專利名稱：水力機械空化空蝕破壞的在線監(jiān)測方法及診斷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主要用于石油、化工、水利、水力發(fā)電領(lǐng)域中使用的各種離心泵、軸流泵、混流式水輪機、軸流式水輪機等水利機械的空化空蝕破壞的在線監(jiān)測診斷技術(shù)及裝置。
隨著監(jiān)測與診斷技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的一些測試裝置也應(yīng)運而生。文獻“INSTRUMENTSYSTEM FOR MONITORING CAVITATION NOISE”(SourceJournal of Physics EScientific Instruments v 15 n 7 Jul 1982 p 741-745 0022-3735)和“INSTRUMENTATION FOR REACTOR TWO PHASE NOISE DIAGNOSIS”(SourceIEEETransactions on Nuclear Science v NS-29 n 1 Feb 1981 p 709-731 0018-9499)公開了一種對空化進行監(jiān)測的測試裝置，此裝置僅僅測試并分析了空化產(chǎn)生的壓力脈動，沒有測試空化產(chǎn)生的高頻噪聲信號、空化產(chǎn)生的高頻沖擊力的加速度信號、流體機械的能量特性和空化產(chǎn)生的壓力脈動。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種水力機械空化空蝕破壞的在線監(jiān)測方法，該方法包括如下步驟
(1)利用計算機連續(xù)采集流體機械進出口的壓力脈動信號Pre、上游水位hu、下游水位E、流體機械的功率N及空化信號Cav(2)計算流體機械的工作水頭H、空化系數(shù)和引水管水力損失；(3)將實測空化信號Cav與臨界空化信號Cav臨界比較，若Cav＜Cav臨界，則返回第(2)步，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，若Cav＞Cav臨界，則繼續(xù)進行下一步驟；(4)計算水輪機葉片背面的金屬失重量；(5)將金屬失重量與設(shè)定值比較，若金屬失重量沒有超過設(shè)定值，則發(fā)出預(yù)警提示，建議改變運行工況，若金屬失重量超過設(shè)定值，即刻發(fā)出預(yù)警提示，建議進行大修。
本發(fā)明還提出了一種實施上述方法的診斷裝置，該裝置包括采集信號的傳感器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集器以及對數(shù)據(jù)進行處理和顯示結(jié)果的計算機，所述的傳感器包括壓力脈動傳感器、功率變送器、水位傳感器、空化加速度傳感器以及空化噪聲傳感器，其中壓力脈動傳感器、功率變送器和水位傳感器并列連接到低通濾波器上，空化加速度傳感器和空化噪聲傳感器并列連接到高通濾波器上，所述的高通濾波器和低通濾波器分別通過低速A/D轉(zhuǎn)換器連接和高速A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)采集器，該數(shù)據(jù)采集器與計算機的輸入端相連接。
本發(fā)明通過測試流體機械的空化系數(shù)、流道中的壓力脈動、流體機械的能量特性、工作水頭以及空化沖擊振動信號，可以達到全面反映流體機械中空化空蝕發(fā)生，發(fā)展的程度，并通過計算流體機械中金屬失重量的大小確定檢修的時間計劃，從而有效的提高了設(shè)備運行的安全性和使用壽命。
圖2為本發(fā)明提供的診斷裝置的硬件布置圖。


圖1是空化空蝕診斷軟件程序流程框圖，開始后，計算機連續(xù)自動采集流體機械進出口的壓力脈動信號Pre、上游水位hu、下游水位E、流體機械的功率N及空化信號Cav；然后計算流體機械的工作水頭H、空化系數(shù)和引水管水力損失；將實測空化信號Cav與臨界空化信號Cav臨界比較，如果Cav＜Cav臨界，則返回，程序繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。反之，則計算流體機械的金屬失重量；將計算金屬失重量與設(shè)定值比較，如果流體機械金屬失重量沒有超過設(shè)定值，則發(fā)出預(yù)警提示，建議改變運行工況。反之，發(fā)出警示，建議進行大修。然后循環(huán)進行，直至人為停機，計算機退出工作狀態(tài)。
具體實施方法如下1)在流體機械的進口和出口用壓力傳感器測量流體壓力脈動Pre；2)在線實時監(jiān)測流體機械工作的上游水位hu、下游水位E，計算測量流體機械的工作水頭H；H＝H＝hu-E
3)測量流體機械的功率N；4)計算流體機械的裝置空化系數(shù)σy；計算水輪機的裝置空化系數(shù)σyσy=B-Hs-HvH]]>式中B--大氣壓，近似為B＝10.3米H--水輪機工作水頭Hs--水輪機吸出高度Hs＝E-水輪機安裝高程Hv--當(dāng)?shù)厮钠瘔毫?
5)用高頻加速度傳感器和高頻聲壓計(兩者工作范圍皆大于20kHz)測量流體機械進出口的空化信號Cav6)警示發(fā)生空化現(xiàn)象；流體機械的裝置空化系數(shù)、流體壓力脈動、流體機械的功率和工作水頭決定了空化沖擊振動信號Cav的大小，即Cav＝Cav(σy、Pre、N、H)當(dāng)Cav＞Cav臨界時，流體機械中就會出現(xiàn)較重的空化現(xiàn)象，此時本發(fā)明即刻發(fā)出預(yù)警提示，建議改變流體機械的運行工況。
臨界空化信號Cav臨界是在設(shè)計裝置空蝕系數(shù)σy、允許壓力脈動Pre、額定功率及額定水頭下測得的。
7)計算水輪機水輪機葉片背面金屬失重量；國際電工委員會和我國國標(biāo)規(guī)定，考核水輪機的空蝕特性按運行8000小時水輪機金屬剝蝕量為基礎(chǔ)。因此，機組運行8000小時，葉片背面金屬失重量W為W＝k1d2(1)d為轉(zhuǎn)輪喉徑(米)；k1＝2.718m(2)k1空化強度系數(shù)聯(lián)立(1)、(2)得W＝2.718md2(3)(3)式中，m＝0.45V2b-0.56+2.3Cf-Sa-B-R1(4)(4)式中R1是轉(zhuǎn)輪材料系數(shù)(取自《Journal of Engineering》，Vol.118，No.3，Dec.1992)碳鋼轉(zhuǎn)輪R1＝2.8銅轉(zhuǎn)輪R1＝3.3不銹鋼轉(zhuǎn)輪R1＝4.5碳鋼表面有不銹鋼堆焊層的轉(zhuǎn)輪R1＝3.8b轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)；
Cf負(fù)荷利用系數(shù)；Sa下水輪機淹沒深度(米)；B＝10.3-0.002E0.92-0.01T (5)(5)式中E下游水位的海拔高程；T下游水溫；V=N9.81×0.785×d2×H×η---(6)]]>(6)式中N為水輪機出力或機組出力H為機組工作水頭η為水輪機效率或機組效率IEC(國際電工委員會)規(guī)程規(guī)定了空化保證范圍0.47＜k1＜1.9。無空化發(fā)生時k1＝0.0025表1.在方程(2)中建議的lnk1值

8)提出檢修建議當(dāng)Cav＞Cav臨界，且水輪機葉片金屬失重量W超過設(shè)定值后，本發(fā)明發(fā)出警示，建議進行大修。
水輪機葉片金屬失重量的設(shè)定值是根據(jù)每次大修所消耗的金屬焊條量確定的。
值得說明的是，本發(fā)明所稱得流體機械不僅包含水輪機，而且包括泵在內(nèi)；上述1)～8)步只適用于對水輪機的空化空蝕破壞的在線監(jiān)測方法，對于泵，無須計算金屬失重，因此第7)、8)步可以省略。
另外，泵的裝置空化余量Δha與水輪機的裝置空化系數(shù)σy的物理意義相同。因此，對于泵，用裝置空化余量Δha代替水輪機的裝置空化系數(shù)σy。
對泵裝置空化余量的監(jiān)測在線實時監(jiān)測泵的上游水位hu計算泵的裝置空化余量ΔhaΔha＝B-HsZ-Δhs-Hv式中B--大氣壓，近似為B＝10.3米HsZ--泵的安裝高程，HsZ＝hu-泵的中心線高程。
Δhs--引水管水力損失，查表求得。
圖2為本發(fā)明提供的診斷裝置的硬件布置圖。該裝置包括采集信號的傳感器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集器以及對數(shù)據(jù)進行處理和顯示結(jié)果的計算機，所述的傳感器包括壓力脈動傳感器1、功率變送器2、水位傳感器3、空化加速度傳感器4以及空化噪聲傳感器5，其中壓力脈動傳感器1、功率變送器2和水位傳感器3并列連接到低通濾波器6上，空化加速度傳感器4和空化噪聲傳感器5并列連接到高通濾波器7上，所述的高通濾波器7和低通濾波器6分別通過低速A/D轉(zhuǎn)換器8和高速A/D轉(zhuǎn)換器9與數(shù)據(jù)采集器10連接，該數(shù)據(jù)采集器與計算機11的輸入端相連接。
權(quán)利要求
1.一種水力機械空化空蝕破壞的在線監(jiān)測方法，其特征在于該方法包括如下步驟(1)利用計算機連續(xù)采集流體機械進出口的壓力脈動信號Pre、上游水位hu、下游水位E、流體機械的功率N及空化信號Cav；(2)計算流體機械的工作水頭H、空化系數(shù)和引水管水力損失；(3)將實測空化信號Cav與臨界空化信號Cav臨界比較，若Cav＜Cav臨界，則返回第(2)步，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，若Cav＞Cav臨界，則繼續(xù)進行下一步驟；(4)計算水輪機葉片背面的金屬失重量；(5)將金屬失重量與設(shè)定值比較，若金屬失重量沒有超過設(shè)定值，則發(fā)出預(yù)警提示，建議改變運行工況，若金屬失重量超過設(shè)定值，即刻發(fā)出預(yù)警提示，建議進行大修。
2.一種實施如權(quán)利要求1所述方法的診斷裝置，其特征在于該裝置包括采集信號的傳感器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集器以及對數(shù)據(jù)進行處理和顯示結(jié)果的計算機，所述的傳感器包括壓力脈動傳感器、功率變送器、水位傳感器、空化加速度傳感器以及空化噪聲傳感器，其中壓力脈動傳感器、功率變送器和水位傳感器并列連接到低通濾波器上，空化加速度傳感器和空化噪聲傳感器并列連接到高通濾波器上，所述的高通濾波器和低通濾波器分別通過低速A/D轉(zhuǎn)換器和高速A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)采集器相連，該數(shù)據(jù)采集器與計算機的輸入端相連接。
全文摘要
水力機械空化空蝕破壞的在線監(jiān)測方法及診斷裝置，該方法及裝置通過測試流體機械的空化系數(shù)、流道中的壓力脈動、流體機械的能量特性、工作水頭以及空化沖擊振動信號以及計算流體機械中金屬失重量的大小，可以達到全面監(jiān)測流體機械中的空化空蝕現(xiàn)象，控制運行狀況以及發(fā)展的程度，并分析診斷空化空蝕發(fā)生的強度以及對流體機械本身造成的破壞，進而及時提出檢修的時間計劃，從而有效地提高了設(shè)備運行的安全性及使用壽命。
文檔編號G01M99/00GK1401986SQ0213133
公開日2003年3月12日 申請日期2002年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月29日
發(fā)明者吳玉林, 陳乃祥, 徐朝暉, 徐東海 申請人:清華大學(xué)