某抽水蓄能電站水泵工況啟機時噪聲分析與處理

楊恒樂，李青楠，高 鑫，張 浩，趙小浩

（河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽 473000）

0 引言

某抽水蓄能電站1號機組自2023年1月投入商業運行以來，各工況下機組振動、擺度、瓦溫、噪音等運行指標整體表現良好。在整組啟動調試階段水泵工況啟動過程中，水泵水輪機處偶有傳出嘯叫聲，持續時間較短，約為5~6 s左右；近期隨著機組運行時間的增加，機組在水泵工況啟動過程中頻繁發出嘯叫聲，持續時間可達40 s左右，與此同時機組頂蓋、水導等部位振擺值激增。機組在水泵抽水穩態、發電、調相等其他工況下均未發出類似異響。針對這一異常現象，需迅速查明嘯叫聲的來源，避免機械機構振擺、過水部件可能存在的空化空蝕對機組造成不可逆傷害。

1 噪音分析

針對1號機組水泵工況啟機噪音，現場于4月4日、5月4日錄制了啟機過程音頻，錄制點選取在蝸殼層底環下部近轉輪室處，對音頻進行頻譜分析以判斷異響的來源和組成特性[1]。

由現場采集頻譜圖得出，前后月份水泵開機過程的音頻成分整體穩定，主要由發電電動機傳來的風噪頻率：100 Hz、200 Hz等，以及2倍葉片通過頻率：150 Hz等組成[2]。當嘯叫聲出現時，240 Hz及480 Hz、720 Hz等倍頻頻率成分開始突現。該頻率成分與機組導葉和葉片（無葉區）的動靜干涉頻率并不匹配，需查找具體來源。

為確定240 Hz及其倍頻噪聲的源頭，對5月4日監控系統水泵工況啟機過程運行狀態進行查詢，調取嘯叫聲發生時段內壓力脈動、頂蓋振動、功率、導葉開度等曲線，如圖1所示。

圖1 5月4日水泵工況啟機運行狀態曲線

根據頻譜圖時間軸分布，在圖1中框定出嘯叫聲持續時段，可以看出當水泵造壓成功時（水泵功率增至-50 MW附近）嘯叫聲開始發現，活動導葉打開時嘯叫聲即刻停止。另在噪音發生初期，頂蓋的水平和垂直振動出現明顯突增后快速回歸至較低振幅，這是由于水泵造壓初期對頂蓋的瞬態沖擊所致[3]，屬于正常現象；無葉區、頂蓋與轉輪間壓力脈動在整個水泵造壓過程中均維持在較高水平，隨著活動導葉的開啟，各點壓力脈動值迅速降低，該現象與水泵造壓特性吻合，亦屬于正常。

再結合1號機組調試期間錄制的水泵工況啟機流程圖（如圖2所示）進行判斷，在嘯叫聲發生期間，蝸殼排氣閥、轉輪排氣閥均已經關閉，因而嘯叫聲的產生應與排氣回水系統無關。另在此期間球閥正處于開啟階段，固嘯叫聲也非由球閥工作密封的退出所引起。

圖2 水泵工況啟機流程圖

嘯叫聲僅發生在轉輪憋壓過程中，即水泵功率達到造壓功率，且無葉區壓力上升至造壓壓力時段。當活動導葉開啟后，嘯叫聲立刻停止，因此嘯叫聲產生的根源應與無葉區的憋壓息息相關。

已投2號機組在各工況下運行時均未發出過嘯叫聲，因此排除機組水力設計原因。對比2臺機安裝記錄發現，1號機組接力器壓緊行程約為1 mm，明顯小于2號機組壓緊行程1.7 mm。考慮導水機構各部件的加工制造誤差、軸承安裝間隙、機構動作摩擦力等因素，當前1號機組接力器壓緊行程傳遞到活動導葉葉瓣上的壓緊力可能不夠充裕，且導葉水力設計為抽水方向趨開，導致轉輪憋壓過程中，無葉區內的高壓水作用在活動導葉葉瓣上所產生的力矩克服了接力器的壓緊力矩，從而在導葉立面產生狹窄的間隙并且發生射流，同時發出強烈的射流噪音[4]。

根據上述分析，1號機組水泵工況啟機過程中的嘯叫噪音主要是由于當前接力器壓緊行程不夠，在回水完成后憋壓過程中，導葉立面處產生細微間隙與射流，射流產生強烈的嘯叫聲[5]。

2 缺陷處理

為避免該間隙射流所產生的振動、空化等現象對活動導葉以及整個導水機構產生傷害，需盡快對1號機組接力器壓緊行程進行調整，參考2號機組的安裝及運行經驗，將1號機組接力器壓緊行程調整至1.8~2.0 mm。與此同時對1號機組活動導葉立面間隙進行檢查[6]，排查是否存在個別導葉立面間隙偏大而導致嘯叫的發生。

尾水排空后，對活動導葉葉瓣、轉輪葉片、座環、導葉連桿、剪斷銷等部件進行檢查，未發現明顯異常；對1號機組復測壓緊行程，接力器自動鎖定側為0.6 mm、手動側為0.7 mm，兩側均小于安裝數據0.3~0.4 mm；在接力器無壓緊狀態下檢查導葉立面間隙，發現6號/7號、17號/18號、19號/20號導葉立面存在間隙，最大可達0.18 mm；在接力器全關壓緊狀態下，17號/18號導葉立面仍存在0.1 mm間隙，實際間隙的存在加劇了射流的發展。

重新加工壓緊行程調整墊厚度，將壓緊行程調整至自動側1.67 mm、手動側1.79 mm，較調整前增加壓緊量約1.07 mm，對應壓緊油壓為1.4 MPa。調整后復測壓緊行程，在無壓緊狀態下基本無變化，在接力器全關壓緊狀態下，所有導葉立面間隙均消失[7]，調整完成。前后接力器壓緊行程數據匯總如表1所示。

表1 接力器壓緊行程數據匯總

5月22日，進行調整完成后首次水泵工況啟機，異常嘯叫聲不再出現。對啟機過程音頻進行頻譜分析采集，頻譜圖見示原240 Hz及其倍頻成分消失，在轉輪憋壓過程中僅留存2倍葉片通過頻率，此噪音成分為正常的無葉區動靜干涉現象。至此1號機組水泵工況啟機噪聲問題圓滿解決。

3 結語

通過對某抽水蓄能電站1號機組水泵工況啟機過程中異常嘯叫聲進行原因分析、缺陷處理，總結有以下4點結論和建議：

（1）接力器壓緊行程不足會導致導葉全關時預加在導葉上的壓緊力矩不足以克服水力扭矩，從而造成活動導葉在轉輪憋壓過程中被無葉區水壓力推開，形成導葉立面間隙射流，同時引起劇烈振動和異常噪音。

（2）機組在運行一段時期后均存在一定程度的壓緊行程松弛現象，該現象是各連桿部件之間、軸承與軸套之間的安裝間隙隨運行時長被逐漸壓實造成的，另外接力器基礎混凝土的收縮同樣會引起壓緊行程的變化。導葉接力器壓緊行程調整時，需額外考慮一定的余量以彌補松弛效應。

（3）機組后續運行維護期間，應做好接力器壓緊行程的跟蹤記錄，監測其是否存在進一步松弛現象，結合機組運行狀況，必要時對壓緊行程做相應調整。

（4）機組投運后需定期對接力器基礎螺栓、導水機構關鍵把合螺栓（如剪切臂抱緊螺栓、活動導葉防抬壓板螺栓、連板偏心銷抱緊螺栓等）的預緊力進行復核，檢查是否存在松動。