球閥動(dòng)水關(guān)閉過程中球閥與機(jī)組穩(wěn)定性
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1.1 機(jī)組參數(shù)
某抽水蓄能電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量為250MW的單級(jí)混流可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，電站最大毛水頭/揚(yáng)程346m，最小毛水頭/揚(yáng)程291m，水輪機(jī)工況額定水頭305m。電站每臺(tái)機(jī)組均裝設(shè)一臺(tái)球閥用于停機(jī)時(shí)截?cái)嗨?。水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9，固定導(dǎo)葉數(shù)為26，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為333R/min。
1.2 球閥參數(shù)
操作方式：臥軸雙面密封，兩個(gè)單作用液壓缸式接力器油壓操作；球閥直徑：2450mm；設(shè)計(jì)壓力：5.2MPa；試驗(yàn)壓力：7.8MPa；球閥尺寸：3200mm×6000mm×4600mm；開啟時(shí)間：62s；關(guān)閉時(shí)間：61s；活門重量：36.5t；閥體重量：37.6t；檢修密封操作方式：水壓操作；工作密封操作方式：水壓操作；密封投入壓力：≥3.0MPa；生產(chǎn)廠家：ALSTOM；球閥總重：87.3t；旁通閥型式：針式閥門；旁通閥直徑：200mm。球閥采用雙接力器進(jìn)行操作，接力器行程1940mm，工作體積300L/個(gè)，設(shè)計(jì)壓力7.0MPa。
1.3 測(cè)試系統(tǒng)描述
2015年10月，由國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心實(shí)施了電站3#機(jī)組動(dòng)水關(guān)閉球閥試驗(yàn)。為監(jiān)測(cè)球閥關(guān)閉過程中機(jī)組及球閥穩(wěn)定性參數(shù)，對(duì)機(jī)組的振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)和球閥的振動(dòng)、位移、壓力脈動(dòng)進(jìn)行了同步采集，采樣率為1kS/s。 試驗(yàn)所用傳感器參數(shù)為：速度傳感器采用本特利生產(chǎn)的330505型低頻速度傳感器，靈敏度20mV/mm/s，頻響范圍0.5～1000Hz（-3.0dB）、1～200Hz（-0.9dB）；速度型位移傳感器采用豪瑞斯生產(chǎn)的MLS/V-9型傳感器，靈敏度為8mV/um，頻響范圍為0.5～600Hz（-3dB）；電渦流位移傳感器采用本特利330180型傳感器，靈敏度8V/mm，頻響范圍0～10kHz（-3dB）；壓力傳感器采用通用生產(chǎn)的PTX5072型傳感器，精度為±0.2%，頻響范圍0～5kHz（-3dB）。
試驗(yàn)采用兩套采集儀器進(jìn)行同步采集，分別為ADRE408DSPi和QuantumXMX840A-P。
1.4 水文條件
動(dòng)水關(guān)閉球閥試驗(yàn)前機(jī)組帶滿負(fù)荷運(yùn)行，上游水位800.32MSL，下游水位472.65MSL，毛水頭327.67m。
2短時(shí)傅里葉變換
傅里葉變換在信號(hào)分析中具有極其重要的作用。傳統(tǒng)的傅里葉變換是一種對(duì)時(shí)域信號(hào)的整體變換，不適合處理非平穩(wěn)信號(hào)。為克服傅里葉變換在時(shí)域局部化方面的不足，1946年D.GABOR提出了研究非平穩(wěn)信號(hào)的短時(shí)傅里葉變換或窗口傅里葉變換，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了時(shí)域和頻域局部化。
短時(shí)傅里葉變換的思想是：在傳統(tǒng)傅里葉變換的框架中，把非平穩(wěn)信號(hào)看成是一系列短時(shí)平穩(wěn)信號(hào)的疊加，而短時(shí)性則通過在時(shí)域上的加窗實(shí)現(xiàn)，并通過平移參數(shù)來(lái)覆蓋整個(gè)時(shí)域。設(shè)h（t）是中心位于τ且寬度有限的窗函數(shù)，對(duì)于給定的非平穩(wěn)信號(hào)s（t）∈L2（R），信號(hào)s（t）的短時(shí)傅里葉變換定義為
（1）由短時(shí)傅里葉變換的表達(dá)式可見，由于窗函數(shù)h（t）的時(shí)移和頻移使短時(shí)傅里葉變換具有了局部特性，它既是時(shí)間的函數(shù)又是頻率的函數(shù)。對(duì)于給定的時(shí)刻t，S（t，w）可視為該時(shí)刻的局部頻譜，即原信號(hào)在t時(shí)刻附近τ時(shí)段內(nèi)的傅里葉變換。
短時(shí)傅里葉變換的窗函數(shù)很多，常用的窗函數(shù)有：矩形窗、漢寧窗、海明窗、高斯窗和布萊克曼窗等。由于高斯函數(shù)是所有函數(shù)中時(shí)頻集聚性最好的函數(shù)，因此本文采用高斯窗函數(shù)進(jìn)行加窗分析。
3數(shù)據(jù)分析
動(dòng)水關(guān)球閥試驗(yàn)前機(jī)組帶滿負(fù)荷運(yùn)行，經(jīng)調(diào)度允許后開始試驗(yàn)。在球閥機(jī)旁盤啟動(dòng)球閥關(guān)閉流程，球閥開始關(guān)閉，機(jī)組功率減小至一定值后，斷路器動(dòng)作，機(jī)組甩負(fù)荷，繼而調(diào)速器動(dòng)作，導(dǎo)葉快速關(guān)閉，機(jī)組停機(jī)。
球閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)中，球閥控制系統(tǒng)在接到關(guān)閉命令后，球閥行程線性減小，此時(shí)由于流量的減小導(dǎo)致輸入水力矩減小和發(fā)電機(jī)輸出功率逐漸減小，同時(shí)轉(zhuǎn)輪入口水流速度減小進(jìn)而導(dǎo)致水泵水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況點(diǎn)，并引起通流部件內(nèi)壓力脈動(dòng)的顯著上升，同時(shí)導(dǎo)致球閥及機(jī)組的穩(wěn)定參數(shù)惡化（見圖7）。上述現(xiàn)象一直持續(xù)到導(dǎo)葉接近全關(guān)處，因此這是一個(gè)典型的非穩(wěn)態(tài)過程。為實(shí)現(xiàn)對(duì)這一過程中機(jī)組、球閥的穩(wěn)定性參數(shù)的有效分析，采用前述的短時(shí)傅里葉變換對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析。
根據(jù)信號(hào)的采樣頻率，頻譜分析最高頻率為500Hz，考慮到信號(hào)中的高頻成分幅值很小，因此本文分析頻譜中的最大分析頻率為200Hz，以便對(duì)其中的低頻成分進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)也便于觀測(cè)兩倍葉片過流頻率。
球閥在動(dòng)水關(guān)閉前機(jī)組各個(gè)測(cè)點(diǎn)均有明顯的100Hz頻率成分，在穩(wěn)態(tài)分析時(shí)這一頻率誤識(shí)別為機(jī)組的極頻振動(dòng)導(dǎo)致。在動(dòng)水關(guān)閉球閥后至停機(jī)過程中，這一較高頻率成分隨機(jī)組的轉(zhuǎn)速降低而降低，而在機(jī)組停機(jī)過程中由于轉(zhuǎn)子沒有勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開，此時(shí)機(jī)組的振動(dòng)主要由機(jī)械因素和水力因素所決定，無(wú)電氣因素影響機(jī)組振動(dòng)。由機(jī)械因素所確定的振動(dòng)主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻及其較低的倍頻成分，因而停機(jī)過程中這一與轉(zhuǎn)速有密切相關(guān)的頻率成分應(yīng)為水力因素所激發(fā)。通過提取這一頻率成分并繪制其與機(jī)組轉(zhuǎn)速的關(guān)系，識(shí)別到的這一頻率成分與機(jī)組的轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，考慮到水泵水輪機(jī)葉片數(shù)9，該頻率成分恰為9倍轉(zhuǎn)頻的兩倍，即兩倍葉片過流頻率，這一振動(dòng)頻率符合動(dòng)靜干涉所導(dǎo)致振動(dòng)頻率特征。因此在穩(wěn)態(tài)工況下的100Hz頻率成分亦主要為兩倍葉片過流頻率而非極頻。
為進(jìn)一步探究?jī)杀度~片過流頻率的傳遞情況，分別在穩(wěn)態(tài)工況下繪制轉(zhuǎn)輪與底環(huán)壓力、轉(zhuǎn)輪與頂蓋間壓力、尾水進(jìn)口壓力、蝸殼進(jìn)口壓力、球閥上游側(cè)壓力測(cè)點(diǎn)的頻譜圖，并對(duì)頻譜根據(jù)以下原則進(jìn)行歸一化：
步驟1 分別獲得每個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻譜數(shù)據(jù)，并提取相應(yīng)的兩倍葉片過流頻率幅值；
步驟2 計(jì)算全部測(cè)點(diǎn)兩倍葉片過流頻率幅值的最大值，以該最大值作為基礎(chǔ)進(jìn)行歸一化操作；
上述操作本質(zhì)上是對(duì)兩倍葉片過流頻率幅值進(jìn)行的歸一化，計(jì)算結(jié)果見圖12所示。在歸一化時(shí)，由于轉(zhuǎn)頻的倍頻成分較100Hz幅值大，因此繪圖處理時(shí)，將大于1的幅值部分強(qiáng)制為1。
球閥上游鋼管、球閥下游側(cè)、蝸殼進(jìn)口，轉(zhuǎn)輪與底環(huán)壓力脈動(dòng)中均存在較強(qiáng)的兩倍葉片過流頻率幅值，這表明該頻率成分在水體內(nèi)具有向上游側(cè)傳播的特性。而在轉(zhuǎn)輪下游側(cè)測(cè)點(diǎn)上，兩倍葉片過流頻率極其微弱，這可以解釋為產(chǎn)生于轉(zhuǎn)輪進(jìn)口側(cè)的兩倍葉片過流頻率在經(jīng)過轉(zhuǎn)輪后急劇衰減，轉(zhuǎn)輪及水體對(duì)兩倍葉片過流頻率具有很大的阻尼；另一方面這也印證了兩倍葉片過流頻率產(chǎn)生于轉(zhuǎn)輪進(jìn)口側(cè)，而非轉(zhuǎn)輪出口側(cè)所產(chǎn)生。有必要指出轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間壓力脈動(dòng)由于測(cè)量時(shí)經(jīng)過長(zhǎng)引水管非直接測(cè)量，由于水體的阻尼特性，信號(hào)采樣中的實(shí)測(cè)兩倍葉片過流頻率幅值表現(xiàn)偏弱。產(chǎn)生于轉(zhuǎn)輪進(jìn)口側(cè)的兩倍葉片過流頻率成分在傳播時(shí)不可避免的在各個(gè)通流部件上將產(chǎn)生高頻振動(dòng)，同時(shí)向其它轉(zhuǎn)動(dòng)及固定部件傳遞。
在機(jī)組擺度測(cè)點(diǎn)反應(yīng)上，水導(dǎo)靠近振源、下導(dǎo)次之、上導(dǎo)最遠(yuǎn)，靠近振源處的兩倍葉片過流頻率幅值隨著距離的增大而減弱。在機(jī)組垂直振動(dòng)測(cè)點(diǎn)反應(yīng)上，也反應(yīng)出了同樣的規(guī)律；即：頂蓋位置處靠近轉(zhuǎn)輪導(dǎo)致兩倍葉片過流頻率對(duì)應(yīng)幅值明顯強(qiáng)于下機(jī)架、定子基座及上機(jī)架，隨著距離振源的增大而衰減。球閥處測(cè)點(diǎn)也具有基本類似的規(guī)律。同時(shí)球閥基礎(chǔ)也監(jiān)測(cè)到了較強(qiáng)的兩倍葉片過流頻率成分，這表明該頻率成分已經(jīng)向廠房傳遞，這也解釋了為什么該抽水蓄能電站廠房振動(dòng)中含有較強(qiáng)的100Hz成分。
4結(jié) 論
本文采用短時(shí)傅里葉變換方法，針對(duì)某抽水蓄能電站機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行及動(dòng)水關(guān)閉球閥過程中機(jī)組與球閥的穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：
（1）由于短時(shí)傅里葉變換具有很好的頻域聚焦能力，能夠較好的適用于動(dòng)水關(guān)閉球閥過程中機(jī)組及球閥的特征頻率的提取。
（2）通過對(duì)比穩(wěn)態(tài)過程與球閥動(dòng)水關(guān)閉過程兩倍葉片過流頻率隨機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化，確認(rèn)了100Hz振動(dòng)主要是兩倍葉片過流頻率。
（3）穩(wěn)態(tài)工況下該兩倍葉片過流頻率與機(jī)組的極頻相互疊加，造成機(jī)組的振動(dòng)進(jìn)一步加大。
（4）產(chǎn)生于轉(zhuǎn)輪進(jìn)口側(cè)的兩倍葉片過流頻率具有向上傳播的特性，且隨著距離的增大而衰減；該頻率成分向廠房傳播造成了廠房振動(dòng)增大。
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