水电站机组及厂房振动特性研究
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摘要
水电站机组的运行特性主要包括三个方面,一是能量特性,即效率问题,二是空化和空蚀特性,三是机组的稳定性。其中,效率特性关系到水能的利用程度,空蚀和空化特性关系到机组的使用寿命,而稳定性则不仅关系到机组的使用寿命而且关系到机组乃至整个电站能否正常运行。同时,由机组振动诱发的水电站厂房结构的振动也已经成为水电站运行和设计的关键问题。在实测信号处理方面,小波、分形等现代处理手段也逐渐显示出其优越性和广阔的发展前景。本文就主要以螺丝湾水电站为例,通过对实测信号的处理分析,分别研究了水力机组的运行特性及水电站厂房结构的振动特性。具体思路和研究内容如下:
第一章绪论部分简要介绍了水电站机组振动及厂房结构振动的现状、存在的问题以及未来的发展动态,对本课题所要用到的小波、分形等现代信号处理方法及本课题所要解决的问题进行了归纳和说明。
第二章则主要根据实测数据得出水电站原型机组的相对效率,并给出了相应的效率特性曲线。
第三章主要结合具体工程实例,通过对机组的振动测试结果分析、轴摆度测试结果分析、水压脉动测试结果分析以及频谱分析,从不同的角度综合评价机组的运行稳定性,指出了机组所存在的各种不平衡因素,给出了可能影响机组运行的各种振源,强调了水力振源是最主要的影响因素,提供了改善机组振动状态的措施并划分出机组的稳定运行区间。
第四章旨在运用小波、分形等现代信号处理方法对实测信号进行分析处理,对于实测水压脉动信号首先进行小波分解以确定各频带的能量及其对机组振动贡献的大小;随后又研究了水压脉动的分形特性,指出其在紊流研究中广阔的应用前景;最后在小波消噪的基础上将分形几何应用到水轮发电机组的轴心轨迹识别中去,为计算机图形识别提供了一种有效的工具,也可以作为水力机组振动故障判别的一种方法加以应用。
第五章初步讨论了由机组振动诱发的厂房结构振动的特性,从实测的角度揭示了厂房振源,并且通过有限元计算得出主厂房的固有振动特性并进行共振复核;采取不同的荷载施加方式研究了厂房的动力响应,分析了各种施加方式的优点和不足,指出在今后的水电站现场测试中引入对厂房结构振动测试的重要意义。
The operation characteristics of Water Turbine Generator Set mainly include energy (output and efficiency), cavitation and stability. Energy is related to extent of water-power utilization; cavitation is related to service life of turbine; the stability not only has great effect to turbine life, but also is directly related to the normal operation of power station. Meanwhile, the vibration of plant structure induced by water-power set has become key problem in designing and operation. Wavelet analysis and fractal geometry have been gradually presenting their advantages and extensive prospect in analysis of measured vibration signal. Basing on actual measurement data of Luosiwan power station, this paper study the operation characteristic of water-power set and the vibration of plant separately. Detailed content and main conclusion of this paper are listed below:
In chapter 1, general Situation and existed conditions of vibration of water-power set and plant are introduced, the new method of signal analysis such as wavelet analysis, fractal geometry and the problem to be solved in this paper are summarized.
In chapter 2, according to measured data, efficiency of water-power set is received, and corresponding characteristic curve is provided.
In chapter 3, combining specific example, set vibration, axis swing, pressure pulsation and spectrum is analyzed, the stability of the water-power set is evaluated, unbalanced factors existed in the set is pointed out, possible excitation sources is obtained, hydraulic excitations as the most important factor is emphasized, measure aimed to improve set operation is provided and stable interval is divided.
In chapter 4, wavelet analysis and fractal geometry is used to deal with signal analysis. Energy of frequency range of pressure pulsation and its contribution to vibration are determined by wavelet analysis, and then fractal characteristic of turbulence is illustrated, finally fractal geometry is applied to identification of Shaft central locus of water turbine generator set basing on wavelet purification. It is proved that fractal geometry is an effective method to computer image identification; fractal dimension can also be a way to abstract the symptom of the failures.
In chapter 5, plant vibration induced by machine vibration is primary discussed, excitation sources of plant are revealed from view of actual measurement. Natural resonant frequency of main building is calculated by FEM and the resonant reaction is checked, dynamic structure response is analyzed under different application method of loads, and the significance of introducing vibration test of plant structure to field test in hydropower station in future is pointed out.
第一章绪论部分简要介绍了水电站机组振动及厂房结构振动的现状、存在的问题以及未来的发展动态,对本课题所要用到的小波、分形等现代信号处理方法及本课题所要解决的问题进行了归纳和说明。
第二章则主要根据实测数据得出水电站原型机组的相对效率,并给出了相应的效率特性曲线。
第三章主要结合具体工程实例,通过对机组的振动测试结果分析、轴摆度测试结果分析、水压脉动测试结果分析以及频谱分析,从不同的角度综合评价机组的运行稳定性,指出了机组所存在的各种不平衡因素,给出了可能影响机组运行的各种振源,强调了水力振源是最主要的影响因素,提供了改善机组振动状态的措施并划分出机组的稳定运行区间。
第四章旨在运用小波、分形等现代信号处理方法对实测信号进行分析处理,对于实测水压脉动信号首先进行小波分解以确定各频带的能量及其对机组振动贡献的大小;随后又研究了水压脉动的分形特性,指出其在紊流研究中广阔的应用前景;最后在小波消噪的基础上将分形几何应用到水轮发电机组的轴心轨迹识别中去,为计算机图形识别提供了一种有效的工具,也可以作为水力机组振动故障判别的一种方法加以应用。
第五章初步讨论了由机组振动诱发的厂房结构振动的特性,从实测的角度揭示了厂房振源,并且通过有限元计算得出主厂房的固有振动特性并进行共振复核;采取不同的荷载施加方式研究了厂房的动力响应,分析了各种施加方式的优点和不足,指出在今后的水电站现场测试中引入对厂房结构振动测试的重要意义。
The operation characteristics of Water Turbine Generator Set mainly include energy (output and efficiency), cavitation and stability. Energy is related to extent of water-power utilization; cavitation is related to service life of turbine; the stability not only has great effect to turbine life, but also is directly related to the normal operation of power station. Meanwhile, the vibration of plant structure induced by water-power set has become key problem in designing and operation. Wavelet analysis and fractal geometry have been gradually presenting their advantages and extensive prospect in analysis of measured vibration signal. Basing on actual measurement data of Luosiwan power station, this paper study the operation characteristic of water-power set and the vibration of plant separately. Detailed content and main conclusion of this paper are listed below:
In chapter 1, general Situation and existed conditions of vibration of water-power set and plant are introduced, the new method of signal analysis such as wavelet analysis, fractal geometry and the problem to be solved in this paper are summarized.
In chapter 2, according to measured data, efficiency of water-power set is received, and corresponding characteristic curve is provided.
In chapter 3, combining specific example, set vibration, axis swing, pressure pulsation and spectrum is analyzed, the stability of the water-power set is evaluated, unbalanced factors existed in the set is pointed out, possible excitation sources is obtained, hydraulic excitations as the most important factor is emphasized, measure aimed to improve set operation is provided and stable interval is divided.
In chapter 4, wavelet analysis and fractal geometry is used to deal with signal analysis. Energy of frequency range of pressure pulsation and its contribution to vibration are determined by wavelet analysis, and then fractal characteristic of turbulence is illustrated, finally fractal geometry is applied to identification of Shaft central locus of water turbine generator set basing on wavelet purification. It is proved that fractal geometry is an effective method to computer image identification; fractal dimension can also be a way to abstract the symptom of the failures.
In chapter 5, plant vibration induced by machine vibration is primary discussed, excitation sources of plant are revealed from view of actual measurement. Natural resonant frequency of main building is calculated by FEM and the resonant reaction is checked, dynamic structure response is analyzed under different application method of loads, and the significance of introducing vibration test of plant structure to field test in hydropower station in future is pointed out.
引文
[1]王贵,水轮机振动与稳定性及其试验技术的研究,申请博士学位论文,哈尔滨工业大学,2002
[2]沈可,水电站厂房结构振动研究,申请博士学位论文,广西大学,2002
[3]秦亮,双排机水电站厂房支承结构动力特性研究,申请硕士学位论文,天津大学,2003
[4]胡志刚,大型水电站地下厂房结构振动计算研究,申请硕士学位论文,天津大学,2003
[5]刘晓亭,李维藩,水力机组现场测试手册,北京:水利电力出版社,1993
[6]马震岳,董毓新,水轮发电机组动力学,大连:大连理工大学出版社,2003
[7]吕延光,混流式水轮机稳定性研究,申请硕士学位论文,哈尔滨工业大学,2001
[8]武汉水利电力学院,水力机组测试技术,北京:电力工业出版社,1982
[9]黄继汤,空化与空蚀的原理及应用,北京:清华大学出版社,1991
[10]金德才,二滩水电站 550MW 水轮机水力特性,水力发电,2002(5):36~38
[11]张东胜,李家峡水力发电厂 1 号水轮发电机组运行分析,青海电力,1998(3):17~24
[12]韦强,龙羊峡水电厂水机三大特性试验综述,青海水力发电,1998(2):30~36
[13]朱国海,刘家峡电厂水轮机稳定性试验及分析,西北电力技术,2003(4):51~53
[14]周廷奎,混流式水轮机压力脉动及水力振动研究,申请硕士学位论文,四川工业学院,2002
[15]吴刚,戴勇峰,张克危,混流式水轮机尾水管进口流场与水压力脉动的关系,水能源科学,2000,18(3):58~61
[16]吴刚,韦采新,张克危,水轮机尾水管水压脉动与运行工况的关系,华中理工大学学报,1998,26(11):88~91
[17]吴刚,韦采新,谭月灿,导叶开口对混流式水轮机尾水管压力脉动的影响,华中理工大学学报,1999,27(9):27~29
[18]江晓明,混流式水轮机压力脉动计算,大机电技术,1993(2):43~49
[19]何成连,王正伟,水轮机尾水管内部压力脉动试验研究,机械工程学报,2002,38(11):63~65
[20]刘树红,邵奇,杨建明,三峡水轮机的非定常湍流计算及整机压力脉动分析,水力发电学报,2004,23(5):97~101
[21]唐宏芬,杨建明,水轮机尾水管内周期性湍流计算,水力发电学报,2001(3):75~84
[22]周凌九,王正伟,转轮出口流态对尾水管内压力脉动的影响,清华大学学报(自然科学版),2002,42(12):1670~1673
[23]王正伟,周凌九,尾水管涡带引起的不稳定流动计算与分析,清华大学学报(自然科学版),2002,42(12):1647~1650
[24]云南香格里拉冲江河、螺丝湾水电站机组测试报告,天津:天津大学水利水电工程系,2005
[25]黄河李家峡水电站双排机组真机试验研究,天津:天津大学建筑工程学院,2004
[26]程正兴,小波分析算法与应用,西安:西安交通大学出版社,1998
[27]郭晶,陆舒敏,辅助小波分析与应用,北京:电子工业出版社,2003
[28]郭航忠,水垫塘底板稳定性判别标准研究,申请硕士学位论文,天津大学,2003
[29]肖梅玲,高春涛等,不同小波基下的结构位移反应动力可靠性分析,世界地震工程,2002,18(2):163~166
[30]洪治,李国宏等,基于小波包分析的水轮发电机组振动的故障诊断,武汉大学学报(工学版),2002,35(1):65~68
[31]康玲,万葳,基于小波分析的水位流量关系曲线求解方法,华中科技大学学报(自然科学版),2003,31(10):30~31
[32]余秋星,李志舜,利用小波和分形理论进行水下回波的特征提取,电子与信息学报,2003,25(6):844~846
[33]KANRE Mansa,李永等,水泵吸水池内部流动非定常信号的小波分析,工程热物理学报,2004,25(2):244~246
[34]彭新民,郭航忠,水流脉动压力的小波分析研究,水利学报,2003(8):26~31
[35]王海等,水轮发电机组故障信号检测及小波去噪研究,水利水电技术,2002,33(9):30~33
[36]戴洪海等,水轮机组振动信号中的小波滤波和特征提取,华中电力,2004,17(3):5~8
[37]林雯婷,张克危,小波变换及其在水轮机水压脉动信号处理中的应用,大机电技术,2002(6):47~54
[38]黄镔等,小波变换在水电机组故障信号分析中的应用,云南水力发电,2002,18(2):62~65
[39]戴洪海等,旋转机械振动信号中的小波滤波和特征提取,信息计算,2004,28(6):4~7
[40]肖若富,韦采新等,用小波包分析提取尾水管动态特性信息,华中科技大学学报,2001,29(12):43~44
[41]盛爱兰,小波变换与分形在机械振动信号处理中的应用,申请硕士学位论文,中国农业大学,2003
[42]刘自发,基于分形和混沌理论的负荷特性分析及预测,申请硕士学位论文,东北电力学院,2000
[43]胡屏,基于小波及分形理论的负荷几何特性的研究,申请硕士学位论文,东北电力学院,1999
[44]钟建军,基于分形理论的旋转机械故障诊断的应用研究,申请硕士学位论文,沈阳工业大学,2002
[45]马德军,动力系统中的混沌与分形现象及混沌控制方法的研究,申请博士学位论文,东北大学,2000
[46]侯祥林,非线性系统故障的分形和神经网络智能诊断方法研究,申请博士学位论文,东北大学,2000
[47]李宏亮,小波与分形的分析技术研究及其在故障诊断中的应用,申请硕士学位论文,机械工业部郑州机械研究所,2000
[48]滕丽娜,基于分形的信号处理技术在设备故障诊断中的应用研究,申请博士学位论文,上海交通大学,2002
[49]吴伯贤,丁晶,分形、分维与水文科学,水文科技情报,1992,9(37):2~5
[50]Mandelbrot. B B.Les Objets Fractals: Forme, Hasard et Dimension.Paris; Flammarion, 1975
[51]Jacquin A E. Image Coding Based on a Fractal Theory of Iterated Contractive Image Transformations.IEEE Trans on Image Processing, 1992,1(1): 18~30
[52]王海等,水轮发电机组轴心轨迹自动识别方法研究,水力发电学报:2002(3):73～80
[53]鄂春盛,蒋东翔,分形几何及其在汽轮机组振动故障征兆提取中的应用,汽轮机技术,1999,41(6):321～324
[54]张朝晖等,振动波形的分形判别及特征提取,东南大学学报,1999,29(6):26～29
[55]王玲玲等,分形理论及其在紊流研究中的应用,河海大学学报,1997,25(1):1~5
[56]黄细彬,楼雪,分形理论在含沙掺气水流脉动压力分析中的应用,河海大学学报,2001,29(5):79~83
[57]杨一波,金忠青,分形理论在紊流力学中的应用,河海科技进展,1992,12(3):59~64
[58]罗建书,沙基昌,分形信号的小波分析,工程图学学报,1999(2):27~34
[59]倪转坤,周建中,基于分形的水轮发电机组振动研究,水力发电,2004,30(3):43~45
[60]杨一波,金忠青,脉动压力的紊流分形特性,水科学进展,1998,9(4):361~366
[61]杜于,张群,小波变换在分形信号参数估计中的应用,西安电子科技大学学报,2006,27(6):281~284
[62]马震岳,董毓新,三峡水电站厂房结构动力分析与优化,水能源科学,2000,18(3):26~29
[63]陈婧,马震岳,三峡水电站主厂房振动分析,水力发电学报,2004,23(5):36~39
[64]练继建,秦亮,双排机水电站厂房结构动力特性研究,水力发电学报,2004,23(2):56~60
[65]练继建,胡志刚,秦亮,大型水电站地下厂房机组支撑结构动力特性研究,水力发电学报,2004,23(2):49~54
[66]向家坝水电站地下厂房内部结构静动力分析研究,天津:天津大学建筑工程学院,2004
[2]沈可,水电站厂房结构振动研究,申请博士学位论文,广西大学,2002
[3]秦亮,双排机水电站厂房支承结构动力特性研究,申请硕士学位论文,天津大学,2003
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[15]吴刚,戴勇峰,张克危,混流式水轮机尾水管进口流场与水压力脉动的关系,水能源科学,2000,18(3):58~61
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[28]郭航忠,水垫塘底板稳定性判别标准研究,申请硕士学位论文,天津大学,2003
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[31]康玲,万葳,基于小波分析的水位流量关系曲线求解方法,华中科技大学学报(自然科学版),2003,31(10):30~31
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[42]刘自发,基于分形和混沌理论的负荷特性分析及预测,申请硕士学位论文,东北电力学院,2000
[43]胡屏,基于小波及分形理论的负荷几何特性的研究,申请硕士学位论文,东北电力学院,1999
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[60]杨一波,金忠青,脉动压力的紊流分形特性,水科学进展,1998,9(4):361~366
[61]杜于,张群,小波变换在分形信号参数估计中的应用,西安电子科技大学学报,2006,27(6):281~284
[62]马震岳,董毓新,三峡水电站厂房结构动力分析与优化,水能源科学,2000,18(3):26~29
[63]陈婧,马震岳,三峡水电站主厂房振动分析,水力发电学报,2004,23(5):36~39
[64]练继建,秦亮,双排机水电站厂房结构动力特性研究,水力发电学报,2004,23(2):56~60
[65]练继建,胡志刚,秦亮,大型水电站地下厂房机组支撑结构动力特性研究,水力发电学报,2004,23(2):49~54
[66]向家坝水电站地下厂房内部结构静动力分析研究,天津:天津大学建筑工程学院,2004