格魯吉亞奇爾克伊水電站地震監測系統的應用

[] G.N.

格魯吉亞奇爾克伊水電站地震監測系統的應用

[俄羅斯] G.N.安東諾夫等

為更好地掌握格魯吉亞奇爾克伊水電站周邊地區及壩址區域的地震風險，分別對電站地震安全監測網絡系統采用的硬件、監測方法和技術限制進行了論述。同時，研究人員比較了試驗設備現場觀察到的和遠程傳感器獲得的數據，并通過數據分析來實現水力學危險現象的早期檢測及水輪機震動的遠程監控。

水電站地震監測；遠程監控；水輪機震動；俄羅斯

奇爾克伊(Chirkey)水電站位于格魯吉亞北高加索蘇拉克(Sulak)河上。電站大壩為混凝土拱壩，壩高232.5 m，壩長338 m。主廠房位于大壩旁，共安裝4臺混流式水輪發電機組。由于斷層構造及地殼運動活躍，導致該地區地震活動強烈。

1 網絡監測

1.1 網絡建設原則和監測要求

為防止事故發生，水電站通常配備獨立的監測系統，以便對水庫地震、大壩結構和水輪震動進行監測，這在許多國家(ANSI / ASA 標準，1990年)屬強制性標準。這是模擬數據采集和處理器不能充分利用傳感器潛能的歷史原因。因此，在這種情況下，只能選擇低精度傳感器并人為地將地震震動場劃分為頻帶，每個傳感器負責監測幾種類型的震動，包括地震、大壩震動、水輪機及其部件的震動。

通過詳細檢查每一組監測要求，可以確定哪些指標限制是具有實質性的，哪些指標限制是由硬件局限導致的(見表1)。表1中前兩種類型的監測系統可以組合成單個網絡，用于監測水輪機震動。

1.2 電站監測方案

地震儀沿著大壩的兩個內部廊道、壩內部分壩縫處、主廠房和7 km外的杜布基(Dubki)地震臺(DBC，俄羅斯地球物理調查)布置。數據采集中心位于壩脊附近，包括一部可實現與執行時間同步的GPS。監測網絡中所有傳感器之間的內部聯系，以及與杜布基地震臺之間的通信均采用光纖電纜。該監測系統于2012年投入使用，至今已運行4 a，未出現任何故障，因此決定擴大監測網絡。

表1 水電站地震監測網絡的主要要求

2 壓力脈動觀測

2016年，奇爾克伊水電站的觀測網絡主要用于監測大壩的自振頻率、地震，及其對大壩的影響和響應。所有操作均基于傳統方法進行，新監測系統的重要功能之一是通過在遠程的地震觀測點來檢測水輪機的脈動異常。目前已在大量文獻中刊出專門致力于研究異常脈動和汽蝕現象的內容，研究中大多采用計算機模擬描述不同階段的詳細運行過程。其中，水壓和電力負載的運行參數受到特別關注。通過比較模擬值與經驗觀測值，得出模型結果與結論。阿別列夫(Abelev)等學者確定了水壓與水輪機功率導致危險事件的具體比率。在此基礎上，壓力-功率圖被分成水輪機可以或不能運行的若干區間。

研究中確定了監測震動的標準，可以指示有害汽蝕風險是否不斷增加。尤其當壓力和功率值未知且汽蝕過程開始時，水輪機監測的實踐價值就得以體現。 有學者在2014～2015年探討并初步解決了該問題。然而，其提供的數據是通過直接放置在水輪機上的傳感器獲得，并未給出有關遠程測點的信息。

2.1 水輪機運行檢測

在對奇爾克伊水電站進行現場分析之前，俄羅斯能源結構研究所(JSC Silovye Mashiny)開展了混流式水輪機的研究，試驗的目的之一是識別汽蝕脈動特征，以確認實現遠程監測這些事件并確定出傳感器的最佳參數。試驗設備包括三軸加速度計Guralp CMG-5T(模擬)和CMG-5TDE(數字)、模擬旋轉速度計METR-03、數據記錄器ADAS3(與奇爾克伊水電站使用的相同)和GSR-24(GeoSIG有限公司)。

試驗將地震記錄與IVP-05-0.8 / 200振動位移傳感器的參考信號進行了比較。在試驗前，將所有傳感器放置在一塊平板上，這樣不僅能確保均能接收并同步記錄下環境噪聲信號，而且還保證了所有傳感器之間的相關性。

傳感器IVP-05-0.8/200連接到出口管的側面和背面。加速度計布置在水輪機蝸殼殼體、支架基座、附近地面和15 m外的各點上，且加速度計軸線垂直于水流方向。最終每個點記錄的信息是相似的，這表明在遠程位置進行振動診斷的方案是可行的。

通過對混流式水輪機9種不同運行模式的研究分析，確定了水輪機減小轉速與減小排水量的相互關系及最佳運行模式，同時指出了兩種可能產生有害汽蝕的運行模式。

功率譜是一種強大的工具，可以生成相對于3D時間頻譜分析(STAN)的2D功率譜曲線圖。為了將工作臺產生的譜峰與源自管中的譜峰區分開，比較了不同機器啟動時的譜結果與來自測試運行的譜結果。通過分析工作臺外殼和地板上的傳感器信號，發現在這兩個觀察點，10 Hz及以上的特征最大頻率較明顯,從而表明水輪機振動傳播遠遠超過工作臺，如同在奇爾克伊水電站案例中，甚至在壩側接頭處也檢測到了水輪機振動信號。

2.2 壓力脈動監測方案

在奇爾克伊水電站監測方案的地震震動控制系統中，當地震發生時，水輪機隨即啟動。在應用濾波的情況下，系統的大動態范圍允許在大壩接點和主廠房中的地震圖上記錄兩種震動。這充分表明，如果地震監測與震動控制相結合，系統則能夠將水輪機自身運動與由地震引起的位移自動區分開。

3 結果與討論

3.1 試驗臺試驗

3.1.1 傳感器比較

通過同步記錄兩個傳感器的信號，將不同設備的功率譜，特別是大于7Hz的譜值進行對比。在較低頻率范圍內，管道上測量的位移值明顯比機蓋上的大，這是由于在一定頻率范圍內對機器部件做了減振處理。

由于難以將輸出信號轉換為單一維度，因此將線性傳感器(加速度計和IVP-05-0.8/200)和旋轉傳感器獲取的數據進行對比是件復雜的事。然而，如果考慮信號的時間流，由于在空穴褶皺頻率下的旋轉運動，則可利用STAN圖進行比較。

3.1.2 水力脈動識別

通過分析其中3種運行模式，包含來自傳感器的信號、其測量水輪機附近的加速度和旋轉振蕩速度以及水輪機上的震動位移，線性傳感器幾乎無法區分操作方案，而旋轉傳感器能清楚地指示方案之間的差異，旋轉頻率始終顯示為垂直線。

相干時間分析(CTAN)類似于STAN，其計算滑動時間窗口中兩個記錄的相干函數，三分量傳感器的兩個分量測量相位相關。

所有研究結果均表明，旋轉振蕩傳感器在水力脈動檢測上非常有效。也可以使用線性傳感器、加速度計和振動位移檢測器，但其效率均較低。

3.2 水輪機運行監測

在水輪機室中的加速度計STAN圖(其中部件順流向布置)上，具有明顯的主旋轉頻率f0=3.33 Hz和 6.66 Hz、9.99 Hz的諧波。

STAN圖日變化表明，當功率值從建議運行區域與非建議運行區域邊界上快速下降到非建議運行區域中時，汽蝕發生。功率連續的快速增大，阻止了情況的進一步惡化，同時 2.7 Hz處的振蕩消失。在大壩和側縫上均可不同程度地檢測到這些低頻振蕩。

4 結 語

本文提出了結合不同監測方法的新監測手段，且將其應用于高加索地區水電站的一系列監測系統上尚屬首例。研究表明，震動診斷是水輪機地震監測的有效補充，可實現在水輪機出口處即時檢測水流擾動。該系統可區分地震、水輪機啟動和其他震動。

旋轉震動傳感器是重要的監測裝置，與水輪機室中的加速度計一起安裝時可以提高汽蝕危險檢測的效率。

2017-06-30

1006-0081(2017)12-0017-02

P315

A

錢亞孫言譯

(編輯：唐湘茜)