壓力鋼管運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

，

(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(yùn)行是水利水電工程運(yùn)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(shí)，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(shí)，存在著失穩(wěn)威脅；第二，日常運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)組的啟、停及調(diào)整負(fù)荷等動(dòng)作, 會(huì)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(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分重要且非常緊迫的研究課題。

1 壓力鋼管安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及存在問題

從目前國內(nèi)壓力鋼管運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)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(yùn)行安全問題，對(duì)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(dòng)水壓力、位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采用自動(dòng)采集并傳輸至中央控制室的方式[8-9]。雖然自動(dòng)化程度高，相比人工測(cè)量方式已經(jīng)有很大的進(jìn)步，但這種監(jiān)測(cè)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(dòng)疲勞損傷有關(guān)的振動(dòng)加速度、整體剛度表現(xiàn)特征的振動(dòng)頻率的變化等參數(shù)沒有體現(xiàn)出來，無法全面真實(shí)地反映壓力鋼管及伸縮節(jié)的運(yùn)行安全問題。因此，必須設(shè)計(jì)一種全新的壓力鋼管實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)與專家分析系統(tǒng)來完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及組成

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要遵循以下原則：超前性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、有效性、普遍性、擴(kuò)展性、規(guī)范性和安全保密性。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方案

壓力鋼管安全運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件功能模塊主要包括：數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、時(shí)域分析模塊、頻域分析模塊、系統(tǒng)分析模塊、報(bào)警系統(tǒng)模塊、輸出打印模塊、人機(jī)界面以及初始狀態(tài)設(shè)置模塊，監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)的組成

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

根據(jù)壓力鋼管的實(shí)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(jí)[10]。由局域網(wǎng)構(gòu)建的壓力鋼管及伸縮節(jié)自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用無線傳輸方式需由移動(dòng)運(yùn)營商提供無線通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋，對(duì)于多臺(tái)同時(shí)監(jiān)控與監(jiān)測(cè)，每臺(tái)壓力鋼管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須有一個(gè)無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)卡號(hào)，利用3G或4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)建立的壓力鋼管及伸縮節(jié)自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(chǎng)較近，建議采用光纜傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，穩(wěn)定可靠，且便于維護(hù)。

3 監(jiān)測(cè)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(yùn)行的因素分析，本系統(tǒng)是通過對(duì)引水鋼管的應(yīng)力、位移、加速度、共振頻率、溫度、動(dòng)水壓力等進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，判斷各因素的異常變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管是否存在安全隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)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(cè)的因素多且比較單一，不夠全面。本系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)和完善，對(duì)以往研究者在壓力鋼管安全監(jiān)測(cè)方面的研究進(jìn)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(cè)點(diǎn)的物理量轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)，該弱電信號(hào)經(jīng)各傳感器調(diào)理器進(jìn)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(chǎng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)做相關(guān)分析，獲得被測(cè)結(jié)構(gòu)的共振頻率及各測(cè)點(diǎn)的最大值及其他如應(yīng)力等值。被監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)，中控計(jì)算機(jī)或服務(wù)器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過專家系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步分析，并在人機(jī)界面顯示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化[12]。若監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則計(jì)算機(jī)給出報(bào)警信息，顯示異常數(shù)據(jù)所在的位置與類型,以便及時(shí)作出處理。

3.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要有監(jiān)測(cè)功能、顯示功能、存儲(chǔ)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(bào)警功能。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置與設(shè)備安裝

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化選擇和合理布置是壓力鋼管監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)信息采集的首要問題, 直接影響到壓力鋼管運(yùn)行性態(tài)監(jiān)測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性,同時(shí)也會(huì)影響監(jiān)測(cè)技術(shù)投入的成本。

在測(cè)點(diǎn)布置和安裝時(shí)，應(yīng)考慮以下因素：

(1)便于壓力鋼管的安全運(yùn)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(yùn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇布置有機(jī)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?yàn)榘惭b工藝或者環(huán)境條件而降低監(jiān)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確性。

(4)在實(shí)踐中可根據(jù)需要對(duì)測(cè)點(diǎn)的安裝位置進(jìn)行調(diào)整，不斷優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布置[13]。

圖4為初步擬定的加速度、溫度、動(dòng)水壓力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖[10]。

圖4 加速度、動(dòng)水壓力及溫度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)示意圖Fig.4 Schematic diagram of field monitoring of acceleration, hydrodynamic pressure and temperature

4.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要考慮監(jiān)測(cè)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(qiáng)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(cè)點(diǎn)，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(cè)主要是監(jiān)測(cè)被測(cè)構(gòu)件2個(gè)方向或單方向的主應(yīng)力如軸向應(yīng)力、切向應(yīng)力等，對(duì)于剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力一般難以監(jiān)測(cè)，可通過計(jì)算的方法與監(jiān)測(cè)應(yīng)力結(jié)合起來進(jìn)行安全判定。應(yīng)力監(jiān)測(cè)可以有多點(diǎn)，主要根據(jù)需要與成本考慮；首要原則是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須能反映壓力鋼管及伸縮節(jié)在整個(gè)運(yùn)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(cè)點(diǎn)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(cè)的各種測(cè)點(diǎn)布置示意圖。

圖5 壓力鋼管應(yīng)力測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)

溫度監(jiān)測(cè)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要監(jiān)測(cè)對(duì)壓力鋼管及伸縮節(jié)運(yùn)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(shí)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(gè)測(cè)點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)引水管道內(nèi)流體的溫度及環(huán)境溫度變化。溫度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置如圖4所示。

4.3 動(dòng)水壓力監(jiān)測(cè)

與溫度監(jiān)測(cè)類似，動(dòng)水壓力監(jiān)測(cè)也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，在壓力鋼管的某一位置安裝動(dòng)水壓力傳感器，監(jiān)測(cè)該點(diǎn)的動(dòng)水壓力。動(dòng)水壓力監(jiān)測(cè)需要對(duì)各種增棄負(fù)荷、正常運(yùn)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(jìn)行分析計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選取其中動(dòng)水壓力最大的區(qū)域安裝傳感器。這是因?yàn)橐到y(tǒng)內(nèi)受水流沖刷路線不同，其壓力分布也不一樣，且與機(jī)組的不同工況有關(guān)。動(dòng)水壓力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置如圖4所示。

4.4 位移監(jiān)測(cè)

圖8為伸縮節(jié)位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置示意圖。

圖8 伸縮節(jié)位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置示意圖Fig.8 Schematic diagram of field monitoring of expansion joint displacement

這種監(jiān)測(cè)布點(diǎn)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(huì)發(fā)生彎曲變形，或者發(fā)生彎曲變形的幅度與監(jiān)測(cè)位移相比，可以忽略不計(jì)。

(2)伸縮節(jié)自身沿軸向的滾動(dòng)位移不予考慮。

對(duì)于一些其他結(jié)構(gòu)的壓力鋼管也可以增加位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4.5 加速度監(jiān)測(cè)

如圖4所示，加速度監(jiān)測(cè)方式主要考慮在壓力鋼管及伸縮節(jié)上各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，伸縮節(jié)上的加速度測(cè)點(diǎn)布置在軸向中部，壓力鋼管上加速度測(cè)點(diǎn)布置在靠近伸縮節(jié)的位置。每個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)3個(gè)方向的加速度信號(hào)，分別為2個(gè)水平向，即沿引水管道軸線方向和管道切線方向，一個(gè)豎直方向。通過對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程進(jìn)行分析，即可獲得各測(cè)點(diǎn)每個(gè)振動(dòng)方向的各階振動(dòng)頻率。另外，將壓力鋼管上的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，伸縮節(jié)上的加速度信號(hào)作為響應(yīng)信號(hào)，將兩者之間對(duì)應(yīng)方向的加速度信號(hào)作傳函分析，獲得壓力鋼管與伸縮節(jié)振動(dòng)響應(yīng)之間的傳函關(guān)系。

設(shè)輸入信號(hào)u(t)是由激勵(lì)信號(hào)x(t)和噪聲信號(hào)m(t)組成，而響應(yīng)信號(hào)v(t)同樣也是由激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)y(t)和噪聲信號(hào)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(hào)功率譜密度(W/Hz)；Gm(f)為輸入噪聲信號(hào)功率譜密度(W/Hz)；Gy(f)為輸出信號(hào)功率譜密度(W/Hz);Gn(f)為輸出噪聲信號(hào)功率譜密度(W/Hz);Guv(f)為考慮輸出噪聲時(shí)的功率譜密度(W/Hz);Gxy(f)為不考慮輸出噪聲時(shí)的功率譜密度(W/Hz)。

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

(4)

式中H1(f)為不考慮輸出噪聲影響時(shí)的傳遞函數(shù)。

考慮輸出噪聲影響時(shí)的傳遞函數(shù)為

(5)

式中H2(f)為考慮輸出噪聲影響時(shí)的傳遞函數(shù)。

由式(4)和式(5)可以看出，兩者的計(jì)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(shí)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(dòng)傳遞的共振頻率，主頻處的幅值即為信號(hào)的放大倍數(shù)。

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

(6)

對(duì)于一個(gè)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(shí)際情況下，壓力鋼管及伸縮節(jié)之間的振動(dòng)信號(hào)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(shí)，認(rèn)為響應(yīng)信號(hào)與輸入信號(hào)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(jìn)一步研究壓力鋼管的振動(dòng)對(duì)伸縮節(jié)的影響奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

壓力鋼管運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，既對(duì)發(fā)電企業(yè)的安全管理及現(xiàn)場(chǎng)的人員生命和財(cái)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(jì)效益，對(duì)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展添磚加瓦。

本系統(tǒng)對(duì)以往的壓力鋼管安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)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(yùn)行監(jiān)測(cè)工作提供參考依據(jù)。

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