基于DASP的大型泵站壓力管道振源辨識研究

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

0 引 言

大型泵站壓力管道的振動將造成管道內部流速和壓力的不均勻分布，導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，增加管路系統的能量損耗并且直接影響泵站輸水管路的安全運行[1]。據統計，大型泵站普遍存在管道振動問題，全世界每年因管道振動而造成的經濟損失高達數百億美元[2]。近年來，國內外學者對管道的振動特性開展了大量研究，并取得了豐富的研究成果[3]。Wood[4]和Williams[5]分別對壓力管道運動的影響進行了理論和實驗研究，揭示管道振動對水擊壓力有較大影響；Vardy[6]對“T”型輸水管路進行了實驗與計算，提出液體與管壁間的耦合作用對管道振動具有較強響應；諸葛起等[7]采用復模態理論構建了復雜管系的流固耦合模型[8]；Hara[9]研究了兩相流動引起的管道振動問題，推導出兩相流管道自由振動的運動方程，并且指出管道振動主要由離心力和振動系統質量改變而引起。上述關于管道振動的理論研究對泵站壓力管道的安全運行具有重要指導意義，然而針對大型泵站壓力管道實施原位測試與振源識別研究尚需深入。因此，開展基于原位測試的大型泵站壓力管道振動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化設計提供有益借鑒。

1 測試系統及現場試驗

1.1 測試系統

DASP(Data acquisition & signal processing)系統廣泛應用于振動測試、噪聲試驗的數據采集與分析，適用于大型泵站壓力管道振動信號的原位采集與處理[10]。DASP系統測試軟件集數據采集與顯示、信號處理與分析、振動與模態分析等功能于一體，能精準靈活地測試大型泵站壓力管道振動信號[11]。DASP系統拾振器通常安裝于待測工程結構部位，用于拾取結構振動信號，之后通過信號調理裝置將物理信號轉換為數字信號，并可實現在線信號分析[12]。

鑒于景泰川電力提灌灌區(下稱：景電灌區)泵站壓力管道布置特征，本試驗采用891-2型拾振器，由于管道振動測試激勵采用天然脈動信號，故實驗采用自由觸發(隨機采樣)方式開始。景電灌區二期總干七泵站1號、2號和3號離心泵的轉速分別為970、600、600 r/min；功率分別為410、1 400、1 400 kW；頻率均為50 Hz。根據本試驗現場測試工況，選定DASP系統測試時間為20 min，采樣頻率為512 Hz，振幅單位為mm/s。

1.2 現場試驗

選取甘肅省景電灌區二期總干七泵站出水壓力管道開展現場試驗，該泵站壓力管道采用多機單管的布置形式，如圖1所示。其中，總干七泵站1號壓力管道在開、停機瞬間管道的高頻振動和運行噪聲較大，管道振動具有景電灌區壓力管道典型代表特征。因此，以景電工程總干七泵站1號壓力管道作為研究對象進行DASP系統原位監測試驗，并識別管道主振源。

圖1 景電二期總干七泵站壓力管道布置示意圖

應用DASP測試系統對1號壓力管道進行原位測試，依據管道振動特征，測點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，拾振器沿管道的徑向、軸向、垂向布置，并建立x、y、z三維坐標系，部分測點簡化布置，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號壓力管道運行過程中的振動特性，結合管道運行實際工況，采用以下代表性運行過程進行數據采集：①2號機開啟→②2號機穩定運行→③3號機開啟→④2、3號機穩定運行→⑤1號機開啟→⑥1、2、3號機穩定運行→⑦1、2號機關閉→⑧3號機穩定運行→⑨3號機關閉。為了滿足測試分析需要，將上述運行過程分為開機過程①③⑤、穩定運行過程②④⑥⑧、關機過程⑦⑨進行數據的整理分析。

2 測試結果分析

2.1 頻譜分析

振動測試完畢后，將測得的振動信號通過DASP系統轉化為頻譜圖進行頻譜分析。頻譜圖中某一頻率的譜線值越大，說明這個頻率的干擾力對該點振動貢獻響應的能量越大，即與最大譜線值對應的干擾力就是主振源[13]。通過對開機過程、穩定運行過程和關機過程的頻譜圖進行分析，從而識別壓力管道運行時主要振源及振動主頻，以開機過程為例進行詳細分析。

2.1.1開機過程

(1)2號機開啟支管2進水。通過對1～22號測點的頻譜圖進行分析，發現所有測點振動主頻集中在10 Hz及其倍頻，1～3號測點主頻在0～2 Hz表現明顯，7、8號測點振動主頻在33～38 Hz和60 Hz，其他測點振動主頻在0～2 Hz和120 Hz也有所表現，各測點振動主頻在12號測點的振動信號頻譜中均有反應，如圖3所示。依據參考文獻[14]可以得出引起管道劇烈振動的原因為水流激勵和機械振動。

圖3 支管2進水過程振動信號頻譜圖

(2)3號機開啟支管3進水。由各測點的頻譜圖可知，1號和2號測點的振動主頻集中在10 Hz及其倍頻，在33～38 Hz之間也有體現；6～8號測點振動主頻集中在120、35和96 Hz；13號測點的振動主頻大多集中在0.2～2 Hz之間，其余測點的振動頻率為小頻率和大頻率交叉出現。支管3進水過程振動信號頻譜如圖4所示。

圖4 支管3進水過程振動信號頻譜圖

(3)1號機開機支管1進水。由頻譜圖可知，所有測點振動主頻主要集中在10 Hz及其倍頻，1～3號測點主頻在0～2 Hz表現明顯，7、8號測點振動主頻在33～38 Hz也有表現，支管1進水過程振動信號頻譜如圖5所示。

圖5 支管1進水過程振動信號頻譜圖

通過分析開機過程中的振動信號頻譜圖可知，開機過程進水支管振動的主要振源為水流激勵，振動主頻為0～5 Hz與33～38 Hz。

2.1.2穩定運行過程

通過分析穩定運行過程各測點頻譜特征可知，泵站壓力管道在穩定運行期間的振源主要包括：①機械振動。主頻為10 Hz及其倍頻或者16 Hz及其倍頻；②水流激勵。主頻為35～38 Hz或0.2 Hz；③電磁激勵。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機會較多，即穩定運行期間機械振動為主要振源。此外，須進一步揭示管道穩定運行期間水流激勵和電磁振動大小。

2.1.3停機過程

對停機過程中各測點頻譜進行分析可知，停機過程的主要振源為電磁振動，其主頻為50 Hz，機械振動主頻為10 Hz及其倍頻，水流激勵主頻為0～3 Hz，其中電磁振動的影響早于機械振動的影響，水流激勵的影響最小。

2.2 功率譜分析計算

各振源在不同測點產生干擾力不斷變化，導致各振源對測點激勵程度不盡相同[15]。同時，激起壓力管道振動的干擾力有各自的頻率特點，因此，通過分析功率譜圖，即可識別此時激起該點振動的主要振源[16]。以穩定運行工況為例進行主要振源分析。

機組穩定運行時的振源有水流激勵、機械振動和電磁振動，通過對1～22號測點進行功率譜分析，計算不同振源在每個測點所占的振動響應貢獻比，從而識別機組穩定運行時管道振動的主振源。2號機穩定運行過程中1號測點和9號測點的功率譜如圖6所示，依據參考文獻[17]計算可得水流激勵、機械振動和電磁振動引起管道振動響應貢獻比分別為30.7%，56.0%，13.3%和4.9%，77.5%，17.6%。

圖6 2號機穩定運行1號和9號測點功率譜圖

通過對2號機穩定運行過程中各測點功率譜進行分析，可得水流激勵、機械振動和電磁振動引起管道振動響應所占貢獻比分別為12.4%、80.8%和6.8%，各測點3個振源所占振動響應的貢獻比如表2所示。

表2 2號機穩定運行過程各測點振源占振動響應貢獻比 %

2號機和3號機穩定運行時水流激勵，機械振動和電磁振動引起管道振動響應所占貢獻比分別為9.8%、82.1%、8.1%，與2號機穩定運行時相比，水流激勵所占比重相對減少，說明3號機開機使水流運動逐漸平穩，水流激勵對管道振動的影響減小；機械振動和電磁振動所占比重相對增加，說明3號機的開啟，增強了管道的機械振動和電磁振動。

綜上所述，機組運行過程中引發泵站壓力管道振動的主要振源如表3所示。

表3 主要振源統計

由表3可知，引起壓力管道振動的主要振有水流激勵、機械振動、電磁振動，在不同運行階段所占的振動響應貢獻比不同。設備及離心泵引起的機械振動貫穿于管道運行的各個階段，可通過調整泵站運行工況，在振動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降低設備的振動傳播，降低設備振動。

3 結 語

(1)通過DASP測試系統對景電灌區總干七泵站1號壓力管道進行原位測試與振源辨識可得：開機瞬間，水流激勵對進水支管的影響最大，隨著機組的運行平穩，水流增加，振幅隨之減小，水流激勵影響減小，機械振動成為主要振源；關機瞬間，壓力管道的振幅變化較大，振動作用先為電磁振動，隨后變為機械振動。

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

(3)實施大型高揚程泵站多機單管輸水管路系統在高頻大幅振動條件下振源辨識，尋求梯級泵站聯合輸水調度對管路振動的激勵原理，將會是今后高揚程輸水管路優化與減振分析方面研究的重要課題。

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