測(cè)壓管路對(duì)抽蓄機(jī)組過渡過程測(cè)試結(jié)果的影響

2017-03-20 07:05:14唐擁軍周喜軍

水力發(fā)電 2017年12期

唐擁軍，鄧磊，周喜軍，劉鋒

(國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161)

0 引言［1-2］

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和調(diào)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)，抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中，尤其是可再生能源開發(fā)利用中發(fā)揮著越來越重要的作用。現(xiàn)階段我國抽水蓄能事業(yè)迎來了發(fā)展高峰期，目前已有大量的電站處于運(yùn)行或在建狀態(tài)，未來還有一大批即將建設(shè)的項(xiàng)目。抽水蓄能電站的安全運(yùn)行對(duì)于保證大電網(wǎng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。由于抽水蓄能機(jī)組具有轉(zhuǎn)速快，水頭高的特點(diǎn)，因此，水力過渡過程尤其發(fā)電方向甩負(fù)荷成為抽水蓄能機(jī)組安全運(yùn)行所關(guān)注的重點(diǎn)。新建機(jī)組在啟動(dòng)調(diào)試時(shí)會(huì)進(jìn)行各種水力過渡過程的試驗(yàn)并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，若壓力測(cè)點(diǎn)位置選擇不當(dāng)或測(cè)壓管路過長則可能造成測(cè)試結(jié)果不正確，從而對(duì)機(jī)組的水力過渡過程性能形成錯(cuò)誤評(píng)價(jià)。本文以某抽水蓄能機(jī)組甩100%額定負(fù)荷過程為例，用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(EMD)對(duì)甩負(fù)荷過程機(jī)組壓力進(jìn)行了分析，論證了上述觀點(diǎn)的正確性。

1 機(jī)組基本參數(shù)

該抽蓄機(jī)組的基本參數(shù)如表1所示。該機(jī)組過渡過程參數(shù)蝸殼進(jìn)口壓力與轉(zhuǎn)速上升率保證值中，蝸殼進(jìn)口中心線處最大壓力值不大于850 m水柱;所有過渡過程工況中機(jī)組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速上升率不大于50%。

表1 機(jī)組基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸釫MD［3］

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸釫MD(Empirical Mode Decomposition)，是一種自適應(yīng)的信號(hào)分解方法，它把復(fù)雜信號(hào)分解為有限的基本模式分量IMF(Intrinsic Mode Function)及一個(gè)余項(xiàng)的和。

EMD方法是用波動(dòng)上、下包絡(luò)的平均值去確定“瞬時(shí)平衡位置”，進(jìn)而分解出各IMF分量，考慮一個(gè)信號(hào)序列x(t)，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸膺^程如下:

(1)確定信號(hào)所有的局部極值點(diǎn)，然后用三次樣條線將所有的局部極大值點(diǎn)連接起來形成上包絡(luò)線，再用三次樣條線將所有的局部極小值點(diǎn)連接起來形成下包絡(luò)線，上、下包絡(luò)線應(yīng)該包絡(luò)所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)。上、下包絡(luò)線的平均值記為m1，求出

理想地，如果h1是一個(gè)IMF，那么h1就是x(t)的第一個(gè)分量。

(2)如果h1不滿足IMF的條件，把h1作為原始數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟(1)，得到上下包絡(luò)線的平均值m11，再判斷h11=h1－m11是否滿足IMF的條件，如果不滿足，則重循環(huán) k次，得到 h1(k－1)－m1k=h1k，使得h1k滿足IMF的條件，記c1=h1k，則c1為信號(hào)x(t)的第一個(gè)滿足IMF條件的分量。

(3)將c1從x(t)中分離出來，得

將r1作為原始數(shù)據(jù)重復(fù)步驟(1)、(2)，得到x(t)的第2個(gè)滿足IMF條件的分量c2，重復(fù)循環(huán)n次，得到信號(hào)x(t)的n個(gè)滿足IMF的分量。這樣就有

當(dāng)rn成為一個(gè)單調(diào)函數(shù)不能再從中提取滿足IMF的分量時(shí)，循環(huán)結(jié)束。這樣由式(2)、(3)得到

因此，可以把任何一個(gè)信號(hào)x(t)分解為n個(gè)基本模式分量和一個(gè)殘量rn之和，分量c1，c2，…，cn分別包含了信號(hào)從高到低不同頻率段的成分，而且不是等帶寬的。所以，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解是基于與不同時(shí)間尺度有關(guān)的能量的直接提取上進(jìn)行的。

3 測(cè)試結(jié)果與分析［4］

該機(jī)組甩100%額定負(fù)荷過程，測(cè)量了機(jī)組的壓力、轉(zhuǎn)速和振動(dòng)擺度等，本文就機(jī)組壓力中的球閥后壓力進(jìn)行分析。球閥后壓力進(jìn)行了兩個(gè)位置的測(cè)量，一處位于蝸殼層球閥后壓力鋼管上，另一處為用測(cè)壓管路將球閥后壓力引致水輪機(jī)層的水力測(cè)量表盤處，引壓管路長度約為5 m，兩測(cè)點(diǎn)的高程差為3 m。

該機(jī)組甩100%額定負(fù)荷過程，球閥后壓力蝸殼層測(cè)點(diǎn)與水輪機(jī)層測(cè)點(diǎn)變化曲線見下圖1，由圖1可知，水輪機(jī)層測(cè)點(diǎn)的最大值為8.139 MPa，蝸殼層測(cè)點(diǎn)的最大值為7.656 MPa。盡管兩測(cè)點(diǎn)的數(shù)值均滿足合同保證值要求，不過，兩者相差0.483 MPa(未考慮兩測(cè)點(diǎn)高程差)，相差數(shù)值還是較大的。為分析兩者之間的差異，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EMD來進(jìn)行分析，分析時(shí)段選取圖1中5～15 s。

圖1 甩300 MW負(fù)荷過程有功功率與球閥后壓力時(shí)域變化曲線

先對(duì)球閥后壓力水輪機(jī)層與蝸殼層測(cè)點(diǎn)進(jìn)行EMD分解，兩測(cè)點(diǎn)均分解得到9個(gè)IMF和1殘量，然后對(duì)分解得到的各IMF和殘量進(jìn)行FFT變換，進(jìn)而得到的頻域幅值譜兩測(cè)點(diǎn)前4個(gè)IMF的頻域幅值譜如圖2、3所示，由分析結(jié)果可知，球閥后壓力蝸殼層測(cè)點(diǎn)中有430～500 Hz的高頻成分，而水輪機(jī)層測(cè)點(diǎn)中沒有;水輪機(jī)層測(cè)點(diǎn)中16～20 Hz的頻率成分幅值較大，其中20 Hz左右頻率成分雙幅值達(dá)到了0.14 MPa，而蝸殼層測(cè)點(diǎn)中20 Hz左右頻率成分的雙幅值僅為0.01 MPa左右，兩者相差約14倍。

圖2 球閥后壓力水輪機(jī)層測(cè)點(diǎn)前4個(gè)IMF對(duì)應(yīng)的頻域幅值譜

圖3 球閥后壓力蝸殼層測(cè)點(diǎn)前4個(gè)IMF對(duì)應(yīng)的頻域幅值譜

水輪機(jī)層測(cè)點(diǎn)EMD分解中的IMF2舍去，剩下的各IMF與殘量重構(gòu)得到球閥后壓力水輪機(jī)層，蝸殼層測(cè)點(diǎn)EMD分解中的IMF1舍去，剩下的各IMF與殘量重構(gòu)得到球閥后壓力蝸殼層，這兩個(gè)重構(gòu)信號(hào)的對(duì)比見圖4。

由圖4可知，兩者的變化趨勢(shì)基本一致，此外，球閥后壓力蝸殼層最大值為7.649 MPa，球閥后壓力水輪機(jī)層最大值為7.684 MPa，兩者相差僅0.035 MPa，相比之前的0.483 MPa減小了0.448 MPa(約93%)。可見球閥后壓力水輪機(jī)層測(cè)點(diǎn)中16～20 Hz的頻率成分是由測(cè)壓管路額外引入的。

圖4 球閥后壓力水輪機(jī)層與蝸殼層重構(gòu)信號(hào)對(duì)比曲線

圖5 有連接管時(shí)壓力傳感器安裝示意

如果壓力測(cè)量采用的結(jié)構(gòu)如圖5所示，則傳感器在I處測(cè)得的信號(hào)與在II處測(cè)得的信號(hào)相比將發(fā)生偏差。當(dāng)信號(hào)的頻率達(dá)到第一臨界頻率fC時(shí)，這一偏差將特別顯著。當(dāng)壁面為剛性、系統(tǒng)中沒有氣泡時(shí)，并且忽略阻尼、假定為小振幅脈動(dòng)及管路直徑與aC/fC)相比很小，VCACLC時(shí)，第一臨界頻率fC的計(jì)算公式為

式中，aC為連接管中壓力波的傳播速度;LC為壓力測(cè)量連接管長度;AC為壓力測(cè)量連接管直徑;VC為壓力傳感器安裝處容器容積。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，水壓力波速為1 200 m/s左右，又測(cè)壓管路長約為5 m，因此可計(jì)算得到第一臨界頻率fc的近似值為60 Hz，這與16～20 Hz相差較大，由此可知造成球閥后壓力水輪機(jī)層測(cè)點(diǎn)壓力偏大的原因不是第一臨界頻率，而很可能是與引壓管路排氣未盡或引壓管路固定不牢固有關(guān)。

4 結(jié)語

(1)測(cè)量引壓管路對(duì)壓力脈動(dòng)中的高頻成分有明顯的阻尼作用。

(2)測(cè)量引壓管路可能會(huì)引入額外的頻率成分，從而造成壓力測(cè)量結(jié)果偏大，影響對(duì)機(jī)組過渡過程性能的正確評(píng)價(jià)。

(3)壓力測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)盡可能接近被測(cè)量部位，測(cè)壓管路應(yīng)可能地短。建議主機(jī)廠家在設(shè)計(jì)時(shí)考慮測(cè)試用的測(cè)點(diǎn)開孔和測(cè)壓管路布置。

(4)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EMD具有自適應(yīng)分解特性，非常適用于過渡過程等非平穩(wěn)信號(hào)的分析。

［1］發(fā)改能源2014—2482號(hào) 國家發(fā)展改革委關(guān)于促進(jìn)抽水蓄能電站健康有序發(fā)展有關(guān)問題的意見［S］．

［2］袁壽其，方玉建，袁建平，等．我國已建抽水蓄能電站機(jī)組振動(dòng)問題綜述［J］．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2015(11):1-15．

［3］崔玲麗，高立新，張建宇，等．基于EMD的復(fù)合故障診斷方法［J］．北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(9):1055-1060．

［4］GB/T 17189—2007 水力機(jī)械(水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī))振動(dòng)和脈動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程［S］．

［5］程軍圣，于德介，楊宇．EMD方法在轉(zhuǎn)子局部碰摩故障診斷中的應(yīng)用［J］．振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2006(3):24-27．

［6］田鋒社．水輪機(jī)壓力脈動(dòng)測(cè)試的分析與探討［J］．水利水電科技進(jìn)展，2006(4):37-40．

［7］葉復(fù)萌，朱淵岳，樊紅剛，等．抽水蓄能電站復(fù)雜管系的自激振動(dòng)研究［J］．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2007(8):135-140．

［8］周攀，周東岳，鄧?yán)冢贓MD方法的水力測(cè)量信號(hào)分析［J］．水電與抽水蓄能，2016(2):39-43．

［9］陳喜陽，閆海橋，孫建平．基于EMD-FFT的水電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)［J］．水力發(fā)電，2014，40(5):51-54．

［10］游光華．天荒坪機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)壓力鋼管壓力上升分析［J］．水電站機(jī)電技術(shù)，2002(2):76-78．

［11］李承軍．抽水蓄能機(jī)組壓力脈動(dòng)的測(cè)試與分析［J］．水力發(fā)電，2001(5):53-55．