PCI在提高水轮机空化噪声频谱研究精度的方法中的应用.pdfVIP

案例名称：研华高速采集板卡CI-1714在电力行业提高水轮机空化噪声频谱分析精度的方法研究中的应用

行业分类：电力

地点：

工程介绍：水轮机空化空蚀是造成机组运行不稳定的主要因素之一，其空化振动噪声常表现为非平稳性，采样非同

系统需求

步误差以及加窗截断必将会导致频谱能量泄漏、使频谱分析结果存在误差，进而影响机组空化诊断的准确性。本文

按照GB/T15469－1995对空化(Cavitation)的定义：空化是当流道中局部压力下降至临界压力(一

在对空化噪声产生机理及其特征分析的基础上，兼顾工程中算法实现的可能性以及空化监测系统的分析实时性，通

般接近汽化压力)时，水中气核成长为气泡，气泡的聚积、流动、分裂、溃灭过程的总称。由于

过选择Welch频谱分析方法、选取Hanning窗函数，并采用双峰谱线频谱校正算法等措施，以此提高空化噪声的频

空化造成的过流部件材料损坏称为空蚀(CavitationErosion）。水轮机中的空化、空蚀是造成

谱分析的准确性。文中给出了频谱幅值修正的算法，并列举了部分实验结果。

水轮机能量特性下降、运行不稳定的主要原因之一，其严重程度已经成为一般水电厂大修周期的

决定性因素。由于空化、空蚀常常会引起水轮机内的噪声增强、振动加剧以及机组效率急速下降

[1]

等现象，因此噪声法、振动法成为目前监测水轮机空化空蚀的主要手段。由于空泡溃灭过程的

持续时间极短，变化又非常剧烈，水轮机空化噪声呈现出脉冲性的振动声波，表现出非平稳性

性。虽然小波变换可以根据信号不同的频率成分，自动调节采样密度，实现在时域和频域同时具

有良好的局部化特性，从而可以很好的处理空化噪声的突变等情况，但数据经小波变换后得到的

是小波系数，而不是信号的频谱值，缺乏直观性，在频谱分析方面并不具备较高的优势。在空化

噪声的频谱分析中，基于傅立叶变换(FT)的频谱分析方法仍然有着不可比拟的重要性。但是，

由于空化信号的非平稳性，等间距自由采样必存在非同步采样误差，产生频谱能量泄漏，难以获

得高精度的测量结果。尤其在水轮机开/停机过程中，频谱泄漏更为严重，因为水轮机在开/停机

过程中的振动空化声响可以说是典型的带有调频调幅特性的瞬态信号，进行傅立叶频谱分析，获

得的往往是整个开/停机过程中的振动声响的平均效应，这种情况往往会掩盖水轮机的开机或停

机过程中的瞬态特性。因此，本文采用选取合适的窗函数、采用合理的频谱分析方法、并进行频

谱校正等方法从不同的角度实现测量误差的最小化。

系统描述

1.水轮机空化振动噪声特性及其监测原理

空化噪声的频谱取决于两个因素：(1)单位时间内溃灭的汽泡的数目和溃灭的速度，(2)溃灭发生

时所引起冲击压的传播介质。由于气核的产生、成长以及溃灭的随机性，导致空化噪声的宽频特

性，不仅包含20Hz～20kHz的可闻听的声波，又包含20kHz以上的超声波信号，表现为非平稳性，

在水轮机的开/停机过程中，这种非平稳性会表现的尤为突出。

水轮机空化、空蚀的过程与水轮机的运行状态以及尾水管的压力脉动有着密切的关联。在空化、

空蚀监测单元中，需要获得水轮机的工况状态信息。这些状态信息可以直接从水轮机状态监测与

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诊断单元中采用CAN通信方式获得。整个监测单元的架构如图1所示。在本系统中，采用4只

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高频振动加速度传感器LC0151TA以及宽频超声波接收器SR15，分别安装在1和9导叶连杆拐臂

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套筒、4导叶附近的靠近水导轴承的支持盖上、尾水管检修门等地方。所选用的研华采集卡PCI

－1712、PCI－1714分别以150kHz/Chan和2.5MHz/Chan的采样频率