HHT方法在核电厂泵房前池水面波动数据分析中的应用

刘志远，苏昕，李泽

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222）

HHT方法在核电厂泵房前池水面波动数据分析中的应用

刘志远1，2，苏昕1，李泽1，2

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222）

结合工程实际，在国内首次采用希尔伯特-黄（HHT）变换方法，对叠加短周期波动的取水泵房前池长周期水面波动过程线进行解析。基于核电取排水明渠布置方案，按照HHT变换方法对工程全部建成后各泵房前池的水面过程线进行分析。对于最终工程平面布置方案，在DBF水位及其对应可能最大台风浪工况下以及在设计高水位、100 a一遇波浪作用下，均满足泵房取水对水面波动的要求。HHT变换方法为今后更准确可靠地对核电厂址取水泵房前池水面波动过程线进行数据分析提供了重要参考作用。

核电厂；HHT变换；数据分析；泵房前池；水面波动；物理模型试验

1 研究目的和内容

随着国际能源供应形势日趋紧张和环境污染问题日益严重，全世界都在加快对清洁能源的开发和利用，以满足电力需求的快速增长和更好地保护环境。核电因其资源消耗少、环境影响小和供应稳定、技术成熟等优点备受各国青睐，成为越来越重要的电力供应来源。大力发展核电，已经成为我国满足电力需求快速增长，促进节能减排，实现能源节约型，资源友好型社会目标的必然战略选择。与此同时，国内针对核电厂址取排水工程的物理模型试验研究也正在大量开展[1-3]。

本次试验研究依托工程为国内某核电厂址，电厂各种堆型核电机组冷却水系统采用以海水为水源的直流冷却供水系统。为配合核电厂址海工工程设计，开展本次波浪整体物理模型试验研究工作。

通过波浪整体物理模型试验，为海工构筑物布置及断面设计提供依据和方向。要求在给定水位、波浪作用下，测定各特征点处海工构筑物前波浪要素；在工程全部建成后，分别测定了在所要求水位、波浪作用时，机组各运行条件下明渠内不同特征点位置处的波高分布情况、泵房前池水面波动情况以及相关海工建筑物的越浪和次生波情况，并根据泵房前池和港池波高控制要求，对平面布置和堤顶标高提出优化建议；测定正常运行条件下，取水明渠内长周期波波高和周期，对消减长周期波提出建议。

2 研究方法

2.1 试验研究方法

模型按重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》[4]的有关规定进行模拟，综合考虑试验水池和建筑物结构的尺度[5]、模型应包括的范围、波浪要素与试验仪器测量精度等因素，确定本次整体物理模型的几何比尺λ为140，进行正态比尺模型试验。物理模型试验中在每一取水泵房前池布置波高传感器，模拟取水流量的同时进行造波，同步测定其水面波动是否满足取水对泵房前池水面波动的要求。

本次试验在国内首次采用希尔伯特-黄（HHT）变换方法，对叠加短周期波动的取水泵房前池长周期水面波动过程线进行解析。首先，将水面波动过程线进行分离，得出9组不同周期成分且周期逐渐增大的子波列；再以平均周期30 s为分界，将拆分出的9组子波列进行重新叠加组合，分别得到长周期波动和短周期波动的过程线；最后，使用“跨零点分析法”分别统计出长周期波动的H1/3值和短周期波动的H1/3值。

2.2 HHT方法简介

1998年，Norden E.Huang等人提出了经验模态分解方法，并引入了Hilbert谱的概念和Hilbert谱分析的方法，美国国家航空和宇航局（NASA）将这一方法命名希尔伯特-黄变换[6]。

HHT主要内容包含两部分，第一部分为经验模态分解，第二部分为Hilbert谱分析。HHT处理非平稳信号的基本过程是：首先利用EMD方法将给定的信号分解为若干固有模态函数；然后，对每一个分量进行Hilbert变换，得到相应的Hilbert谱；最后，汇总所有分量的Hilbert谱就会得到原始信号的Hilbert谱。HHT能分析非线性非平稳信号，并具有完全自适应性[7]。

傅立叶变换及小波变化也可用于水面过程的分析及处理，HHT变换方法与傅立叶变换及小波变化相比，能够更好地处理非线性非平稳信号，同时对非线性非平稳信号也能够进行分析，这一点是傅立叶变换及小波变化无法做到的。HHT与传统傅里叶变换相比，HHT具有完全自适应性，不受Heisenberg测不准原理制约，瞬时频率采用求导得到[7]。

3 HHT方法在泵房前池数据分析中的应用

3.1 试验数据的采集及处理

试验前在取水明渠、排水明渠及取水泵房前池位置处共设置了28个测点，分别进行了5个浪向的试验，测定在不同水位、可能最大台风浪及重现期100 a一遇波浪作用下明渠内及泵房前池各测点的波高。

在波浪平稳条件下，试验中采集130个以上的波进行各项试验内容的统计分析。每组试验至少采集3次，取其平均值作为试验的结果。

3.2 泵房前池水面波动数据分析

根据以往核电项目的研究经验[8]，由于泵房前池近似封闭水域，波浪从取水明渠口门进入该水域，造成水体震荡，导致泵房前池处产生长周期水面波动，长周期水面波动的周期一般在几十到100多s，水面升降幅度依进入取水明渠内的波浪能量而变化，一般而言，从口门进入的波能越多，水面升降幅度越大，波动周期也越长。水面波动过程呈现长周期波动的同时，又载有短周期波浪波动现象，长周期水面波动线上的小波动的波高才是真正的波浪波高，其周期大体上相当于从口门传入的波浪的周期。

取水明渠内泵房前池处的水面波动对取水设施有较大影响，受到工程建设和设计人员的关注，因此需要对泵房前池处的水面波动进行详细分析。现以E向、DBF水位（设计基准洪水位）、100 a一遇波浪组合工况条件下，南取水明渠内部1、2号机组循环泵房前池处F测点的水面波动过程为例，介绍本次试验中对泵房前池水面波动数据的分析方法。

3.2.1 泵房前池水面波动过程线

图1中为南取水明渠内部1、2号机组泵房前池处F测点的水面波动过程线。

图1 泵房前池F测点处水面过程线Fig.1 Water-level fluctuation at point F of the pump-station's distributing pool

由图1可知：

1）泵房前池处存在长周期水面波动；

2）在水面长周期波动中，夹杂着许多短周期波动，且波高相对较小。

3.2.2 水面波动过程线的滤波分析

泵房前池内的短周期波动对取水设施的正常工作影响很大，因此短周期波动的波高是设计中的重要参数。但泵房前池内的水面过程中，短周期波动是叠加在长周期波动上的，因而难以用常规的“跨零点分析法”分析得到。同时，由于短周期波动的存在，导致在使用“跨零点分析法”分析长周期波动时，会将部分跨零的短周期波动考虑在内，从而低估了长周期波动的波高，使得试验结果偏危险。所以，有必要采用适当的滤波方法对试验数据进行解析，从而分别得到短周期波动和长周期波动的统计特征。

图2 HHT滤波分析图Fig.2 HHT filtering analysis diagram

本次试验采用已应用广泛的希尔伯特-黄（HHT）变换方法对试验数据进行解析，该方法具有自适应性，而且是对非线性非平稳数据分析的有效工具，在非线性系统、水波分析、风速分析、潮汐和海啸分析、地震分析等领域中已有广泛的应用[9]。

采用HHT变换方法，将南取水明渠内部1号、2号机组循环泵房前池F测点处水面波动过程进行解析（采用的组合工况为：E向、DBF水位、100 a一遇波浪），分离得出9组子波列，这9组子波列的组合叠加即为原始水面波动过程，至此已将原始波列解析为不同周期成分的子波列。9组子波列的周期逐渐增大，图2中列出4组典型子波列。

3.2.3 对各子波列进行统计分析

分别对9个子波列进行统计分析，得到各子波列的特征波高H1/3以及平均周期，图3中，以子波列的平均周期为横坐标，以子波列的H1/3波高为纵坐标，得出9组子波列的波高随波周期的分布。从分布图中可知，该测点的原始水面波动过程中，平均周期在30 s以下的子波列的波高较小（均小于0.1 m），而平均周期在30 s以上的子波列的波高相对较大，其中，平均周期在200 s左右的子波列的波高最大，但仍然小于0.5 m。

图3 F测点各子波列的波高-周期分布图Fig.3 Distribution of wave height-wave period at the wave train of point F

3.2.4 长周期与短周期波动的波高值统计

通过分析原始水面波动中各子波动的统计特征，对不同周期的子波动波高有了清楚的认识，为了提供长周期波动波高和短周期波动波高这两个参数，仍需通过设定界限来区分长周期波动和短周期波动。依据相关规定并结合工程实际，本次试验中认定在子波列中平均周期≥30 s的波动属于长周期波，平均周期<30 s的波动属于短周期波，并重新将原始波列进行解析，分别得到长周期波动和短周期波动的过程线，见图4和图5。最后使用“跨零点分析法”分别统计出长周期波动的H1/3值以及短周期波动的H1/3值。

图4 长周期波动过程线Fig.4 Water-level fluctuation caused by long-period wave

图5 短周期波动过程线Fig.5 Water-level fluctuation caused by short-period wave

4 研究成果

工程全部建成后，各取水泵房距离口门较远，且明渠的布置较为曲折，在不同方向波浪作用下，导流堤虽有越浪，但次生波对泵房前池水面波动影响较小，并且进入取水明渠的波浪在传至泵房前池的过程中有显著的衰减，到达各泵房前池处的波动幅度都较小。针对试验结果，基于最终核电取排水明渠布置方案，按照HHT变换方法对工程全部建成后各泵房前池的水面过程线进行分析，DBF水位及其对应可能最大台风浪工况下，泵房前池测点处的综合波高和短周期小波动波高均满足H1/3≤1.5 m的控制标准；在设计高水位、100 a一遇波浪作用下，各泵房前池内的综合波高和短周期波波高均满足H1/3≤0.5 m的控制标准。最终海工平面布置及堤顶标高条件满足泵房安全取水的要求。

在各方向波浪作用时，DBF水位下3座泵房前的波峰面高程均不超过泵房厂坪标高（9.0 m），并没有水体漫过取水泵房厂坪，不会对核电厂区的安全造成威胁。

相关试验研究成果通过了全国港口水运行业知名专家组成的专家组的审查和验收，并受到建设单位、设计单位的一致好评。《专家评审意见》认为：本次波浪整体物理模型试验中，采用的希尔伯特-黄（HHT）变换方法对试验数据进行解析，对泵房前池处的长周期与短周期波动进行了分离和统计分析，试验手段先进，并具有创新点。

5 结语

1）本次试验是国内首次采用希尔伯特-黄（HHT）变换方法对泵房前池水面波动试验数据进行解析，将泵房前池测点处水面波动过程线解析、分离，得出9组不同周期成分且周期逐渐增大的子波列，通过分析各子波动的统计特征，对不同周期的子波动波高有了更清晰和深入的认识。采用HHT方法对水面过程进行滤波后的滤波效果较好，可对子波列继续进行滤波，结果表明该方法能够准确的对原始波列进行滤波。

2）以平均周期30 s作为长短周期波动的分界点，将拆分出的9组子波列进行重新组合，分别得到长周期波动和短周期波动的过程线。再对得到的2组过程线分别进行统计。为提高叠加短周期波动的长周期水面波动过程线的数据分析精确度和可靠性探索出了一条行之有效的新途径。

[1]中交天津港湾工程研究院有限公司.石岛湾核电厂址海工工程波浪整体物理模型试验研究报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2012. CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.the test report of wave physical model test for Shidao bay nuclear power station engineering[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.，2012.

[2]中交天津港湾工程研究院有限公司.广东陆丰核电厂海工工程波浪整体物理模型试验研究报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2011. CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.the test report of wave physical model test for Guangdong Lufeng nuclear power station engineering[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.，2011.

[3]中交天津港湾工程研究院有限公司.山东海阳核电厂海工工程整体物理模型试验报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2008. CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.the test report of wave physical model test for Shandong Haiyang nuclear power station engineering[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2008.

[4] JTJ/T 234—2001，波浪模型试验规程[S]. JTJ/T 234—2001,Wave model test regulatian[S].

[5] JTS 154-1—2011，防波堤设计与施工规范[S]. JTS 154-1—2011,Code of design and construction of breakwater [S].

[6] HUANG N E,SHEN Z,LONG S R,et al.The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and nonstationary time series analysis[J].Proceedings:Mathematical,Physical and Engineering Science,1998,454:903-995.

[7] HUANG W,YUAN C F.Use of intrinsic modes in biology:examples of indicial response of pulmonary blood pressure to±step hypoxia[J].Proceedings of the National Academy of Science of the USA,1998,95(22):12 766-12 771.

[8] 侯树强，王彦龙，刘诗华.滨海核电厂取水泵房前池水位波动控制标准的探讨[J].中国港湾建设，2014（11）：4-7. HOU Shu-qiang,WANG Yan-long,LIU Shi-hua.Control standards for water-level fluctuation on pump-station's distributing pool of coastal nuclear power station[J].China Harbour Engineering, 2014(11):4-7.

[9] HUANG N E，SHEN Z，LONG S R.A new view of nonlinear water waves：the Hilbert spectrum[J].Annual Review of Fluid Mechanics, 2003,31（1）：417-507.

Application of Hilbert Huang Transform (HHT)method in the data analysis of water-level fluctuation in pump-station's distributing pool of nuclear power station

LIU Zhi-yuan1，2,SU Xin1,Li Ze1，2
（1.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China; 2.Key Laboratory of Coastal Engineering Hydrodynamics,CCCC,Tianjin 300222,China）

Combined with practical engineering,we superimposed short period wave in pump-station's distributing pool and resolved long-period surface wave process line by Hilbert Huang Transform (HHT)method for the first time in China.Based on the intake and drainage channel layout of nuclear power,we analyzed water-level process line in pump-station's distributing pool according to HHT method.Under the condition of Design Basis Flood level and its corresponding to the possible maximum typhoon wave,as well as in the action of the design of high water level and 100 years recurrence high tide level,the final project layout scheme meets the requirements of water-level fluctuation on pump-station's distributing pool.The HHT method will play an important role to make the data analysis of water-level fluctuation process line in pump-station's distributing pool of nuclear power station more accurate and reliable.

nuclear power station;Hilbert Huang Transform(HHT)method;data analysis;distributing pool of the pumpstation;fluctuation;physical model test

U652.73

A

2095-7874（2016）12-0045-05

10.7640/zggwjs201612009

2016-07-13

2016-09-04

刘志远（1987— ），男，辽宁抚顺人，工程师，硕士研究生，港口航道与海岸工程专业。E-mail：526593838@qq.com