噪聲分析在水電機組故障診斷中的應用

唐擁軍，周喜軍，張 飛

(國網新源控股有限公司技術中心，北京 100161)

0 引 言

噪聲是一種聲音，是由物體的機械振動而產生的。振動的物體稱為聲源，它可以是固體、氣體或液體。水電機組運行過程中主要受機械、電氣與水力三種因素的耦合作用，因此，水電機組噪聲中匯聚了機械、電氣與水力三方面產生的噪聲信息，例如，水輪發電機轉動部件旋轉產生的各種機械噪聲、發電機電磁力產生的電磁噪聲及水輪機流道中各種水流撞擊、脫流、卡門渦、空化等水力產生的噪聲。而這是振動擺度或壓力脈動傳感器不具備的。不過，機組出現明顯故障時，噪聲可能是由機械、電氣與水力三者中兩項或一項為主而產生的，例如，水輪機轉輪葉片出水邊的卡門渦與葉片共振而出現的高頻嘯叫聲、導葉嚴重過流不均時的水流與轉輪動靜干涉而產生的劇烈噪聲、迷宮環間隙不均勻而出現的不平衡側壓力所引發的低頻噪聲。因此可以利用噪聲信號來對機組出現的故障進行分析與診斷。本文用三個實例來說明噪聲測試在三種典型故障分析中應用。

1 應用實例一

某巨型混流式水電機組在做變負荷試驗時進行了噪聲測試，噪聲測點布置在蝸殼進人門、水車室與尾水進人門處。測得的三處噪聲A聲級與有功功率關系曲線如圖1所示，3處噪聲頻域瀑布圖如圖2～圖4所示。

圖1 機組噪聲A聲級與有功功率關系曲線

圖4 尾水門噪聲頻域瀑布圖

由圖1可知，噪聲A聲級與有功功率大致呈“V”字形，小于450 MW與大于620 MW負荷的范圍內噪聲相對較大，不過三處噪聲A聲級均小于95 dBA,從中不能發現異常情況，然而從圖2至圖4可以看出，430～500 MW負荷范圍內出現了112 Hz左右的頻率成分，水車室噪聲中112 Hz左右頻率成分幅值最大，蝸殼門與尾水門噪聲中112 Hz左右頻率成分幅值相差不大，是水車室噪聲的1/3左右。考慮到壓力波順水流傳播衰減要慢些，逆水流傳播衰減要快些，由此可以推測，噪聲源位于流道中的蝸殼與水輪機轉輪之間。又430～500 MW負荷范圍內112 Hz頻率基本保持不變，因此可判斷出是導葉出水邊的卡門渦引發的共振現象。后來機組檢修期間，固定導葉出水邊作了修型處理，該問題得到解決，這說明推理分析正確。

2 應用實例二

某巨型混流式水電機組在啟動調試期間做帶負荷試驗時，機組在300～700 MW負荷范圍內出現了異常的高頻嘯叫聲。機組噪聲A聲級與有功功率關系曲線如圖5所示，機組噪聲頻域瀑布圖如圖6～圖8所示。

圖5 機組噪聲A聲級與有功功率關系曲線

圖6 蝸殼門噪聲頻域瀑布圖

圖7 水車室噪聲頻域瀑布圖

圖8 尾水門噪聲頻域瀑布圖

由圖5～圖8可知，機組在負荷大于300 MW后出現的異常嘯叫聲是320 Hz左右頻率成分引起的，且隨著負荷的增加而增大，在550 MW負荷附近有最大值，在600 MW負荷處明顯減小，不過在負荷大于650 MW后，又出現了440 Hz左右頻率成分引發的高頻嘯叫聲。

水車室與尾水門噪聲中320 Hz左右頻率成分幅值相差不大，而蝸殼門噪聲中320 Hz左右頻率成分幅值約為水車室噪聲的一半，這說明，噪聲源在流道中的水輪機轉輪附近，考慮到嘯叫聲是320 Hz與440 Hz的高頻，且在300～550 MW負荷范圍內嘯叫聲一直為320 Hz左右頻率，650～700 MW負荷范圍內改為440 Hz左右頻率。因此可以推斷出320 Hz與440 Hz左右頻率是葉片出水邊的卡門渦與轉輪葉片的共振頻率。后來，轉輪葉片出水邊作了修型處理，異常嘯叫聲得到解決，這與推理分析相吻合。

3 應用實例三

某機組運行時出現了強烈的振動與噪聲，嚴重威脅著機組的安全運行。為了查明原因和分析解決問題，對機組進行了一次變負荷試驗。機組基本參數為：額定出力 700 MW，額定水頭84 m，機組轉速71.43 r/min，葉片數 15個，活動導葉數22個。試驗測點除壓力脈動外，還測試了蝸殼門、水車室與尾水門處的噪聲，下面用噪聲信號來分析機組故障原因。

蝸殼門、水車室及尾水門處噪聲A聲級與有功功率關系如圖9所示，三處噪聲頻域瀑布圖如圖10～圖12所示。由圖9可知：機組噪聲A聲級隨有功功率總的變化趨勢是隨著有功功率的增加而增大，690 MW負荷時，水車室噪聲A聲級約為106 dBA，蝸殼門噪聲A聲級約為101 dBA，尾水門噪聲A聲級約為100 dBA，遠超相關國家標準規定值。

圖9 機組噪聲A聲級與有功功率關系曲線

圖10 蝸殼門噪聲頻域瀑布圖

圖11 水車室噪聲頻域瀑布圖

圖12 尾水門噪聲頻域瀑布圖

由圖10～圖12可知，蝸殼門處噪聲的主頻為53.55 Hz，是3倍葉片過流頻率(3×葉片數×轉頻=3×15×1.19=53.55 Hz)，且隨著負荷的增大越發明顯；690 MW負荷時水車室噪聲主頻也為3倍葉片過流頻率，其分頻幅值與蝸殼門處噪聲相差不大；尾水門處噪聲中葉片過流頻率與3倍葉片過流頻率成分較小。由上可知，噪聲源位于流道中的轉輪與蝸殼之間。另外，機組噪聲隨著有功功率的增加而增大，也就是隨著流量(或導葉開度)的增加而增大，因此，可判定強烈的機組噪聲是由導葉處嚴重過流不均的水流，與旋轉的轉輪葉片動靜干涉產生的。后來停機檢查，發現有兩塊異物卡在了導葉處。取出后問題解決，這與噪聲分析結果相吻合。

4 結 語

(1)噪聲測試與分析是診斷水電機組故障行之有效的方法與手段。診斷故障時一般需通過分析噪聲的頻率成分來進行。

(2)噪聲可以捕捉振動擺度與壓力脈動傳感器可能捕捉不到的信息，這可為機組出現故障時的診斷分析提供數據支撐，建議機組狀態監測系統中增加噪聲測點。

(3)文中提到的三種故障及其噪聲特征可以為別的機組調試或運行過程中碰到類似問題提供技術參考。

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