抽水蓄能電站水輪機(jī)噪聲測試分析案例

姜明利，孫銘君

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京100048）

1 前言

與常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組相同，蓄能機(jī)組也存在機(jī)械、電磁和流體振動(dòng)以及噪聲等問題，不同的是，抽水蓄能電站具有發(fā)電、抽水兩種運(yùn)行工況，且具有機(jī)組水頭高、容量大，轉(zhuǎn)速快、工況轉(zhuǎn)換頻繁、運(yùn)行區(qū)域跨度大、水力動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜等特點(diǎn)，致使蓄能電站的機(jī)組和廠房振動(dòng)不穩(wěn)定性、噪聲較大等現(xiàn)象比較突出。工作人員長期在高強(qiáng)度噪聲的環(huán)境下工作，會(huì)產(chǎn)生身體的不適，影響身體健康，進(jìn)而對正常的工作和生活產(chǎn)生不良影響。

本次試驗(yàn)電站為某大型抽水蓄能電站，總裝機(jī)1 200 MW，4 臺(tái)混流可逆式水泵水輪發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，單機(jī)容量為300 MW，機(jī)組由我國自主研究、設(shè)計(jì)、制造、安裝。機(jī)組投運(yùn)后，廠房內(nèi)和引水管道周邊環(huán)境存在較為明顯的噪聲問題，影響到電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也影響到周邊居民的生活。

通過測試，對電站廠房內(nèi)部分區(qū)域噪聲進(jìn)行分析，對噪聲特性和特點(diǎn)進(jìn)行了解，為電站機(jī)組的噪聲分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 電站主要參數(shù)

電站水輪機(jī)工況設(shè)計(jì)額定水頭430 m，額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min，額定出力300 MW；水泵工況最高揚(yáng)程475 m，最低揚(yáng)程421 m，最大入力321.09 MW，額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min。水輪機(jī)的活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)20 片，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)9 片。機(jī)組轉(zhuǎn)頻為7.14 Hz，2 倍葉片過流頻率為128.58 Hz。

3 試驗(yàn)測點(diǎn)布置

廠房內(nèi)噪聲測試布置如下：一個(gè)測點(diǎn)布置在水輪機(jī)進(jìn)人門處，另一個(gè)測點(diǎn)布置在尾水管進(jìn)人門處，兩個(gè)測點(diǎn)傳感器距離進(jìn)人門1 m，地面以上1 m。

噪聲傳感器采用AWA14423 聲級(jí)計(jì)，準(zhǔn)確度等級(jí)為1 級(jí)，配合AWA14604 前置放大器。對各試驗(yàn)工況噪聲聲壓進(jìn)行采集，并通過計(jì)算得到A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，噪聲測量采樣頻率為2 000 Hz。

圖1 噪聲傳感器布置圖

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

噪聲試驗(yàn)工況為：機(jī)組變負(fù)荷各工況（160 MW、180 MW、210 MW、240 MW、270 MW、300 MW）和 機(jī)組抽水工況。

每個(gè)工況測量記錄聲壓（Pa）測量結(jié)果，通過計(jì)算RMS 值，得到聲壓有效值，由公式Lp=20 lg（p/p0）計(jì)算出聲壓級(jí)，加權(quán)得到初始A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)dB（A）。

試驗(yàn)機(jī)組為2 號(hào)機(jī)組，1 號(hào)機(jī)組處于停機(jī)檢修狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)，2、3、4 號(hào)機(jī)組處于發(fā)電狀態(tài)，其中3、4 號(hào)機(jī)組帶額定300 MW 負(fù)荷運(yùn)行。

表1 2 號(hào)水輪機(jī)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格

試驗(yàn)期間，機(jī)組全部停機(jī)噪音作為背景噪音，變負(fù)荷發(fā)電工況運(yùn)行期間，3 號(hào)和4 號(hào)機(jī)組處于帶300 MW 負(fù)荷發(fā)電狀態(tài)；抽水工況，2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組帶額定300 MW 負(fù)荷抽水狀態(tài)。根據(jù)IEC 規(guī)程的相關(guān)規(guī)定，需對A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)噪聲試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。

依照IEC 61063：1991 標(biāo)準(zhǔn)，A 聲級(jí)噪聲修訂規(guī)定如表2。

表2 修正值規(guī)定表

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測背景噪聲數(shù)據(jù)，對實(shí)測A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，結(jié)果見表3、表4。

表3 測量噪音與背景噪音的差值

表4 修正后的噪音數(shù)據(jù)表格

試驗(yàn)結(jié)果顯示：①機(jī)組在發(fā)電工況水輪機(jī)進(jìn)人門處的噪聲為：95.89～101.74 dB（A），尾水管進(jìn)人門處的噪聲90.70～94.29 dB（A）。抽水工況，水輪機(jī)進(jìn)人門處的噪聲為90.08 dB（A），尾水管進(jìn)人門處的噪聲89.03 dB（A）。②機(jī)組在300 MW 滿負(fù)荷工況，兩個(gè)測點(diǎn)的噪聲明顯增大。③滿負(fù)荷發(fā)電工況兩個(gè)測點(diǎn)的噪聲比滿負(fù)荷抽水工況的噪聲大。

噪聲頻譜分析可以看出，各個(gè)試驗(yàn)工況（不同負(fù)荷發(fā)電工況和抽水工況）噪聲的主要頻率是128.6 Hz 左右，為機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率的2 倍（電站機(jī)組轉(zhuǎn)速為428.6 r/min，機(jī)組轉(zhuǎn)頻為7.14 Hz，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9 個(gè)，轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率是64.26 Hz）。

停機(jī)狀態(tài)，2 個(gè)測點(diǎn)頻譜圖中沒有發(fā)現(xiàn)128.5 Hz頻率成分，停機(jī)狀態(tài)主要的噪音來源為：通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲，各種水泵設(shè)備、空壓機(jī)系統(tǒng)、技術(shù)供排水系統(tǒng)等運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲。再者，抽水蓄能電站，存在大量未固定的器件，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，這些未固定器件與地面或器件相互之間發(fā)生碰撞，從而成為廠房內(nèi)噪聲生源之一。

本次試驗(yàn)過程中，同時(shí)進(jìn)行了以下試驗(yàn)測試：①機(jī)組三導(dǎo)擺度；②上機(jī)架、下機(jī)架及水輪機(jī)頂蓋振動(dòng)；③蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)、頂蓋下等測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)。各測點(diǎn)的主要頻率見表5。

從表5、表6 中可以看出：①水輪機(jī)頂蓋振動(dòng)的主頻是128.6 Hz，上機(jī)架垂直振動(dòng)主頻、下機(jī)架3 個(gè)方向的振動(dòng)主頻都是128.6 Hz。②蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)主頻是128.6 Hz，無葉區(qū)壓力脈動(dòng)的主要頻率是64.3 Hz、128.6 Hz 以及7.1 Hz。

這幾個(gè)測點(diǎn)的主頻都是128.6 Hz，為機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率的2 倍。

圖4 部分工況測點(diǎn)噪聲頻譜圖

表5 水導(dǎo)及壓力脈動(dòng)測點(diǎn)負(fù)荷工況下各測點(diǎn)主頻 單位：Hz

表6 上機(jī)架、下機(jī)架負(fù)荷工況下測點(diǎn)主頻 單位：Hz

5 結(jié)論

機(jī)組的上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋振動(dòng)和壓力脈動(dòng)的主頻主要成分為128.6 Hz，是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率的2 倍，該頻率的形成是機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行中動(dòng)靜干涉的結(jié)果。機(jī)組運(yùn)行過程中的噪聲測試，兩個(gè)測點(diǎn)的噪聲頻率主要成分為128.6 Hz，與機(jī)組的振動(dòng)和壓力脈動(dòng)的主頻相同，說明電站廠房內(nèi)該頻率成分的噪聲產(chǎn)生主要是由水力因素引起的，是廠房噪聲產(chǎn)生的主要來源。

另外，抽水蓄能電站通風(fēng)系統(tǒng)，空壓機(jī)系統(tǒng)，技術(shù)供排水系統(tǒng)等運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲，也是廠房噪聲的來源之一。

抽水蓄能電站廠房內(nèi)噪聲現(xiàn)象是普遍存在的，如何有效地降低廠房內(nèi)噪聲，是電站亟需解決的問題。