，

(河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 211100)

水電站引水系統(tǒng)的安全運行是水利水電工程運行安全的重要保障[1-2]。當(dāng)水電站引水系統(tǒng)為壓力鋼管且采取明管型式鋪設(shè)時，其安全問題就顯得十分突出。第一，在遇到地震、塌方等災(zāi)害時，存在著失穩(wěn)威脅；第二，日常運行中，發(fā)電機組的啟、停及調(diào)整負荷等動作, 會產(chǎn)生不同程度的水錘現(xiàn)象, 可能使鋼管內(nèi)產(chǎn)生或大或小的壓力,從而導(dǎo)致壓力鋼管發(fā)生爆裂、失穩(wěn)或壓扁現(xiàn)象[3]。一旦壓力鋼管出現(xiàn)爆裂或嚴(yán)重泄漏, 其沖擊將給電廠帶來毀滅性的影響[4-5]。若無有效的監(jiān)控手段作出預(yù)防, 避免事故的出現(xiàn), 則有可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，并將嚴(yán)重影響電廠的其他重要設(shè)施[6-8]。由此可見, 引水系統(tǒng)壓力鋼管實時安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計是一項十分重要且非常緊迫的研究課題。

1 壓力鋼管安全監(jiān)測現(xiàn)狀及存在問題

從目前國內(nèi)壓力鋼管運行安全監(jiān)測技術(shù)來看，部分水電站的管理部門主觀上還缺乏重視，投資嚴(yán)重不足，也有少數(shù)國內(nèi)水電站企業(yè)已經(jīng)注意到壓力鋼管的運行安全問題，對壓力鋼管明管內(nèi)的某一參數(shù)或部分參數(shù)如水流流速、動水壓力、位移進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)采用自動采集并傳輸至中央控制室的方式[8-9]。雖然自動化程度高，相比人工測量方式已經(jīng)有很大的進步，但這種監(jiān)測方式還是顯得比較片面和單一；主要表現(xiàn)在關(guān)系壓力鋼管焊接部位、與壓力鋼管振動疲勞損傷有關(guān)的振動加速度、整體剛度表現(xiàn)特征的振動頻率的變化等參數(shù)沒有體現(xiàn)出來，無法全面真實地反映壓力鋼管及伸縮節(jié)的運行安全問題。因此，必須設(shè)計一種全新的壓力鋼管實時安全監(jiān)測與專家分析系統(tǒng)來完成監(jiān)測任務(wù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計原則及組成

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原則

系統(tǒng)的設(shè)計主要遵循以下原則：超前性、實時性、穩(wěn)定性、有效性、普遍性、擴展性、規(guī)范性和安全保密性。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)程序設(shè)計方案

壓力鋼管安全運行實時監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能模塊主要包括：數(shù)據(jù)采集與存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、時域分析模塊、頻域分析模塊、系統(tǒng)分析模塊、報警系統(tǒng)模塊、輸出打印模塊、人機界面以及初始狀態(tài)設(shè)置模塊，監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能模塊框架結(jié)構(gòu)如圖1所示[10]。

圖1 壓力鋼管監(jiān)測系統(tǒng)主要功能模塊示意圖Fig.1 Major functional modules of penstocks monitoring system

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)的組成

2.3.1 基于有線局域網(wǎng)構(gòu)建的監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)壓力鋼管的實際情況，本系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)[11]。系統(tǒng)包括傳感器設(shè)備層、數(shù)據(jù)采集控制層和監(jiān)控管理層3級[10]。由局域網(wǎng)構(gòu)建的壓力鋼管及伸縮節(jié)自動監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 基于局域網(wǎng)的壓力鋼管及伸縮節(jié)自動監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig.2 Automatic monitoring system of penstocks and expansion joint based on local area network

2.3.2 基于無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)采用無線傳輸方式需由移動運營商提供無線通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋，對于多臺同時監(jiān)控與監(jiān)測，每臺壓力鋼管監(jiān)測系統(tǒng)必須有一個無線移動網(wǎng)絡(luò)卡號，利用3G或4G網(wǎng)絡(luò)實時向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)?；谝苿踊ヂ?lián)網(wǎng)建立的壓力鋼管及伸縮節(jié)自動監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 基于無線網(wǎng)絡(luò)的壓力鋼管及伸縮節(jié)自動監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig.3 Automatic monitoring system of penstocks and expansion joint based on wireless network

如果中控室離現(xiàn)場較近，建議采用光纜傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)通訊，穩(wěn)定可靠，且便于維護。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理與功能

根據(jù)影響壓力鋼管及伸縮節(jié)安全運行的因素分析，本系統(tǒng)是通過對引水鋼管的應(yīng)力、位移、加速度、共振頻率、溫度、動水壓力等進行在線監(jiān)測，判斷各因素的異常變化，從而實現(xiàn)對鋼管是否存在安全隱患進行實時判斷與監(jiān)控。這在國外許多著名的水電站有類似的設(shè)備，但監(jiān)測的因素多且比較單一，不夠全面。本系統(tǒng)經(jīng)過改進和完善，對以往研究者在壓力鋼管安全監(jiān)測方面的研究進行了優(yōu)化和完善。

3.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)各傳感器被安裝在壓力鋼管及伸縮節(jié)相應(yīng)的部位，將被監(jiān)測點的物理量轉(zhuǎn)化為弱電信號，該弱電信號經(jīng)各傳感器調(diào)理器進行放大、濾波等調(diào)理后送數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀將采集數(shù)據(jù)傳輸給現(xiàn)場監(jiān)測計算機?，F(xiàn)場監(jiān)測計算機對采集的數(shù)據(jù)做相關(guān)分析，獲得被測結(jié)構(gòu)的共振頻率及各測點的最大值及其他如應(yīng)力等值。被監(jiān)測數(shù)據(jù)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀直接通過無線網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)傳輸給中控室的計算機，中控計算機或服務(wù)器對現(xiàn)場傳來的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過專家系統(tǒng)進行進一步分析，并在人機界面顯示現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化[12]。若監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則計算機給出報警信息，顯示異常數(shù)據(jù)所在的位置與類型,以便及時作出處理。

3.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要有監(jiān)測功能、顯示功能、存儲功能、數(shù)據(jù)通訊功能、數(shù)據(jù)管理功能、系統(tǒng)自檢功能、系統(tǒng)供電功能、防震、防塵功能、防雷、抗干擾功能和短信報警功能。

4 現(xiàn)場測點布置與設(shè)備安裝

監(jiān)測點的優(yōu)化選擇和合理布置是壓力鋼管監(jiān)測診斷技術(shù)信息采集的首要問題, 直接影響到壓力鋼管運行性態(tài)監(jiān)測的可靠性和準(zhǔn)確性,同時也會影響監(jiān)測技術(shù)投入的成本。

在測點布置和安裝時，應(yīng)考慮以下因素：

(1)便于壓力鋼管的安全運行，有利于鋼管的安全檢修。

(2)合理選擇和使用傳感元件，與鋼管運行監(jiān)測點選擇布置有機的配合，既要考慮它的可行性又要考慮它的必要性。

(3)防止因為安裝工藝或者環(huán)境條件而降低監(jiān)測點的準(zhǔn)確性。

(4)在實踐中可根據(jù)需要對測點的安裝位置進行調(diào)整，不斷優(yōu)化測點布置[13]。

圖4為初步擬定的加速度、溫度、動水壓力監(jiān)測測點布置示意圖[10]。

圖4 加速度、動水壓力及溫度現(xiàn)場監(jiān)測示意圖Fig.4 Schematic diagram of field monitoring of acceleration, hydrodynamic pressure and temperature

4.1 應(yīng)力監(jiān)測

應(yīng)力監(jiān)測主要考慮監(jiān)測壓力鋼管明管段及伸縮節(jié)應(yīng)力集中的地方，如環(huán)形加強勁的部位、螺栓連接部位及鋼管焊接部位等；有些則是為了考察其應(yīng)力緩變狀態(tài)及荷載作用下應(yīng)變變化狀態(tài)而設(shè)置的監(jiān)測點，如壓力鋼管及伸縮節(jié)的中間位置、壓力鋼管在鎮(zhèn)墩周圍的應(yīng)力分布等。

一般應(yīng)力監(jiān)測主要是監(jiān)測被測構(gòu)件2個方向或單方向的主應(yīng)力如軸向應(yīng)力、切向應(yīng)力等，對于剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力一般難以監(jiān)測，可通過計算的方法與監(jiān)測應(yīng)力結(jié)合起來進行安全判定。應(yīng)力監(jiān)測可以有多點，主要根據(jù)需要與成本考慮；首要原則是監(jiān)測數(shù)據(jù)必須能反映壓力鋼管及伸縮節(jié)在整個運行狀態(tài)中可能出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置，但過多的應(yīng)力監(jiān)測點將導(dǎo)致設(shè)備成本隨之增加。

圖5至圖7為應(yīng)力監(jiān)測的各種測點布置示意圖。

圖5 壓力鋼管應(yīng)力測點現(xiàn)場監(jiān)測布置Fig.5 Layout of field stress measuring points on penstocks

圖6 壓力鋼管焊接部位應(yīng)變監(jiān)測示意圖Fig.6 Schematic diagram of strain monitoring for the welded part of penstocks

圖7 壓力鋼管焊接與應(yīng)力集中部位應(yīng)變監(jiān)測示意圖Fig.7 Schematic diagram of strain monitoring for the welded part and stress-concentrated part of penstocks

4.2 溫度監(jiān)測

溫度監(jiān)測相對比較簡單，主要監(jiān)測對壓力鋼管及伸縮節(jié)運行參數(shù)有影響的溫度變化情況。通常直接將溫度傳感器安裝在壓力鋼管及伸縮節(jié)的表面就可以，鋼管表面溫度同時也反映了引水管管道內(nèi)流體的溫度。在鋼管表面任意位置布置一個測點用于監(jiān)測引水管道內(nèi)流體的溫度及環(huán)境溫度變化。溫度現(xiàn)場監(jiān)測布置如圖4所示。

4.3 動水壓力監(jiān)測

與溫度監(jiān)測類似，動水壓力監(jiān)測也相對比較簡單，在壓力鋼管的某一位置安裝動水壓力傳感器，監(jiān)測該點的動水壓力。動水壓力監(jiān)測需要對各種增棄負荷、正常運行等不同工況過渡過程下引水系統(tǒng)(鋼管)內(nèi)流體壓力分布情況進行分析計算，并結(jié)合現(xiàn)場試驗，選取其中動水壓力最大的區(qū)域安裝傳感器。這是因為引水系統(tǒng)內(nèi)受水流沖刷路線不同，其壓力分布也不一樣，且與機組的不同工況有關(guān)。動水壓力現(xiàn)場監(jiān)測布置如圖4所示。

4.4 位移監(jiān)測

圖8為伸縮節(jié)位移現(xiàn)場監(jiān)測布置示意圖。

圖8 伸縮節(jié)位移現(xiàn)場監(jiān)測布置示意圖Fig.8 Schematic diagram of field monitoring of expansion joint displacement

這種監(jiān)測布點方式主要是基于以下2種假設(shè)：

(1)伸縮節(jié)的外殼本身不會發(fā)生彎曲變形，或者發(fā)生彎曲變形的幅度與監(jiān)測位移相比，可以忽略不計。

(2)伸縮節(jié)自身沿軸向的滾動位移不予考慮。

對于一些其他結(jié)構(gòu)的壓力鋼管也可以增加位移監(jiān)測點。

4.5 加速度監(jiān)測

如圖4所示，加速度監(jiān)測方式主要考慮在壓力鋼管及伸縮節(jié)上各布置一個測點，伸縮節(jié)上的加速度測點布置在軸向中部，壓力鋼管上加速度測點布置在靠近伸縮節(jié)的位置。每個測點監(jiān)測3個方向的加速度信號，分別為2個水平向，即沿引水管道軸線方向和管道切線方向，一個豎直方向。通過對每個測點的加速度時程進行分析，即可獲得各測點每個振動方向的各階振動頻率。另外，將壓力鋼管上的振動響應(yīng)信號作為激勵信號，伸縮節(jié)上的加速度信號作為響應(yīng)信號，將兩者之間對應(yīng)方向的加速度信號作傳函分析，獲得壓力鋼管與伸縮節(jié)振動響應(yīng)之間的傳函關(guān)系。

設(shè)輸入信號u(t)是由激勵信號x(t)和噪聲信號m(t)組成，而響應(yīng)信號v(t)同樣也是由激勵的響應(yīng)信號y(t)和噪聲信號n(t)組成，則u(t)和v(t)的功率譜密度(W/Hz)分別為：

Gu(f)=Gx(f)+Gm(f) ；

(1)

Gv(f)=Gy(f)+Gn(f) ；

(2)

Guv(f)=Gxy(f) 。

(3)

式中：Gx(f)為輸入信號功率譜密度(W/Hz)；Gm(f)為輸入噪聲信號功率譜密度(W/Hz)；Gy(f)為輸出信號功率譜密度(W/Hz);Gn(f)為輸出噪聲信號功率譜密度(W/Hz);Guv(f)為考慮輸出噪聲時的功率譜密度(W/Hz);Gxy(f)為不考慮輸出噪聲時的功率譜密度(W/Hz)。

一般情況下，壓力鋼管的振動與伸縮節(jié)的振動被看作平穩(wěn)隨機過程，不考慮輸出噪聲影響時的傳遞函數(shù)為

(4)

式中H1(f)為不考慮輸出噪聲影響時的傳遞函數(shù)。

考慮輸出噪聲影響時的傳遞函數(shù)為

(5)

式中H2(f)為考慮輸出噪聲影響時的傳遞函數(shù)。

由式(4)和式(5)可以看出，兩者的計算結(jié)果是不同的，前者沒有考慮輸出噪聲的影響，而后者同時考慮輸入輸出噪聲的影響。

式(4)、式(5)傳遞函數(shù)的主頻就是它們之間振動傳遞的共振頻率，主頻處的幅值即為信號的放大倍數(shù)。

可用一個新的函數(shù)r2(f)來表征兩者之間的計算差異，定義為相關(guān)函數(shù)的表達式為

(6)

對于一個單輸入和單輸出的常系數(shù)線性系統(tǒng)來說，在理想的情況下，相關(guān)系數(shù)=1；但實際情況下，壓力鋼管及伸縮節(jié)之間的振動信號傳遞關(guān)系存在非線性，以及外界的干擾噪聲的影響，相關(guān)系數(shù)一般總是<1。當(dāng)相關(guān)系數(shù)<0.3時，認為響應(yīng)信號與輸入信號之間的傳遞關(guān)系是不相關(guān)的。根據(jù)相關(guān)函數(shù)分析，得到相關(guān)參數(shù)如共振頻率、放大系數(shù)及阻尼比等，為進一步研究壓力鋼管的振動對伸縮節(jié)的影響奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

壓力鋼管運行安全監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，既對發(fā)電企業(yè)的安全管理及現(xiàn)場的人員生命和財產(chǎn)安全具有重要的意義,又可以提高工作效率，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，對社會的經(jīng)濟發(fā)展添磚加瓦。

本系統(tǒng)對以往的壓力鋼管安全監(jiān)測系統(tǒng)進行了改進和完善，使之更加科學(xué)化和智能化，以期為壓力鋼管安全運行監(jiān)測工作提供參考依據(jù)。

參考文獻：

[1] 鈕新強,楊啟貴,譚界雄，等.水庫大壩安全評價[M].北京：中國水利水電出版社,2007.

[2] SL 226—1998,水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報廢標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國水利水電出版社，1998.

[3] 韋山紅.水電站壓力鋼管破壞影響因素與改進措施[J].紅水河，2013，32(4)：64-66，71.

[4] 維姆·文德斯.水電站事故[M].北京：中國電力出版社， 2004.

[5] STUTSMAN R D. Penstock Safety: Proactive or Reactive[J]. Journal of Energy Engineering，1996，122(2):2-9.

[6] 林忠燊.巖豐水電站壓力鋼管事故分析兼談水力振動的危害性[J].廣東水電科技，1988，(2)：45-47.

[7] 周建旭，索麗生，郭銳勤.水電站水力振動實例分析[J].水力發(fā)電學(xué)報，1998，(4):50-55.

[8] 汪中涵.壓力鋼管的安全監(jiān)控系統(tǒng)[J].水利水文自動化，2000,(2)：24-25，40.

[9] 趙慧榮.上標(biāo)水電站壓力明鋼管的安全運行與監(jiān)控[J].大壩與安全，2009,(1)：39-44，53.

[10] 黃 波，肖 劍，唐衛(wèi)平，等.水電廠壓力鋼管運行安全監(jiān)測及預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究[J].湖南電力，2016，36(3)：15-18.

[11] 梁文員.分布式Web安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 長沙：中南大學(xué)，2013.

[12] 吳中如，顧沖時.大壩安全綜合評價專家系統(tǒng)[M]. 北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

[13] 劉曉亭.水力機組運行設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的測點布置研究[J].湖北電力，1995，(4)：31-35.