光纖應變技術在水輪機尾水門物理場模型構建中的應用

羅金文，唐曉丹，李初輝，劉紹勇，黃天雄，胡慶雄

（中國長江電力股份有限公司烏東德水電站，云南 昆明 650000）

0 引言

尾水管是混流式水輪機的最后一個過流部件，其主要作用為將轉輪出口水流引向下游，并對轉輪出口的動能進行回收，提高水輪機的整機效率。為方便尾水管檢查和轉輪維護，一般在尾水管的錐管段設置有外開、鉸鏈式的矩形進人門，門蓋通過螺栓把合的方式進行固定和密封，是機組日常巡檢的重點區域。機組運行期間，尤其是低負荷、升壓和甩負荷等極端工況，尾水管承受著周期性的壓力脈動，國內外水電機組均出現過進人門螺栓松動及斷裂、焊縫開裂漏水等問題[1-3]，容易誘發水淹廠房的重大安全事故。

本文以某巨型混流式水輪機尾水進人門為例，首次采用光纖光柵應變在線監測傳感技術，對尾水門有限元仿真模型進行了真機實測精度驗證，為高精度尾水門數字孿生物理場模型構建提供可靠依據。

1 發電設備數字孿生與智能運維

隨著物聯網、大數據、人工智能、先進監測技術和設備健康管理與故障診斷技術的進步與融合，大型工業裝備也朝著設備數字化、管理數字化和服務智能化等應用方向發展。數字孿生技術作為一項聯系物理實體和數字模型的關鍵技術，可以實現物理實體和數字孿生體之間的雙向映射和動態交互，通過實時監測、動態感知物理實體的實際狀態，使用數字孿生物理場模型進行優化、決策、診斷和預測，達到對水電機組實體全生命周期監測和控制的目標，為機組數字化智能運維提供技術支撐[4-6]。

物理場模型構建的關鍵技術包括新增傳感裝置、模型構建、仿真分析和預測診斷功能開發，其中，仿真模型精度的真機驗證是整個模型構建過程中最為基礎和關鍵的環節。

2 結構應變監測原理

結構應變測量方法包括應變片電測法、光纖光柵應變測量法、數字圖像相關法、X 射線應力測量、聲彈性超聲測力法等[7-8]。由于光纖傳感器具備信號衰減小、可長距離測量、抗電磁干擾、長期零點穩定、溫度漂移微小、靈敏度高、準分布式測量、安裝工藝簡便可靠等優點，本項目中采用四川拜安科技有限公司的焊接式光纖光柵傳感器進行尾水門結構應變的在線監測。

圖1 焊接式光纖光柵應變計外形圖

表1 光纖光柵應變計主要技術參數

2.1 光纖光柵應變測量原理

光纖光柵是利用光纖布拉格光柵（FBG）反射波中心體波長隨外力和溫度而變化來測量結構件的應變，其計算公式為：

其中：ε為當前結構實際應變，單位με；Kε為恒溫下的傳感器應變系數，單位με/mm；λε為應變光柵的實時波長值，單位nm；λε0為應變光柵標定環境下的波長值，單位nm；ΔT為當前溫度與標定溫度的差值，單位℃；C為傳感器的溫度補償系數，單位nm/℃。

2.2 傳感器溫度系數標定

將焊接式光纖應變傳感器同批次樣品，焊接于基體上，通過溫箱進行-20~80℃范圍內6 支傳感器的溫度梯度加載試驗。

圖2 溫度系數試驗用工裝

光纖光柵焊接式應變傳感器通過封裝結構設計，包括自身材料的選用、結構形式的設計、靈敏度系數的調整等，可以有效降低傳感器焊接于碳鋼上的整體溫度系數，達到自身補償的效果。由材料自身熱膨脹系數（10.6~12.2）με/℃降低至2.4 με/℃附近。添加溫度傳感器進行溫度補償后可以有效降低結構由于溫度帶來的影響，在0~30℃的溫度范圍內，基本可以將應變誤差控制在±10 με 以內。

表2 應變系數及溫度補償系數試驗值

3 尾水門光纖應變監測現場實施

本電站尾水進人門采用分體式補強設計，根據進人門結構特點，光纖應變測點布置選擇錐管本體，避開補強板和局部應力區，詳見圖3~圖4。

圖3 尾水進人門現場圖

圖4 光纖應變測點布置圖

錐管半錐頂角為6°，可解析估算其在尾水壓力下的周向及軸向微應變[9]。

其中：p為尾水壓力；r為進人門高程的錐管半徑；E為彈性模量；t為錐管壁厚；α為半錐頂角。

根據式（3），每0.01 MPa 尾水壓力變化對應的周向應變變化值為7.5 個微應變；電站在0.24 MPa 尾水壓力下，對應的周向微應變為180。

4 仿真驗證

4.1 有限元仿真模型

按電站進人門混凝土廊道實際尺寸對模型進行截斷，四周固支；進人門筋板和錐管環筋采用殼單元建模，本體采用六面體網格，與本體施加殼-實體耦合約束；網格特征尺寸10 mm，模型網格單元約52萬；按電站實測錐管進口壓力進行加載。

4.2 結果驗證

根據現場在線監測數據，統計了尾水壓力0.22~0.31 MPa 范圍內的實測相對變化值，見圖5。

圖5 尾水進人門實測相對變化值（以0.22 MPa 為基準）

尾水壓力0.27 MPa 的載荷下，實測值與有限元仿真值比對及相對誤差詳見圖6~圖7。二者吻合度較好，除測點1~2 應力集中區外，測點2~8 的相對誤差均在±5%以內。

圖6 實測值-仿真值對比

圖7 仿真值相對誤差

5 結束語

本文采用實測和有限元仿真相結合的方法，解決了水輪機尾水進人門長期以來有限元計算無法驗證的問題。

通過本項目的實施，對尾水門仿真模型的建模、邊界和載荷條件等進行了真機驗證，為尾水門數字孿生物理場模型構建提供了關鍵技術支撐，并為機組其它部件物理場模型構建提供了實例參考。