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球阀动水关闭过程中球阀与机组稳定性分析

球阀是抽水蓄能电站重要设备之一,其有三个用途:①蓄能机组检修时通过球阀阻挡水流以保障检修安全;②蓄能机组发生异常时通过球阀截断水流,即动水关闭球阀,避免事故扩大;③与调速器紧密配合,参与调节保证以降低水锤压力,减轻水力振荡。球阀的稳定性对其功能的实现具有至关重要作用。因此运行中球阀振动、压力脉动等稳定性参数的研究对保障电站安全稳定运行具有非常重要的现实意义,故我国标准对大中型电站的进水阀就有明确的技术要求。目前,抽水蓄能电站竣工投产后也均要求进行动水情况下的球阀关闭试验,以判断球阀的动作特性是否满足设计要求并对其稳定性进行观测。

目前国内、外学者研究集中于球阀参与机组调节保证的控制规律、球阀关闭过程中的流场分析等方面的研究。关于球阀的稳定性分析,国内外学者关注较少,鲜有机组与球阀之间相互影响研究方面的报道。而电站实际运行中,由于机组振动而引发厂房剧烈振动时有发生,从而对球阀稳定性造成影响。基于此,本文结合某抽水蓄能电站3#机组球阀动水关闭试验过程中机组与球阀稳定性测点实测数据,采用短时傅里叶变换方法,对动水关闭球阀全过程中的机组的频率变化情况进行了跟踪分析,研究了机组与主阀稳定性之间的关系,指出了引起厂房振动的原因。

1 试验基本条件

1.1 机组参数

某抽水蓄能电站安装4台单机容量为250MW的单级混流可逆式水泵水轮发电机组,电站最大毛水头/扬程346m,最小毛水头/扬程291m,水轮机工况额定水头305m。电站每台机组均装设一台球阀用于停机时截断水流。水泵水轮机转轮叶片数为9,固定导叶数为26,机组额定转速为333R/min。

1.2 球阀参数

操作方式:卧轴双面密封,两个单作用液压缸式接力器油压操作;球阀直径:2450mm;设计压力:5.2MPa;试验压力:7.8MPa;球阀尺寸:3200mm×6000mm×4600mm;开启时间:62s;关闭时间:61s;活门重量:36.5t;阀体重量:37.6t;检修密封操作方式:水压操作;工作密封操作方式:水压操作;密封投入压力:≥3.0MPa;生产厂家:ALSTOM;球阀总重:87.3t;旁通阀型式:针式阀门;旁通阀直径:200mm。球阀采用双接力器进行操作,接力器行程1940mm,工作体积300L/个,设计压力7.0MPa。

1.3 测试系统描述

2015年10月,由国网新源控股有限公司技术中心实施了电站3#机组动水关闭球阀试验。为监测球阀关闭过程中机组及球阀稳定性参数,对机组的振动、摆度、压力脉动和球阀的振动、位移、压力脉动进行了同步采集,采样率为1kS/s。机组测点见图1所示,球阀测点见图2所示,图3与图4给出了典型测点布置的照片。

图1 机组测点布置图

图2 球阀测点布置图

试验所用传感器参数为:速度传感器采用本特利生产的330505型低频速度传感器,灵敏度20mV/mm/s,频响范围0.5~1000Hz(-3.0dB)、1~200Hz(-0.9dB);速度型位移传感器采用豪瑞斯生产的MLS/V-9型传感器,灵敏度为8mV/um,频响范围为0.5~600Hz(-3dB);电涡流位移传感器采用本特利330180型传感器,灵敏度8V/mm,频响范围0~10kHz(-3dB);压力传感器采用通用生产的PTX5072型传感器,精度为±0.2%,频响范围0~5kHz(-3dB)。

图3 机组振动与摆度测点实例

图4 球阀振动测点实例

试验采用两套采集仪器进行同步采集,分别为ADRE408DSPi和QuantumXMX840A-P。采样精度可以达到24位A/D。整个试验平台如图5所示。

图5 现场试验采集平台

1.4 水文条件

动水关闭球阀试验前机组带满负荷运行,上游水位800.32MSL,下游水位472.65MSL,毛水头327.67m。

2 短时傅里叶变换

傅里叶变换在信号分析中具有极其重要的作用。传统的傅里叶变换是一种对时域信号的整体变换,不适合处理非平稳信号。为克服傅里叶变换在时域局部化方面的不足,1946年D.GABOR提出了研究非平稳信号的短时傅里叶变换或窗口傅里叶变换,在一定程度上实现了时域和频域局部化。

短时傅里叶变换的思想是:在传统傅里叶变换的框架中,把非平稳信号看成是一系列短时平稳信号的叠加,而短时性则通过在时域上的加窗实现,并通过平移参数来覆盖整个时域。设h(t)是中心位于τ且宽度有限的窗函数,对于给定的非平稳信号s(t)∈L2(R),信号s(t)的短时傅里叶变换定义为

(1)

由短时傅里叶变换的表达式可见,由于窗函数h(t)的时移和频移使短时傅里叶变换具有了局部特性,它既是时间的函数又是频率的函数。对于给定的时刻t,S(t,w)可视为该时刻的局部频谱,即原信号在t时刻附近τ时段内的傅里叶变换。

短时傅里叶变换的窗函数很多,常用的窗函数有:矩形窗、汉宁窗、海明窗、高斯窗和布莱克曼窗等。由于高斯函数是所有函数中时频集聚性最好的函数,因此本文采用高斯窗函数进行加窗分析。

3 数据分析

动水关球阀试验前机组带满负荷运行,经调度允许后开始试验。在球阀机旁盘启动球阀关闭流程,球阀开始关闭,机组功率减小至一定值后,断路器动作,机组甩负荷,继而调速器动作,导叶快速关闭,机组停机。整个过程见图6所示。典型的机组振动、摆度及压力脉动测点时域波形图见图7所示。

图6 动水关球阀过程中转速、有功功率、球阀与导叶开度

图7 转轮与底环间、球阀垂直振动和水导摆度时域波形图

由图6可知:球阀动水关闭试验中,球阀控制系统在接到关闭命令后,球阀行程线性减小,此时由于流量的减小导致输入水力矩减小和发电机输出功率逐渐减小,同时转轮入口水流速度减小进而导致水泵水轮机偏离最优工况点,并引起通流部件内压力脉动的显著上升,同时导致球阀及机组的稳定参数恶化(见图7)。上述现象一直持续到导叶接近全关处,因此这是一个典型的非稳态过程。为实现对这一过程中机组、球阀的稳定性参数的有效分析,采用前述的短时傅里叶变换对实测信号进行分析。

对转轮与底环间压力脉动、球阀本体振动和水导摆度信号采用短时傅里叶变换进行分析,时频图结果分别见图8、图9和图10所示。根据信号的采样频率,频谱分析最高频率为500Hz,考虑到信号中的高频成分幅值很小,因此本文分析频谱中的最大分析频率为200Hz,以便对其中的低频成分进行观测,同时也便于观测两倍叶片过流频率。

图8 转轮与底环间压力脉动短时傅里叶变换

图9 球阀垂直振动的短时傅里叶变换

图10 水导摆度的短时傅里叶变换

由图8~图10可知,球阀在动水关闭前机组各个测点均有明显的100Hz频率成分,在稳态分析时这一频率误识别为机组的极频振动导致。在动水关闭球阀后至停机过程中,这一较高频率成分随机组的转速降低而降低,而在机组停机过程中由于转子没有励磁电流,发电机出口断路器断开,此时机组的振动主要由机械因素和水力因素所决定,无电气因素影响机组振动。由机械因素所确定的振动主要表现为转频及其较低的倍频成分,因而停机过程中这一与转速有密切相关的频率成分应为水力因素所激发。通过提取这一频率成分并绘制其与机组转速的关系,结果如图11所示。由图11可知,识别到的这一频率成分与机组的转速成线性关系,考虑到水泵水轮机叶片数9,该频率成分恰为9倍转频的两倍,即两倍叶片过流频率,这一振动频率符合动静干涉所导致振动频率特征。因此在稳态工况下的100Hz频率成分亦主要为两倍叶片过流频率而非极频。

图11 识别到的两倍叶片过流频率

为进一步探究两倍叶片过流频率的传递情况,分别在稳态工况下绘制转轮与底环压力、转轮与顶盖间压力、尾水进口压力、蜗壳进口压力、球阀上游侧压力测点的频谱图,并对频谱根据以下原则进行归一化:

步骤1 分别获得每个测点的频谱数据,并提取相应的两倍叶片过流频率幅值;

步骤2 计算全部测点两倍叶片过流频率幅值的最大值,以该最大值作为基础进行归一化操作;

上述操作本质上是对两倍叶片过流频率幅值进行的归一化,计算结果见图12所示。在归一化时,由于转频的倍频成分较100Hz幅值大,因此绘图处理时,将大于1的幅值部分强制为1。

图12 压力脉动测点频域图

由图12可知,球阀上游钢管、球阀下游侧、蜗壳进口,转轮与底环压力脉动中均存在较强的两倍叶片过流频率幅值,这表明该频率成分在水体内具有向上游侧传播的特性。而在转轮下游侧测点上,两倍叶片过流频率极其微弱,这可以解释为产生于转轮进口侧的两倍叶片过流频率在经过转轮后急剧衰减,转轮及水体对两倍叶片过流频率具有很大的阻尼;另一方面这也印证了两倍叶片过流频率产生于转轮进口侧,而非转轮出口侧所产生。有必要指出转轮与导叶间压力脉动由于测量时经过长引水管非直接测量,由于水体的阻尼特性,信号采样中的实测两倍叶片过流频率幅值表现偏弱。产生于转轮进口侧的两倍叶片过流频率成分在传播时不可避免的在各个通流部件上将产生高频振动,同时向其它转动及固定部件传递。机组摆度、振动及球阀振动的频谱结果见图13~15所示,图13~图15的数据归一化方式与图12相同。

由图13可知,在机组摆度测点反应上,水导靠近振源、下导次之、上导最远,靠近振源处的两倍叶片过流频率幅值随着距离的增大而减弱。在机组垂直振动测点反应上,也反应出了同样的规律(见图14),即:顶盖位置处靠近转轮导致两倍叶片过流频率对应幅值明显强于下机架、定子基座及上机架,随着距离振源的增大而衰减。球阀处测点也具有基本类似的规律(见图15)。同时球阀基础也监测到了较强的两倍叶片过流频率成分,这表明该频率成分已经向厂房传递,这也解释了为什么该抽水蓄能电站厂房振动中含有较强的100Hz成分。

图13 机组摆度测点频域图

图14 机组垂直振动测点频域图

图15 球阀径向振动测点频域图

4 结论

本文采用短时傅里叶变换方法,针对某抽水蓄能电站机组稳定运行及动水关闭球阀过程中机组与球阀的稳定性参数进行了分析,研究结果表明:

(1)由于短时傅里叶变换具有很好的频域聚焦能力,能够较好的适用于动水关闭球阀过程中机组及球阀的特征频率的提取。

(2)通过对比稳态过程与球阀动水关闭过程两倍叶片过流频率随机组转速的变化,确认了100Hz振动主要是两倍叶片过流频率。

(3)稳态工况下该两倍叶片过流频率与机组的极频相互叠加,造成机组的振动进一步加大。

(4)产生于转轮进口侧的两倍叶片过流频率具有向上传播的特性,且随着距离的增大而衰减;该频率成分向厂房传播造成了厂房振动增大。

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