調節閥技術文檔

    球閥是抽水蓄能電站 的重要設備之一，其主要有三個用途：①蓄能機組發生異常時通過球閥截斷水流，即動水關閉球閥，避免事故擴大；②蓄能機組檢修時通過球閥阻擋水流以保障檢修安全；③與調速器緊密配合，參與調節保證以降低水錘壓力，減輕水力振蕩。
     球閥的穩定性對其功能的實現具有至關重要作用，因此運行中球閥振動、壓力脈動等穩定性參數的研究對保障電站安全穩定運行具有非常重要的現實意義，故我國標準對大中型電站的進水閥就有明確的技術要求。目前，抽水蓄能電站竣工投產后也均要求進行動水情況下的球閥關閉試驗，以判斷球閥的動作特性是否滿足設計要求并對其穩定性進行觀測。

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1、試驗基本條件

1.1 機組參數

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    某抽水蓄能電站安裝4臺單機容量為250MW的單級混流可逆式水泵水輪發電機組，電站最大毛水頭/揚程346m，最小毛水頭/揚程291m，水輪機工況額定水頭305m。電站每臺機組均裝設一臺球閥用于停機時截斷水流。水泵水輪機轉輪葉片數為9，固定導葉數為26，機組額定轉速為333R/min。 本文來自重慶普惠斯閥門

1.2 球閥參數 copyright cqphs.com

    操作方式：臥軸雙面密封，兩個單作用液壓缸式接力器油壓操作；球閥直徑：2450mm；設計壓力：5.2MPa；試驗壓力：7.8MPa；球閥尺寸：3200mm×6000mm×4600mm；開啟時間：62s；關閉時間：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行操作，接力器行程1940mm，工作體積300L/個，設計壓力7.0MPa。

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1.3 測試系統描述

    2015年10月，由國網新源控股有限公司技術中心實施了電站3#機組動水關閉球閥試驗。為監測球閥關閉過程中機組及球閥穩定性參數，對機組的振動、擺度、壓力脈動和球閥的振動、位移、壓力脈動進行了同步采集，采樣率為1kS/s。機組測點見圖1所示，球閥測點見圖2所示，圖3與圖4給出了典型測點布置的照片。

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圖1 機組測點布置圖 cqphs.com

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圖2 球閥測點布置圖 copyright cqphs.com

    試驗所用傳感器參數為：速度傳感器采用本特利生產的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的PTX5072型傳感器，精度為±0.2%，頻響范圍0～5kHz（-3dB）。

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圖3 機組振動與擺度測點實例 重慶普惠斯閥門

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圖4 球閥振動測點實例

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    試驗采用兩套采集儀器進行同步采集，分別為ADRE408DSPi和QuantumXMX840A-P。采樣精度可以達到24位A/D。整個試驗平臺如圖5所示。 內容來自cqphs.com

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圖5 現場試驗采集平臺 本文來自重慶普惠斯閥門

1.4 水文條件 重慶普惠斯

    動水關閉球閥試驗前機組帶滿負荷運行，上游水位800.32MSL，下游水位472.65MSL，毛水頭327.67m。 copyright cqphs.com

2、短時傅里葉變換

    傅里葉變換在信號分析中具有極其重要的作用。傳統的傅里葉變換是一種對時域信號的整體變換，不適合處理非平穩信號。為克服傅里葉變換在時域局部化方面的不足，1946年D.GABOR提出了研究非平穩信號的短時傅里葉變換或窗口傅里葉變換，在一定程度上實現了時域和頻域局部化。 copyright cqphs.com

    短時傅里葉變換的思想是：在傳統傅里葉變換的框架中，把非平穩信號看成是一系列短時平穩信號的疊加，而短時性則通過在時域上的加窗實現，并通過平移參數來覆蓋整個時域。設h（t）是中心位于τ且寬度有限的窗函數，對于給定的非平穩信號s（t）∈L2（R），信號s（t）的短時傅里葉變換定義為

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（1）

    由短時傅里葉變換的表達式可見，由于窗函數h（t）的時移和頻移使短時傅里葉變換具有了局部特性，它既是時間的函數又是頻率的函數。對于給定的時刻t，S（t，w）可視為該時刻的局部頻譜，即原信號在t時刻附近τ時段內的傅里葉變換。 重慶普惠斯

    短時傅里葉變換的窗函數很多，常用的窗函數有：矩形窗、漢寧窗、海明窗、高斯窗和布萊克曼窗等。由于高斯函數是所有函數中時頻集聚性最好的函數，因此本文采用高斯窗函數進行加窗分析。 重慶普惠斯閥門

3、數據分析

    動水關球閥試驗前機組帶滿負荷運行，經調度允許后開始試驗。在球閥機旁盤啟動球閥關閉流程，球閥開始關閉，機組功率減小至一定值后，斷路器動作，機組甩負荷，繼而調速器動作，導葉快速關閉，機組停機。整個過程見圖6所示。典型的機組振動、擺度及壓力脈動測點時域波形圖見圖7所示。

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圖6 動水關球閥過程中轉速、有功功率、球閥與導葉開度 cqphs.com

圖7 轉輪與底環間、球閥垂直振動和水導擺度時域波形圖

    由圖6可知：球閥動水關閉試驗中，球閥控制系統在接到關閉命令后，球閥行程線性減小，此時由于流量的減小導致輸入水力矩減小和發電機輸出功率逐漸減小，同時轉輪入口水流速度減小進而導致水泵水輪機偏離最優工況點，并引起通流部件內壓力脈動的顯著上升，同時導致球閥及機組的穩定參數惡化（見圖7）。上述現象一直持續到導葉接近全關處，因此這是一個典型的非穩態過程。為實現對這一過程中機組、球閥的穩定性參數的有效分析，采用前述的短時傅里葉變換對實測信號進行分析。

    對轉輪與底環間壓力脈動、球閥本體振動和水導擺度信號采用短時傅里葉變換進行分析，時頻圖結果分別見圖8、圖9和圖10所示。根據信號的采樣頻率，頻譜分析最高頻率為500Hz，考慮到信號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，以便對其中的低頻成分進行觀測，同時也便于觀測兩倍葉片過流頻率。

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圖8 轉輪與底環間壓力脈動短時傅里葉變換 重慶普惠斯閥門

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圖9 球閥垂直振動的短時傅里葉變換 重慶普惠斯閥門

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圖10 水導擺度的短時傅里葉變換 copyright cqphs.com

    由圖8～圖10可知，球閥在動水關閉前機組各個測點均有明顯的100Hz頻率成分，在穩態分析時這一頻率誤識別為機組的極頻振動導致。在動水關閉球閥后至停機過程中，這一較高頻率成分隨機組的轉速降低而降低，而在機組停機過程中由于轉子沒有勵磁電流，發電機出口斷路器斷開，此時機組的振動主要由機械因素和水力因素所決定，無電氣因素影響機組振動。由機械因素所確定的振動主要表現為轉頻及其較低的倍頻成分，因而停機過程中這一與轉速有密切相關的頻率成分應為水力因素所激發。通過提取這一頻率成分并繪制其與機組轉速的關系，結果如圖11所示。由圖11可知，識別到的這一頻率成分與機組的轉速成線性關系，考慮到水泵水輪機葉片數9，該頻率成分恰為9倍轉頻的兩倍，即兩倍葉片過流頻率，這一振動頻率符合動靜干涉所導致振動頻率特征。因此在穩態工況下的100Hz頻率成分亦主要為兩倍葉片過流頻率而非極頻。

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圖11 識別到的兩倍葉片過流頻率

    為進一步探究兩倍葉片過流頻率的傳遞情況，分別在穩態工況下繪制轉輪與底環壓力、轉輪與頂蓋間壓力、尾水進口壓力、蝸殼進口壓力、球閥上游側壓力測點的頻譜圖，并對頻譜根據以下原則進行歸一化： 內容來自cqphs.com

    步驟1 分別獲得每個測點的頻譜數據，并提取相應的兩倍葉片過流頻率幅值；

    步驟2 計算全部測點兩倍葉片過流頻率幅值的最大值，以該最大值作為基礎進行歸一化操作；

    上述操作本質上是對兩倍葉片過流頻率幅值進行的歸一化，計算結果見圖12所示。在歸一化時，由于轉頻的倍頻成分較100Hz幅值大，因此繪圖處理時，將大于1的幅值部分強制為1。

圖12 壓力脈動測點頻域圖 內容來自cqphs.com

    由圖12可知，球閥上游鋼管、球閥下游側、蝸殼進口，轉輪與底環壓力脈動中均存在較強的兩倍葉片過流頻率幅值，這表明該頻率成分在水體內具有向上游側傳播的特性。而在轉輪下游側測點上，兩倍葉片過流頻率極其微弱，這可以解釋為產生于轉輪進口側的兩倍葉片過流頻率在經過轉輪后急劇衰減，轉輪及水體對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生于轉輪進口側，而非轉輪出口側所產生。有必要指出轉輪與導葉間壓力脈動由于測量時經過長引水管非直接測量，由于水體的阻尼特性，信號采樣中的實測兩倍葉片過流頻率幅值表現偏弱。產生于轉輪進口側的兩倍葉片過流頻率成分在傳播時不可避免的在各個通流部件上將產生高頻振動，同時向其它轉動及固定部件傳遞。機組擺度、振動及球閥振動的頻譜結果見圖13～15所示，圖13～圖15的數據歸一化方式與圖12相同。 重慶普惠斯閥門

    由圖13可知，在機組擺度測點反應上，水導靠近振源、下導次之、上導最遠，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。在機組垂直振動測點反應上，也反應出了同樣的規律（見圖14），即：頂蓋位置處靠近轉輪導致兩倍葉片過流頻率對應幅值明顯強于下機架、定子基座及上機架，隨著距離振源的增大而衰減。球閥處測點也具有基本類似的規律（見圖15）。同時球閥基礎也監測到了較強的兩倍葉片過流頻率成分，這表明該頻率成分已經向廠房傳遞，這也解釋了為什么該抽水蓄能電站廠房振動中含有較強的100Hz成分。 重慶普惠斯

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圖13 機組擺度測點頻域圖

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圖14 機組垂直振動測點頻域圖

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圖15 球閥徑向振動測點頻域圖 內容來自cqphs.com

4、結論

    本文采用短時傅里葉變換方法，針對某抽水蓄能電站機組穩定運行及動水關閉球閥過程中機組與球閥的穩定性參數進行了分析，研究結果表明：

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1. 穩態工況下該兩倍葉片過流頻率與機組的極頻相互疊加，造成機組的振動進一步加大。
2. 產生于轉輪進口側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增大。
3. 由于短時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水關閉球閥過程中機組及球閥的特征頻率的提取。
4. 通過對比穩態過程與球閥動水關閉過程兩倍葉片過流頻率隨機組轉速的變化，確認了100Hz振動主要是兩倍葉片過流頻率。