基于快速包络谱峭度的水轮机空化状态在线评价方法与流程

本发明涉及水轮机空化状态评价领域，具体涉及一种基于快速包络谱峭度的水轮机空化状态在线评价方法。

背景技术：

水轮机是水力发电机组中的关键换能单元，其工作状况会直接影响整个水电机组的运行状况。对于水轮机来说，空化空蚀是不可避免的一种破坏现象。水流流经过流部件表面，再局部会发生空化而后产生轻微的空蚀，进而会形成蜂窝状的空蚀，甚至发展到叶片穿孔或掉边，会严重威胁到机组的安全运行。空蚀空化是导致水轮机运行效率下降、结构破坏以及使机组寿命缩短的主要因素之一。

因此，根据空化发生的机理以及信号特征，设计合理准确的空化状态评价方法对水轮机的安全运行和检修决策有着重要的意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于快速包络谱峭度的水轮机空化状态在线评价方法，以安装在水水轮机上的可宽频超声传感器测量到的超声空化信号为基础，通过对实时空化数据的自动化分析检测，实现对转轮空化状态的实时在线评价。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于快速包络谱峭度的水轮机空化状态在线评价方法，包括以下步骤：

步骤s1：采集水轮机原始的空化信号；

步骤s2:根据快速包络谱峭度计算最优带通滤波器；

步骤s3:根据原始的空化信号，采用最优带通滤波器进行带通滤波，获得冲击脉冲信号波形；

步骤s4:根据得到的冲击脉冲信号波形，采用数字包络解调求解冲击脉冲包络波形；

步骤s5:根据冲击脉冲包络波形，通过对包络信号的识别可以获得冲击脉冲的数量、每个冲击脉冲的时间宽度以及脉冲的幅值大小；

步骤s6:积分计算单位时间累计脉冲冲击能量和统计单位时间冲击脉冲密度；

步骤s7:根据单位时间累计脉冲冲击能量和统计单位时间冲击脉冲密度，得到水轮机空化状态的评价。

进一步的，步骤s2具体为：

步骤s21：假定信号如下：

式中：h(t,ω)为被分析信号x(t)的时频复包络，采用快速傅里叶变换计算得到；

步骤s22:根据谱的阶矩定义，谱峭度表示如下：

式中：c4y(ω)为信号y(t)的四阶谱累积量，s(ω)为谱瞬时矩；

步骤s23:采用快速谱峭度算法，计算每个频率带下的时域信号的峭度值，将最大的峭度值对应的频率带b(fc,δbw)作为最优的频率带，得到最优的带通滤波器。

进一步的，所述快速谱峭度算法具体为：

步骤s231:设定初始滤波中心频率fi_c和带通宽度δbi_w；

步骤s232:采用按照“1/3-进二”方式逐步分层、分解调整中心频率和带宽度获得全部带通滤波器下的包络谱峭度,并进一步求得最优的b(fc,δbw)。

进一步的，所述步骤s6具体为：

设空化声音信号的冲击包络波形函数为xe(t)，假定第i个冲击脉冲从t＝t0开始，t＝t1结束，定义epi为该冲击脉冲的能量：

epi对应了包络波形函数xe(t)在[t0,t1]之间的面积；epi的值不仅与脉冲的幅值有关系，而且与脉冲的总时间宽度有关系，脉冲的幅值越高，epi也越大；脉冲持续的时间越长，epi也越大；

设lp_t为在给定时间t＝δt通过上述方法检测到的脉冲的总数量；epi为给定时间内第i个冲击脉冲的能量，则

ep为单位时间内的空化冲击脉冲的累计冲击能量值；lp单位时间内的空化冲击脉冲密度。

进一步的，所述单位时间内的空化冲击脉冲的累计冲击能量值包括液体中发生的空泡溃灭空化单位时间的累计冲击能量ep_l和叶片/尾水管壁表面中发生的空泡溃灭空化单位时间的累计冲击能量ep_m；所述单位时间内的空化冲击脉冲密度包括液体中发生的空泡溃灭空化单位时间的冲击脉冲密度lp_l和叶片/尾水管壁表面中发生的空泡溃灭空化单位时间的冲击脉冲密度lp_m。

进一步的，所述对水轮机的空话状态评价具体为：若ep_l≥ep_l_max且lp_l≥lp_l_max，则由于转轮液体中空泡空化状态报警；若ep_m≥ep_m_max且lp_m≥lp_m_max，则由于转轮叶片/尾水管表面空泡空化状态报警；

其中ep_l_max为最大的能容忍的液体中发生的空泡溃灭空化在单位时间累计冲击能量，lp_l_max为最大的能容忍的液体中发生的空泡溃灭空化单位时间冲击脉冲密度；ep_m_max为最大的能容忍的叶片/尾水管壁表面发生的空泡溃灭空化在单位时间累计冲击能量，lp_m_max为最大的能容忍的叶片/尾水管壁表面发生的空泡溃灭空化单位时间冲击脉冲密度。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明以安装在水水轮机上的可宽频超声传感器测量到的超声空化信号为基础，通过对实时空化数据的自动化分析检测，实现对转轮空化状态的实时在线评价。

2、本发明采用快速包络谱峭度和数字包络解调方式方法，自动对在线实时获取的水轮机的超声段空化信号进行在线实时冲击脉冲识别并积分计算累计脉冲能量和频次密度，利用冲击脉冲的密度、冲击能量强度在线实现对转轮空化发展程度的评价。

附图说明

图1是本发明一实施例中液体中溃灭空泡空化状态评价流程图；

图2是本发明一实施例中叶片/尾水管表面溃灭空泡空化状态评价流程图；

图3是本发明一实施例中原始空化声音信号图；

图4是本发明一实施例中快速包络谱峭度计算示意图；

图5是本发明一实施例中采用最优带通滤波器滤波以后的空化波形信号；

图6是本发明一实施例中经数字包络解调获得的空化声音信号的冲击包络波形；

图7是本发明一实施例中通过空化包络波形对单个冲击脉冲作能量积分示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种基于快速包络谱峭度的水轮机空化状态在线评价方法，包括以下步骤：

步骤s1：通过安装在水水轮机上的可宽频超声传感器测量到的超声空化信号；原始的空化信号是包含多种频率成分的复杂信号，直接采用原始空化信号几乎是难以识别出冲击脉冲信号的。图3是一个原始空化声音信号，混杂在各种频率成分中的瞬态冲击信号几乎难以被检测出来。

步骤s2:根据快速包络谱峭度计算最优带通滤波器；

步骤s3:根据原始的空化信号，采用最优带通滤波器进行带通滤波，获得冲击脉冲信号波形，如图5所示；

步骤s4:在获得冲击脉冲波形信号之后，采用希尔伯特(hilbert)变换等数字包络解调技术获得冲击脉冲信号的包络波形，如图6所示；

步骤s5:根据冲击脉冲包络波形，通过对包络信号的识别可以获得冲击脉冲的数量、每个冲击脉冲的时间宽度以及脉冲的幅值大小；

步骤s6:积分计算单位时间累计脉冲冲击能量和统计单位时间冲击脉冲密度；

步骤s7:根据单位时间累计脉冲冲击能量和统计单位时间冲击脉冲密度，得到水轮机空化状态的评价。

在本实施例中，所述步骤s2具体为：

步骤s21：假定信号如下：

式中：h(t,ω)为被分析信号x(t)的时频复包络，采用快速傅里叶变换计算得到；

步骤s22:根据谱的阶矩定义，谱峭度表示如下：

式中：c4y(ω)为信号y(t)的四阶谱累积量，s(ω)为谱瞬时矩；

从信号处理的角度看，谱峭度可以理解为理想滤波器组的输出在频率ω上计算得到的峭度值。对于每一种瞬变瞬时信号，对应着一个最优的频率带b(fc,δbw)，在这个频率带里，这个瞬变信号的峭度最大。

因此，在实际的分析计算过程中，如果找到一个频率带b(fc,δbw)，在这个频率带里，其峭度值达到最大值，即可以找到与这个瞬变信号有关的信息，而这个频率带b(fc,δbw)就是使得其峭度最大对应的最优的带通滤波器。

步骤s23:采用快速谱峭度算法，计算每个频率带下的时域信号的峭度值，将最大的峭度值对应的频率带b(fc,δbw)作为最优的频率带，得到最优的带通滤波器。

在本实施例中，所述快速谱峭度算法具体为：

步骤s231:设定初始滤波中心频率fi_c和带通宽度δbi_w；

步骤s232:采用按照“1/3-进二”方式逐步分层、分解调整中心频率和带宽度获得全部带通滤波器下的包络谱峭度,并进一步求得最优的b(fc,δbw)。

在本实施例中，为了评价在不同部位发生的空化，需要分别计算在液体中产生的空泡溃灭空化信号对应的最优带通滤波器和在金属固体(如叶片和尾水管壁)表面的空泡溃灭空化信号对应的最优带通滤波器，并其初始滤波中心频率fi_c和带通宽度δbi_w进行不同设定。其中评价液体中发生的空泡溃灭空化，设定δbi_w＝140-30(khz),而评价叶片和尾水管壁表面发生的空泡溃灭空化，设定δbi_w＝1000-140(khz)。

图4是采用快速包络谱峭度计算出来的各分层分解的带通频带对应的包络峭度示意图，其中不同颜色代表了不同的包络峭度值，颜色越红包络峭度值越大。从图中可以直观地观察到，当带通滤波器选定在[66666.664hz,75000.00hz]时，包络峭度值达到最大值，因此[66666.664hz,75000.00hz]是该空化信号的最优带通滤波器。

在本实施例中，所述步骤s6具体为：

设空化声音信号的冲击包络波形函数为xe(t)，假定第i个冲击脉冲从t＝t0开始，t＝t1结束，定义epi为该冲击脉冲的能量：

epi对应了包络波形函数xe(t)在[t0,t1]之间的面积；epi的值不仅与脉冲的幅值有关系，而且与脉冲的总时间宽度有关系，脉冲的幅值越高，epi也越大；脉冲持续的时间越长，epi也越大；

设lp_t为在给定时间t＝δt通过上述方法检测到的脉冲的总数量；epi为给定时间内第i个冲击脉冲的能量，则

ep为单位时间内的空化冲击脉冲的累计冲击能量值；lp单位时间内的空化冲击脉冲密度。

在本实施例中，根据转轮空化发生的机理，当空化发生时，空泡溃灭将会产生大量的随机冲击脉冲；因此从测量的空化声音信号中可以提取冲击脉冲出现的密度lp，和单位时间内的累计冲击能量ep，通过这两个评价指标就可以实现转轮空化状态的评价。

一方面，空泡溃灭的冲击脉冲频次密度越高lp，说明溃灭的空泡越多，对转轮叶片、尾水管等部位的破坏也越大。另外一方面，单位时间内的累计冲击总能量ep越大，说明空泡越多而且脉冲的幅值越大，或者脉冲持续的时间越宽，对水轮机过流部件的破坏也越大。因此，借助于单位时间内的累计冲击能量ep和冲击脉冲频次lp可以实现对水轮空化状态和发展水平的分析评价。

在本方案中，需要分别计算以下四个参数：

其中ep_l和lp_l用以评价液体中发生的空泡溃灭空化的发展程度，ep_m和lp_m用以评价在叶片和尾水管壁表面发生的空泡溃灭空化的发展程度。

在本实施例中，所述对水轮机的空话状态评价具体为：若ep_l≥ep_l_max且lp_l≥lp_l_max，则由于转轮液体中空泡空化状态报警；若ep_m≥ep_m_max且lp_m≥lp_m_max，则由于转轮叶片/尾水管表面空泡空化状态报警；

其中ep_l_max为最大的能容忍的液体中发生的空泡溃灭空化在单位时间累计冲击能量，lp_l_max为最大的能容忍的液体中发生的空泡溃灭空化单位时间冲击脉冲密度；ep_m_max为最大的能容忍的叶片/尾水管壁表面发生的空泡溃灭空化在单位时间累计冲击能量，lp_m_max为最大的能容忍的叶片/尾水管壁表面发生的空泡溃灭空化单位时间冲击脉冲密度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。