噪处理并提取信号特征参数，通过蓝牙装置将数据传输给主机进行参数统计并结合其他指标进行裂纹危险性分析和判识，实时显示并存储声发射参数统计指标值和危险性判识结果，根据危险性判识结果进行实时报警，可将危险性综合指标以标准信号形式上传给中央控制室，实现对水轮机转轮叶片裂纹的实时预报功能［４］。２．２　声发射采集系统结构声发射采集系统包括了声发射传感器、前置放大器、ＤＳＰ数字信号处理器、蓝牙装置和主机。声发射监测系统结构如图１所示。图１　转轮叶片裂纹声发射监测系统结构图传感器。型号为声华ＳＲ１５，频带１００～４００ｋＨｚ。传感器选用带磁性的安装座，使传感器和水轮机主轴法兰盘产生预紧力，保持良好的耦合。信号预处理单元。包括了前置放大器、滤波器、主放大器。信号经过前置放大器滤波，在经过主放大器的进一步放大。ＤＳＰ数字信号处理器。完成信号的滤波（小波分析）、特征参数提取。蓝牙装置。将ＤＳＰ处理得到的声发射特征参数传输到主机，进行分析。主机ＰＣ。实现定位、安全评估和报警等功能。２．３　转轮叶片声发射安全评估方法目前，常用的特征参量有ＲＭＳ电压有效值、幅度和幅度分布、ＡＥ事件和事件总计数率、ＡＥ事件的振铃总计数与计数率、ＡＥ事件的能量和能量率、ＡＥ信号的时频域特征。能量计数具有不受传感器与试件之间的耦合状况、设置的门槛值影响等优点，信号能量大小与故障的严重程度有关，因此，选择能量、大事件率作为故障诊断的特征参量。ＡＳＴＭ，ＡＳＭＥ及国标ＧＢ／Ｔ１８１８２－２０００《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》等都是以声发射特征参数对检测对象进行无损评价和安全性评价的标准。对水轮机转轮叶片的声发射信号活动性进行整体分析，即根据检测到的声发射数据，按照定位信号表现出的能量、大事件计数并考虑孤立的高幅度高能量事件，综合对转轮整体的声发射活动性进行判断［５］。根据现场监测结果调整报警值，定量地判断水轮机的损伤程度是多少。３　转轮安全的综合评价方法声发射技术作为当前判断结构内部损伤程度的一种常用检测方法，主要根据声发射事件率（或能率）和大事件率来评价构件完整性。但水轮机转轮叶片在水下工作，受到２０ｍ／ｓ以上的水流冲击，环境恶劣，背景噪声强大。另外，传感器的位置差异等因素也会影响声发射信号，同一声发射事件在不同位置的测点所接收到的声发射信号由于离发射源的距离不同以及声波传递介质的状态不同也会存在很大差异。以上因素导致接收到的声发射信号与水轮机转轮裂纹实际信号的特征参数之间可能出现较大差异，给水轮机转轮稳定性预测预报带来一定困难，其结果的准确程度受到一定限制。由于振动监测和声发射技