基于DASP的大型泵站壓力管道振源辨識(shí)研究

徐存東，丁廉營(yíng)，王亞楠，聶俊坤，溫欽鈺，王榮榮(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450011)

0 引 言

大型泵站壓力管道的振動(dòng)將造成管道內(nèi)部流速和壓力的不均勻分布，導(dǎo)致管道沿程阻力和水頭損失的增加，降低壓力管道的管路效率和裝置效率，增加管路系統(tǒng)的能量損耗并且直接影響泵站輸水管路的安全運(yùn)行[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大型泵站普遍存在管道振動(dòng)問(wèn)題，全世界每年因管道振動(dòng)而造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億美元[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管道的振動(dòng)特性開(kāi)展了大量研究，并取得了豐富的研究成果[3]。Wood[4]和Williams[5]分別對(duì)壓力管道運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，揭示管道振動(dòng)對(duì)水擊壓力有較大影響；Vardy[6]對(duì)“T”型輸水管路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與計(jì)算，提出液體與管壁間的耦合作用對(duì)管道振動(dòng)具有較強(qiáng)響應(yīng)；諸葛起等[7]采用復(fù)模態(tài)理論構(gòu)建了復(fù)雜管系的流固耦合模型[8]；Hara[9]研究了兩相流動(dòng)引起的管道振動(dòng)問(wèn)題，推導(dǎo)出兩相流管道自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程，并且指出管道振動(dòng)主要由離心力和振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量改變而引起。上述關(guān)于管道振動(dòng)的理論研究對(duì)泵站壓力管道的安全運(yùn)行具有重要指導(dǎo)意義，然而針對(duì)大型泵站壓力管道實(shí)施原位測(cè)試與振源識(shí)別研究尚需深入。因此，開(kāi)展基于原位測(cè)試的大型泵站壓力管道振動(dòng)主振源的分析具有重要意義，研究可為大型泵站壓力管道的減振優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益借鑒。

1 測(cè)試系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 測(cè)試系統(tǒng)

DASP(Data acquisition & signal processing)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于振動(dòng)測(cè)試、噪聲試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集與分析，適用于大型泵站壓力管道振動(dòng)信號(hào)的原位采集與處理[10]。DASP系統(tǒng)測(cè)試軟件集數(shù)據(jù)采集與顯示、信號(hào)處理與分析、振動(dòng)與模態(tài)分析等功能于一體，能精準(zhǔn)靈活地測(cè)試大型泵站壓力管道振動(dòng)信號(hào)[11]。DASP系統(tǒng)拾振器通常安裝于待測(cè)工程結(jié)構(gòu)部位，用于拾取結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)，之后通過(guò)信號(hào)調(diào)理裝置將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并可實(shí)現(xiàn)在線信號(hào)分析[12]。

鑒于景泰川電力提灌灌區(qū)(下稱(chēng)：景電灌區(qū))泵站壓力管道布置特征，本試驗(yàn)采用891-2型拾振器，由于管道振動(dòng)測(cè)試激勵(lì)采用天然脈動(dòng)信號(hào)，故實(shí)驗(yàn)采用自由觸發(fā)(隨機(jī)采樣)方式開(kāi)始。景電灌區(qū)二期總干七泵站1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)離心泵的轉(zhuǎn)速分別為970、600、600 r/min；功率分別為410、1 400、1 400 kW；頻率均為50 Hz。根據(jù)本試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工況，選定DASP系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間為20 min，采樣頻率為512 Hz，振幅單位為mm/s。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

選取甘肅省景電灌區(qū)二期總干七泵站出水壓力管道開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該泵站壓力管道采用多機(jī)單管的布置形式，如圖1所示。其中，總干七泵站1號(hào)壓力管道在開(kāi)、停機(jī)瞬間管道的高頻振動(dòng)和運(yùn)行噪聲較大，管道振動(dòng)具有景電灌區(qū)壓力管道典型代表特征。因此，以景電工程總干七泵站1號(hào)壓力管道作為研究對(duì)象進(jìn)行DASP系統(tǒng)原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，并識(shí)別管道主振源。

圖1 景電二期總干七泵站壓力管道布置示意圖

應(yīng)用DASP測(cè)試系統(tǒng)對(duì)1號(hào)壓力管道進(jìn)行原位測(cè)試，依據(jù)管道振動(dòng)特征，測(cè)點(diǎn)選取布置在靠近后墻處、彎管處、主支管連接處以及支墩處。同時(shí)，拾振器沿管道的徑向、軸向、垂向布置，并建立x、y、z三維坐標(biāo)系，部分測(cè)點(diǎn)簡(jiǎn)化布置，拾振器布置如圖2所示。

圖2 拾振器布置示意圖

為有效獲取1號(hào)壓力管道運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)特性，結(jié)合管道運(yùn)行實(shí)際工況，采用以下代表性運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：①2號(hào)機(jī)開(kāi)啟→②2號(hào)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行→③3號(hào)機(jī)開(kāi)啟→④2、3號(hào)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行→⑤1號(hào)機(jī)開(kāi)啟→⑥1、2、3號(hào)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行→⑦1、2號(hào)機(jī)關(guān)閉→⑧3號(hào)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行→⑨3號(hào)機(jī)關(guān)閉。為了滿足測(cè)試分析需要，將上述運(yùn)行過(guò)程分為開(kāi)機(jī)過(guò)程①③⑤、穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程②④⑥⑧、關(guān)機(jī)過(guò)程⑦⑨進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理分析。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 頻譜分析

振動(dòng)測(cè)試完畢后，將測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)DASP系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為頻譜圖進(jìn)行頻譜分析。頻譜圖中某一頻率的譜線值越大，說(shuō)明這個(gè)頻率的干擾力對(duì)該點(diǎn)振動(dòng)貢獻(xiàn)響應(yīng)的能量越大，即與最大譜線值對(duì)應(yīng)的干擾力就是主振源[13]。通過(guò)對(duì)開(kāi)機(jī)過(guò)程、穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程和關(guān)機(jī)過(guò)程的頻譜圖進(jìn)行分析，從而識(shí)別壓力管道運(yùn)行時(shí)主要振源及振動(dòng)主頻，以開(kāi)機(jī)過(guò)程為例進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1.1開(kāi)機(jī)過(guò)程

(1)2號(hào)機(jī)開(kāi)啟支管2進(jìn)水。通過(guò)對(duì)1～22號(hào)測(cè)點(diǎn)的頻譜圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)所有測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻集中在10 Hz及其倍頻，1～3號(hào)測(cè)點(diǎn)主頻在0～2 Hz表現(xiàn)明顯，7、8號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻在33～38 Hz和60 Hz，其他測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻在0～2 Hz和120 Hz也有所表現(xiàn)，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻在12號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)頻譜中均有反應(yīng)，如圖3所示。依據(jù)參考文獻(xiàn)[14]可以得出引起管道劇烈振動(dòng)的原因?yàn)樗骷?lì)和機(jī)械振動(dòng)。

圖3 支管2進(jìn)水過(guò)程振動(dòng)信號(hào)頻譜圖

(2)3號(hào)機(jī)開(kāi)啟支管3進(jìn)水。由各測(cè)點(diǎn)的頻譜圖可知，1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)主頻集中在10 Hz及其倍頻，在33～38 Hz之間也有體現(xiàn)；6～8號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻集中在120、35和96 Hz；13號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)主頻大多集中在0.2～2 Hz之間，其余測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻率為小頻率和大頻率交叉出現(xiàn)。支管3進(jìn)水過(guò)程振動(dòng)信號(hào)頻譜如圖4所示。

圖4 支管3進(jìn)水過(guò)程振動(dòng)信號(hào)頻譜圖

(3)1號(hào)機(jī)開(kāi)機(jī)支管1進(jìn)水。由頻譜圖可知，所有測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻主要集中在10 Hz及其倍頻，1～3號(hào)測(cè)點(diǎn)主頻在0～2 Hz表現(xiàn)明顯，7、8號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻在33～38 Hz也有表現(xiàn)，支管1進(jìn)水過(guò)程振動(dòng)信號(hào)頻譜如圖5所示。

圖5 支管1進(jìn)水過(guò)程振動(dòng)信號(hào)頻譜圖

通過(guò)分析開(kāi)機(jī)過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)頻譜圖可知，開(kāi)機(jī)過(guò)程進(jìn)水支管振動(dòng)的主要振源為水流激勵(lì)，振動(dòng)主頻為0～5 Hz與33～38 Hz。

2.1.2穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程

通過(guò)分析穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程各測(cè)點(diǎn)頻譜特征可知，泵站壓力管道在穩(wěn)定運(yùn)行期間的振源主要包括：①機(jī)械振動(dòng)。主頻為10 Hz及其倍頻或者16 Hz及其倍頻；②水流激勵(lì)。主頻為35～38 Hz或0.2 Hz；③電磁激勵(lì)。主頻為8 Hz。由頻譜圖可知，10 Hz及其倍頻或者16 Hz及其倍頻的頻率值出現(xiàn)機(jī)會(huì)較多，即穩(wěn)定運(yùn)行期間機(jī)械振動(dòng)為主要振源。此外，須進(jìn)一步揭示管道穩(wěn)定運(yùn)行期間水流激勵(lì)和電磁振動(dòng)大小。

2.1.3停機(jī)過(guò)程

對(duì)停機(jī)過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)頻譜進(jìn)行分析可知，停機(jī)過(guò)程的主要振源為電磁振動(dòng)，其主頻為50 Hz，機(jī)械振動(dòng)主頻為10 Hz及其倍頻，水流激勵(lì)主頻為0～3 Hz，其中電磁振動(dòng)的影響早于機(jī)械振動(dòng)的影響，水流激勵(lì)的影響最小。

2.2 功率譜分析計(jì)算

各振源在不同測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生干擾力不斷變化，導(dǎo)致各振源對(duì)測(cè)點(diǎn)激勵(lì)程度不盡相同[15]。同時(shí)，激起壓力管道振動(dòng)的干擾力有各自的頻率特點(diǎn)，因此，通過(guò)分析功率譜圖，即可識(shí)別此時(shí)激起該點(diǎn)振動(dòng)的主要振源[16]。以穩(wěn)定運(yùn)行工況為例進(jìn)行主要振源分析。

機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的振源有水流激勵(lì)、機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)，通過(guò)對(duì)1～22號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行功率譜分析，計(jì)算不同振源在每個(gè)測(cè)點(diǎn)所占的振動(dòng)響應(yīng)貢獻(xiàn)比，從而識(shí)別機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)管道振動(dòng)的主振源。2號(hào)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中1號(hào)測(cè)點(diǎn)和9號(hào)測(cè)點(diǎn)的功率譜如圖6所示，依據(jù)參考文獻(xiàn)[17]計(jì)算可得水流激勵(lì)、機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)引起管道振動(dòng)響應(yīng)貢獻(xiàn)比分別為30.7%，56.0%，13.3%和4.9%，77.5%，17.6%。

圖6 2號(hào)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行1號(hào)和9號(hào)測(cè)點(diǎn)功率譜圖

通過(guò)對(duì)2號(hào)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)功率譜進(jìn)行分析，可得水流激勵(lì)、機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)引起管道振動(dòng)響應(yīng)所占貢獻(xiàn)比分別為12.4%、80.8%和6.8%，各測(cè)點(diǎn)3個(gè)振源所占振動(dòng)響應(yīng)的貢獻(xiàn)比如表2所示。

表2 2號(hào)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程各測(cè)點(diǎn)振源占振動(dòng)響應(yīng)貢獻(xiàn)比 %

2號(hào)機(jī)和3號(hào)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)水流激勵(lì)，機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)引起管道振動(dòng)響應(yīng)所占貢獻(xiàn)比分別為9.8%、82.1%、8.1%，與2號(hào)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)相比，水流激勵(lì)所占比重相對(duì)減少，說(shuō)明3號(hào)機(jī)開(kāi)機(jī)使水流運(yùn)動(dòng)逐漸平穩(wěn)，水流激勵(lì)對(duì)管道振動(dòng)的影響減??；機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)所占比重相對(duì)增加，說(shuō)明3號(hào)機(jī)的開(kāi)啟，增強(qiáng)了管道的機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)。

綜上所述，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中引發(fā)泵站壓力管道振動(dòng)的主要振源如表3所示。

表3 主要振源統(tǒng)計(jì)

由表3可知，引起壓力管道振動(dòng)的主要振有水流激勵(lì)、機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)，在不同運(yùn)行階段所占的振動(dòng)響應(yīng)貢獻(xiàn)比不同。設(shè)備及離心泵引起的機(jī)械振動(dòng)貫穿于管道運(yùn)行的各個(gè)階段，可通過(guò)調(diào)整泵站運(yùn)行工況，在振動(dòng)最厲害部位采取隔振措施，離心泵位置加裝耐高溫橡皮軟接頭等措施來(lái)降低設(shè)備的振動(dòng)傳播，降低設(shè)備振動(dòng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)DASP測(cè)試系統(tǒng)對(duì)景電灌區(qū)總干七泵站1號(hào)壓力管道進(jìn)行原位測(cè)試與振源辨識(shí)可得：開(kāi)機(jī)瞬間，水流激勵(lì)對(duì)進(jìn)水支管的影響最大，隨著機(jī)組的運(yùn)行平穩(wěn)，水流增加，振幅隨之減小，水流激勵(lì)影響減小，機(jī)械振動(dòng)成為主要振源；關(guān)機(jī)瞬間，壓力管道的振幅變化較大，振動(dòng)作用先為電磁振動(dòng)，隨后變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)。

(2)水流激勵(lì)振動(dòng)主頻為0～5 Hz與33～38 Hz；機(jī)械振動(dòng)主頻是10 Hz及其倍頻、16 Hz及其倍頻；電磁振動(dòng)主頻是50 Hz及其倍頻。

(3)實(shí)施大型高揚(yáng)程泵站多機(jī)單管輸水管路系統(tǒng)在高頻大幅振動(dòng)條件下振源辨識(shí)，尋求梯級(jí)泵站聯(lián)合輸水調(diào)度對(duì)管路振動(dòng)的激勵(lì)原理，將會(huì)是今后高揚(yáng)程輸水管路優(yōu)化與減振分析方面研究的重要課題。

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[1] 徐存東.高揚(yáng)程梯級(jí)泵站節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)與方法[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2014.

[2] Shen Huijie Wen,Jihong, Yu Dianlong, et al. The Vibrational Properties of a Periodic composite pipe in 3D space[J]. Journal of Sound and Vibration, 2009,328 (1):57-70.

[3] 徐存東,王亞楠,南瑞芳,等. 高揚(yáng)程梯級(jí)泵站的運(yùn)行效率評(píng)估模型研究[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電,2014,(7):173-176,181.

[4] D J Wood. A Study of the Response of Coupled Liquid Flow-structural Systems Subjected to Periodic Disturbances[J].ASME Journal of Basic Engineering.1968, 90(5):532-540.

[5] D J Williams. Waterhammer in non-rigid pipes: precursor waves and mechanical damping[J]. ImechE Journal of Basic Engineering Science. 1977, 19(1):237-242.

[6] Vardy A E, Fan D. Fluid Structure interaction in a T-piece pipe[J]．Journal of Fluids and Structures, 1996,10(1);253-786.

[7] 諸葛起,蔡亦鋼,楊世超,等. 建立流固耦合管路系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的一種方法[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,1989,(1):6-12.

[8] 馮衛(wèi)民,宋 立,肖光宇. 基于ADINA的壓力管道流固耦合分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2009,(2):264-267.

[9] 戴真全. 氣液兩相管道振動(dòng)的分析和改進(jìn)[J]. 化工設(shè)備與管道,2010,(3):70-71.

[10] 應(yīng)懷樵,劉進(jìn)明,沈松等.DASP(達(dá)世普)軟件虛擬儀器庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制,2001,9(z1):25-29.

[11] 馬維金,張 琳,張紀(jì)平,等. 基于DASP的變速箱殼體振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)與分析[J]. 機(jī)械傳動(dòng),2015,(3):116-119,125.

[12] 東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所主要產(chǎn)品-INV303/306多功能系統(tǒng)和DASP與東方科卡[J]. 振動(dòng)與沖擊,1993,(3):81.

[13] Guan Hu, Zhou Jingyu, Xiao Bin,et al. Fast Dimension Reduction for Document Classification Based on Imprecise Spectrum Analysis[J]. Information Sciences,2013,222(10):147-162.

[14] Zhang Mingming, Xu Jianzhong. Effect of internal bubbly flow on pipe vibrations[J]. Science China(Technological Sciences),2010,53(2):423-428.

[15] 徐存東,謝利云,左 羅,等. 大型泵站壓力管道激勵(lì)源辨識(shí)研究[J]. 水電能源科學(xué),2014,(5):151-154.

[16] 李 雷,張昌兵,唐 巍. 混流式水輪機(jī)水力振動(dòng)及補(bǔ)氣減振研究[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電,2015,(2):132-135.

[17] 張建偉,崔廣濤,馬 斌,等. 基于泄流響應(yīng)的高拱壩振源時(shí)域識(shí)別[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào),2008,41(9):1 124-1 129.