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1 應用背景

隨著我國能源政策的調整，水電在整個電網中的比重不斷增加，水電機組運行的安全性與經濟性日益受到重視。全面開展水電機組的狀態監測與故障診斷，進而實施水電機組的“狀態檢修”已成為水電機組運行保障技術發展的必然趨勢[1]。在水電機組狀態監測與故障診斷的眾多技術中，振動監測技術已經相對成熟，但是對于水輪機的空化與空蝕的識別則顯得能力不足。據統計，目前我國水輪機的空化與空蝕已經成為水輪機損傷的主要原因之一，它會造成水輪機過流部件破壞加劇、運行不穩定，進而引起性能下降、運行效益低、檢修費用大。空蝕損傷程度已成為決定是否進行大修的關鍵參數。因此，進行水輪機空化故障的狀態監測與故障診斷研究，有助于判斷水輪機空化是否發生，有助于了解空化故障的發展趨勢，對于水輪發電機組的安全、高效、穩定運行具有重要的意義[2]。

2 面臨問題

通過數值計算、統計、模型觀測試驗等方法，人們對空化空蝕產生的機理和外部表現形式有了一定的了解，在利用空化空蝕信號特征進行狀態監測與故障診斷方面取得了大量的研究成果[3]。通常采用的方法有流量-揚程法、噪聲法、壓力脈動法、圖像法等[4-7]。流量-揚程法簡單方便，但是具有滯后性，無法診斷初始階段的空化;噪聲法利用振動傳感器或聲壓計采集水輪機空化時產生的噪聲，壓力脈動法通過測試并分析水輪機過流通道壓力脈動來判斷是否發生空化，它們都容易受外界噪聲干擾，靈敏度不高，傳感器布置與安裝受測量對象和運行環境限制;圖像法直觀，能實時監測，但是對流體介質的清潔程度、攝像裝置以及后續處理提出了極高的要求。所以，在實際的水輪機空化監測應用研究中，它們的效果并不理想。

水輪機產生空化時，空泡潰滅產生的沖擊波沖擊水輪機過流部件的壁面，使壁面原子的晶格發生位錯變形，并最終以彈性波的形式釋放出猝發能量，從而產生頻率范圍在20kHz～1MHz的高頻聲發射信號聲發射波，并通過水力、機械系統傳播[8]。隨著聲測技術和計算技術的不斷發展，通過測量和研究空化過程中氣泡潰滅時產生的聲發射信號作為判斷空化是否發生及其發展程度的依據[9-11]，已受到越來越多的關注。通過對聲發射高頻信號的提取與分析，既能克服低頻信號的干擾，又有助于準確地診斷水輪機發生空化的位置和嚴重程度等[2]。當然，這也對采集高頻信號的傳感器、數據采集裝置、分析處理方法提出了更高的要求。

3 解決方案

本文擬以LabVIEW 軟件為開發平臺設計出一套集聲發射信號采集與數據處理于一體的、專門服務于水輪機空化狀態監測的自動化系統。聲發射傳感器收集到的聲發射信號前置放大器調理后經高速數據采集卡進入現場工控機系統。在LabVIEW 平臺下實現水輪機空化狀態聲發射信號的數據采集、信號處理、狀態顯示等功能。整個系統的工作原理如圖1所示。

圖1 水輪機空化聲發射信號監測系統工作原理圖

3.1 硬件部分

(1) 聲發射傳感器

選用北京聲華公司生產的SR-150M聲發射傳感器，如圖2所示。該傳感器由壓電陶瓷材料制成，呈圓柱體，外表由不銹鋼材料所包裹，采用磁吸附的方式固定于被測閥門閥體之上，安裝使用方便簡單、靈敏度高。SR-150M聲發射傳感器動態響應范圍為60k~400kHz，中心頻率150kHz，峰值靈敏度：> 65dB。

考慮到水輪機不同位置處的空化聲信號特征可能會不同，將不同編號的傳感器分別安裝到幾個有代表性的位置，如：活動導葉拐臂連桿上，轉輪室外與槳葉裙邊等高的位置，以及尾水管檢修進人孔外等。

(2) 前置放大器

選用北京聲華公司生產的PAI前置放大器。放大倍數為40dB，帶通濾波范圍為10KHz~ 2MHz，單端輸入，工作電壓為28V直流電壓。

(3) 高速數據采集卡

選用凌華科技PCI-9846高速數字化儀，如圖3所示。該高速數字化儀能夠提供高精度、低噪音及高動態范圍性能，高密度且高精準度，應用領域廣泛。主要技術指標有：4通道同步單端模擬輸入，最高采樣頻率為40MS/s，A/D分辨率為16位，輸入范圍為± 5 V 或 ± 1 V、帶512M BSDRAM可供數據存儲。

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圖2 聲華公司生產的SR-150M聲發射傳感器

圖3 凌華科技PCI-9846高速數字化儀

(4) 工業控制計算機

選用的便攜式工控機CPU為INTEL E5200，內存2G，14寸顯示器。

3.2 軟件部分

本文基于LabVIEW開發出的水輪機空化聲發射信號監測系統軟件主界面如圖4所示。

圖4 監測系統主界面

界面劃分為功能選擇區、時域波形顯示區、頻域波形顯示區、空化聲發射特征參數顯示區和趨勢分析顯示區等。它們共同完成如下功能：

(1) 數據采集

采用硬件模塊化的方式方便靈活地實現不同采樣通道數目和采樣頻率的高速數據采集。

該模塊使用了LabVIEW的NI Measurements模板中DAQmx 模塊的各函數，根據不同需要可進行采集通道、采樣模式、采樣頻率、采樣頻段范圍、門檻值等設置。如圖5所示。

圖5 數據采集參數設置界面

(2) 信號處理

本模塊利用LabVIEW 的Signal Processing Suite專用軟件包、函數和子程序庫，對采集到的傳感器信號進行處理和分析，主要包括數字濾波、時域分析、頻域分析、小波分析等。

經實驗室環境下的反復對比測試，選定波擊計數、事件計數、能量計數、RMS值和中心頻率等5種參數作為空化聲發射信號的特征參數。其中，波擊計數(hits) 是一通道上一聲發射信號的探測與測量和所測得波擊個數，可以反映聲發射活動的總量和頻度。事件計數是由一個或幾個波擊鑒別所得聲發射事件的個數。一般情況下一陣列中，一個或幾個波擊對應一個事件。它不僅可以反映聲發射事件的總量，還可以反映聲發射事件的頻度。有效值電壓(RMS) 是采樣時間內信號電平的均方根值，以V表示。與聲發射的大小有關。測量簡便，不受門檻的影響。能量計數是事件信號檢波包絡線下的面積，可以反映事件的相對能量或強度，對門檻、工作頻率和傳播特性不甚敏感，可取代振鈴計數，也用于波源的類型鑒別。

(3) 狀態顯示

狀態監測以數值監測、圖形監測、趨勢監測等形式反映水輪機的空化狀態。數值形式包括：振鈴計數、事件計數、能量、RMS值和中心頻率等。圖形形式包括：空化聲發射信號時域圖、頻譜圖、聲發射信號特征參數隨時間變化的趨勢圖等。

(4) 數據存儲

為了便于數據讀取后進行后處理和管理的方便，本系統把采集到的數據通過數據文件的形式直接保存到指定路徑下。文件名以數據采集的具體時間組合命名。數據分為實時數據和歷史數據兩種。實時數據主要有數據采集參數、聲發射信號原始波形等。歷史數據主要有按年、月、日等進行分檔壓縮存儲的機組正常運轉的歷史數據和機組出現異常情況的歷史數據，包括提取出的振鈴計數、事件計數、能量、RMS值和中心頻率等。這些數據既可用于歷史數據回放和故障分析， 又可為水電機組優化運行提供依據。

4應用實例

尾水管空腔空化是反擊式水輪機特有的一種漩渦空化，它發生在轉輪下方的空腔區域。尤其是反擊式水輪機偏離設計工況運行時，在轉輪后會產生渦帶，渦帶中心形成負壓，形成空化。同時，渦帶會以低于水輪機轉頻的速度在尾水管中旋轉，周期性地撞擊尾水管壁，造成振動和噪聲(其中就包括高頻成分的聲發射信號)，也可能在尾水管進口段邊壁引起空蝕。

本次試驗選在某小型水電站的3#混流式水輪機上進行。該機組容量為8000kW，額定流量16.5m3/s，設計水頭58 m。因投運于20世紀90年代，且缺乏必要的優化運行方案和檢修措施，整個機組的穩定性狀況較差，以往的檢修也證明了尾水管中存在空腔空化與空蝕的破壞。因此，將2套聲發射傳感器分別布置在緊靠尾水管檢修進人孔處和距離進人孔1.2m處，如圖6所示。

圖6 聲發射傳感器布置地點(某水電站尾水進人孔)

分別記錄了從機組帶40%、70%、100%負荷時的聲發射信號及其特征參數。因滿負荷運行時機組狀態較平穩，聲發射信號的各特征參數相對較小，可解釋為水流運動以及撞擊流道產生的噪聲。而在帶70%和40%負荷時，采集到的聲發射信號及其特征參數變化明顯，尤其是頻譜中113kHz附近的頻率成分隨著所帶負荷的減少而不斷增加，而且試驗人員在現場的震感較100%負荷時越加明顯。表1列出了70%和40%負荷這兩種工況下的聲發射信號特征參數。

表1 不同工況下水輪機尾水空腔空化聲發射信號特征參數對比

從表中可以看出，40%負荷下的各項參數均比70%負荷時大，有些參數的變化幅度較大，如事件計數、波擊計數、能量率等，說明前者的聲發射現象比后者劇烈。這與低負荷工況下水輪機流態惡化、振動加劇、空腔空化嚴重的理論與實踐結果是一致的，也在一定程度上反映了本文中開發出的系統在數據采集、特征參數提取上的合理性。

因為試驗條件的限制，未能進行更多工況下的聲發射信號采集，也由于整個行業內缺乏有關聲發射特征選取的界定標準，所以有關聲發射信號特征參數與水輪機空化發展程度的對應關系還有待進一步的系統的研究。

5結論

本文基于LabVIEW平臺開發出了集數據采集與信號處理于一體的用于水輪機空化聲發射信號監測的綜合系統。凌華科技PCI-9846高速數字化儀在完成高速聲發射信號采集方面發揮了重要的作用。從在某水電站現場應用的情況來看，采集并分析出的113kHz的高頻成分的變化，反映了該電站中的水輪機在低負荷工況下空腔空化的存在。該結論在一定程度上證明了本系統在設計與實現上的合理性，以及在水輪機空化狀態監測中的可行性。