抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置及方法与流程

本发明涉及电力监测技术领域，特别涉及一种抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置及方法。

背景技术：

抽水蓄能机组(在电力负荷低谷时将剩余电能转化为机械能，把下库水抽至上水库；在电力负荷高峰期通过放水将上库水的势能转化为电能的发电抽水装置)反应迅速、运行方式灵活，在电力系统中有调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能，为电网的安全稳定及经济运行发挥了重要作用。此外，随机性、间歇性新能源大规模的开发需要抽水蓄能电站来进行消纳和存储。这就使得抽水蓄能电站迎来了良好的发展机遇。近年来，抽水蓄能电站建设的速度加快，在研、在设、在建及运行的抽水蓄能电站总数量和总机组数量不断扩大。

抽水蓄能机组具有水头高与转速快的特点，机组运行时，顶盖承受较大的水压力动载荷，尤其是过渡过程，顶盖受到水锤压力波的冲击(如图1所示，某抽水蓄能机组甩负荷过程)，若顶盖螺栓(将顶盖与底环连接在一起的螺栓)连接不紧固、存在疲劳破坏现象或螺栓强度不够，则可能会出现螺栓断裂，顶盖被掀起，从而出现抽水蓄能机组被破坏，甚至水淹厂房的严重事故，造成巨大的生命财产损失。

目前，抽水蓄能电站正朝着数字化智能型的方向发展，无人值班或少人值守是发展方向。因此，非常有必要对机组关键部件顶盖连接螺栓进行受力在线监测。现有的可以利用呈环柱体的弹性垫圈的变形来判断螺母与螺栓的紧固状态，其测量原理如图2所示：

通过粘贴在弹性垫圈上的测试应变片的变形来测量螺母与螺栓之间的紧固力。在拧紧螺栓的过程中，按照预置的拧紧圈数间隔读取并记录测试应变片测得的信号数据，建立拧紧圈数和信号数据值之间的关系，直至螺栓被完全拧紧。当测试应变片测得的信号数据小于预设的阈值时(螺栓被完全拧紧对应信号数据的0.8～0.9倍)，认为螺母的紧固状态出现了问题。

采用该方法存在以下缺点：(1)测试应变片的应变与螺栓受力不能建立直接对应关系，不能根据测试应变片的应变来监测螺栓的受力情况。(2)紧固螺栓用的呈环柱体弹性垫圈需要额外设计加工，会增加较多的加工成本。(3)水车室顶盖处的温度昼夜、夏冬季节变化较大，测量应变片会产生温漂，从而影响测量准确度。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置，采用压电式力传感器可以直接测得顶盖螺栓的受力值，从而可以对抽水蓄能机组顶盖螺栓受力进行监测，该压电式力传感器无需额外设计且不存在温漂，可以提高测量准确度。该抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置包括：压电式力传感器、信号调理装置、数据采集处理装置；

其中，所述压电式力传感器套装于顶盖螺栓上；所述压电式力传感器与所述信号调理装置连接；所述信号调理装置与所述数据采集处理装置连接；

所述压电式力传感器用于实时测量顶盖螺栓的受力值；

所述信号调理装置用于将所述顶盖螺栓的受力值转换成受力信号；

所述数据采集处理装置用于采集所述受力信号，将所述受力信号与预存的受力信号进行比较，根据比较结果确定顶盖螺栓的异常状态。

在一个实施例中，所述数据采集处理装置具体用于：

对所述受力信号进行时频域分析，获得第一时频域分析结果；

对预存的受力信号进行时频域分析，获得第二时频域分析结果；

将第一时频域分析结果与第二时频域分析结果进行比较，当第一时频域分析结果中的受力数值大于第二时频域分析结果中的受力数值，或，第一时频域分析结果中的主要频率成分与第二时频域分析结果中的主要频率成分不同时，确定顶盖螺栓处于异常状态；当第一时频域分析结果与第二时频域分析结果一致时，确定顶盖螺栓处于正常状态。

在一个实施例中，还包括：与所述数据采集处理装置连接的报警装置；

所述数据采集处理装置还用于：当第一时频域分析结果中的受力数值大于第二时频域分析结果中的受力数值，或，第一时频域分析结果中的主要频率成分与第二时频域分析结果中的主要频率成分不同时，产生报警指令，并将所述报警指令发送至所述报警装置；

所述报警装置用于：接收所述报警指令，并根据所述报警指令发出报警信号。

在一个实施例中，所述报警装置为语音报警装置或蜂鸣器。

在一个实施例中，所述数据采集处理装置还用于：当第一时频域分析结果中的受力数值大于第二时频域分析结果中的受力数值，或，第一时频域分析结果中的主要频率成分与第二时频域分析结果中的主要频率成分不同时，发出报警信号。

在一个实施例中，所述压电式力传感器还用于：测量顶盖螺栓在拧紧过程中的拧紧力。

本发明实施例提供了一种抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测方法，采用压电式力传感器可以直接测得顶盖螺栓的受力值，从而可以对抽水蓄能机组顶盖螺栓受力进行监测，该压电式力传感器无需额外设计且不存在温漂，可以提高测量准确度。该方法包括：

实时测量顶盖螺栓的受力值；

将所述顶盖螺栓的受力值转换成受力信号；

将所述受力信号与预存的受力信号进行比较，根据比较结果确定顶盖螺栓的异常状态。

在一个实施例中，将所述受力信号与预存的受力信号进行比较，根据比较结果确定顶盖螺栓的异常状态，包括：

对所述受力信号进行时频域分析，获得第一时频域分析结果；

对预存的受力信号进行时频域分析，获得第二时频域分析结果；

将第一时频域分析结果与第二时频域分析结果进行比较，当第一时频域分析结果中的受力数值大于第二时频域分析结果中的受力数值，或，第一时频域分析结果中的主要频率成分与第二时频域分析结果中的主要频率成分不同时，确定顶盖螺栓处于异常状态；当第一时频域分析结果小于或等于第二时频域分析结果时，确定顶盖螺栓处于正常状态。

在一个实施例中，还包括：

当第一时频域分析结果中的受力数值大于第二时频域分析结果中的受力数值，或，第一时频域分析结果中的主要频率成分与第二时频域分析结果中的主要频率成分不同时，发出报警信号。

在一个实施例中，还包括：测量顶盖螺栓在拧紧过程中的拧紧力。

在本发明实施例中，通过套装于顶盖螺栓上的压电式力传感器实时测量顶盖螺栓的受力值；通过与压电式力传感器连接的信号调理装置将顶盖螺栓的受力值转换成受力信号；通过与信号调理装置连接的数据采集处理装置采集所述受力信号，将所述受力信号与预存的受力信号进行比较，根据比较结果确定顶盖螺栓的异常状态。与现有技术相比，本发明方案采用压电式力传感器可以直接测得顶盖螺栓的受力值，从而可以对抽水蓄能机组顶盖螺栓受力进行监测，该压电式力传感器无需额外设计且不存在温漂，可以提高测量准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种某抽水蓄能机组甩100％额定负荷时有功功率、导叶开度与顶盖压力时域波形图；

图2是本发明实施例提供的一种螺母与螺栓紧固状态监测方法原理图；

图3是本发明实施例提供的一种抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测方法流程图；

图5是本发明实施例提供的一种水蓄能机组顶盖螺栓受力监测方法中信号比较流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中，提供了一种抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置，如图3所示，该装置包括：压电式力传感器1、信号调理装置2、数据采集处理装置3。其中，顶盖螺栓4连接顶盖5和底环6；压电式力传感器1套装于顶盖螺栓4上，压电式力传感器1与顶盖5之间存在一个弹性垫片7；压电式力传感器1与信号调理装置2通过信号线8连接；信号调理装置2与数据采集处理装置3连接。压电式力传感器1用于实时测量顶盖螺栓的受力值；信号调理装置2用于将所述顶盖螺栓的受力值转换成受力信号；数据采集处理装置3用于采集所述受力信号，将所述受力信号与预存的受力信号进行比较，根据比较结果确定顶盖螺栓的异常状态。

其中，第一次将抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置组装到抽水蓄能机组上时，获取此时的抽水蓄能机组在各个运行工况下的顶盖螺栓的受力数值，并将所述受力数值转换成受力信号，将此时的受力信号作为预存的受力信号，预存的受力信号即为顶盖螺栓受力的健康状态模型。在抽水蓄能机组组装上了抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置一段时间之后(比如半年之后)，此时抽水蓄能机组已经工作很长时间，顶盖螺栓有可能会出现连接不紧固、存在疲劳破坏现象或螺栓强度不够等现象，通过压电式力传感器1实时测量此时的顶盖螺栓的受力值。

在将顶盖螺栓拧紧的过程中，还可以通过压电式力传感器1测量顶盖螺栓的拧紧力，记录顶盖螺栓的拧紧力与压电式力传感器测量的数值，直至顶盖螺栓被完全拧紧，根据顶盖螺栓的拧紧力与压电式力传感器测量的数值来检验整个监测装置的正确性。

具体实施时，所述受力信号可以是电压信号，也可以是电流信号。电压信号或电流信号为时频信号。因此，数据采集处理装置3对受力信号进行时频域分析，获得第一时频域分析结果；对预存的受力信号进行时频域分析，获得第二时频域分析结果；将第一时频域分析结果与第二时频域分析结果进行比较，当第一时频域分析结果中的受力数值大于第二时频域分析结果中的受力数值，或，第一时频域分析结果中的主要频率成分与第二时频域分析结果中的主要频率成分不同时，确定顶盖螺栓处于异常状态；当第一时频域分析结果与第二时频域分析结果一致时，确定顶盖螺栓处于正常状态。由于分析时可能存在误差，因此第一时频域分析结果与第二时频域分析结果不可能完全一致，只要第一时频域分析结果与第二时频域分析结果之间的误差在预定的范围内，也就说当第一时频域分析结果与第二时频域分析结果基本一致时，就可以确定顶盖螺栓处于正常状态。

具体实施时，该抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置还可以包括：与数据采集处理装置3连接的报警装置；数据采集处理装置3还用于：当第一时频域分析结果中的受力数值明显大于第二时频域分析结果中的受力数值或第一时频域分析结果中的主要频率成分与第二时频域分析结果中的主要频率成分不同时，产生报警指令，并将所述报警指令发送至报警装置；报警装置用于：接收所述报警指令，并根据所述报警指令发出报警信号。其中，报警装置可以为语音报警装置，也可以采用蜂鸣器。

具体实施时，数据采集处理装置3可以本身带有报警器，因此，当第一时频域分析结果中的受力数值明显大于第二时频域分析结果中的受力数值或第一时频域分析结果中的主要频率成分与第二时频域分析结果中的主要频率成分不同时，数据采集处理装置3发出报警信号。

该装置的具体使用方法是：

(1)定制与顶盖螺栓匹配的压电式力传感器；

(2)建立抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置；

(3)在拧紧顶盖螺栓的过程中，记录顶盖螺栓的拧紧力与压电式力传感器测量的数值，直至顶盖螺栓被完全拧紧，根据顶盖螺栓的拧紧力与压电式力传感器测量的数值来检验整个监测装置的正确性；

(4)采集记录抽水蓄能机组各个运行工况下的顶盖螺栓的受力数值，建立顶盖螺栓受力的健康状态模型；

(5)监测装置监测的过程中，若发现顶盖螺栓的实时受力值与健康状态模型偏差较大，则发出报警信息，提示顶盖螺栓需要进行相关检查。

以上所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测方法，如下面的实施例所述。由于抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测方法解决问题的原理与抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置相似，因此抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测方法的实施可以参见抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置的实施，重复之处不再赘述。

图4是本发明实施例的抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测方法流程图，如图4所示，该方法包括：

步骤401：实时测量顶盖螺栓的受力值；

步骤402：将所述顶盖螺栓的受力值转换成受力信号；

步骤403：将所述受力信号与预存的受力信号进行比较，根据比较结果确定顶盖螺栓的异常状态。

具体实施时，如图5所示，步骤403：将所述受力信号与预存的受力信号进行比较，根据比较结果确定顶盖螺栓的异常状态，包括：

步骤4031：对所述受力信号进行时频域分析，获得第一时频域分析结果；

步骤4032：对预存的受力信号进行时频域分析，获得第二时频域分析结果；

步骤4033：将第一时频域分析结果与第二时频域分析结果进行比较，当第一时频域分析结果中的受力数值明显大于第二时频域分析结果中的受力数值或第一时频域分析结果中的主要频率成分与第二时频域分析结果中的主要频率成分不同时，确定顶盖螺栓处于异常状态；当第一时频域分析结果与第二时频域分析结果一致时，确定顶盖螺栓处于正常状态。

具体实施时，该抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测方法还包括：

当第一时频域分析结果中的受力数值明显大于第二时频域分析结果中的受力数值或第一时频域分析结果中的主要频率成分与第二时频域分析结果中的主要频率成分不同时，发出报警信号。

具体实施时，该抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测方法还包括：测量顶盖螺栓在拧紧过程中的拧紧力。

综上所述，本发明提出的抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置和方法具有如下有益效果：

(1)采用压电式力传感器可以直接测得顶盖螺栓的受力值，从而可以对抽水蓄能机组顶盖螺栓的受力进行监测，判断出顶盖螺栓的受力异常情况，可防范例如水淹厂房的严重事故。

(2)该压电式力传感器无需额外设计且不存在温漂，可以提高测量准确度。

(3)本发明提出的抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置和方法还可以应用于对关键连接螺栓需要进行受力监测的其它领域，具有广泛的应用前景。

(4)本发明提出的抽水蓄能机组顶盖螺栓受力监测装置和方法可以对抽水蓄能机组开展连接螺栓疲劳破坏研究提供技术数据。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。