基于噪聲特征的水電機組故障診斷技術(shù)研究與實踐

郝國文，何 錚，陸小康，陳澤陽，夏斌強，魏 李，郭曉敬，朱思多

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100048；2.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居縣 317312；3.北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司，北京市 100043）

0 引言

水電機組運行穩(wěn)定性的指標包括機組的振動、水壓脈動和設(shè)備噪聲等，其中機組振動和水壓脈動測量方法相對成熟，分析方法也很多，但對噪聲而言，由于其來源復雜，可分為電磁、機械、空氣動力、軸承、電刷等多種類型，且互相重疊混雜，因此，基于噪聲測量的水電機組故障診斷技術(shù)，尤其是振源查找和噪聲分析，一直是水電機組狀態(tài)分析、故障診斷和優(yōu)化運行的技術(shù)難題[1]。

水電機組運行過程產(chǎn)生的噪聲，本質(zhì)上也是一種污染，可以通過測定噪聲的大小，來評價其對環(huán)境污染的程度，并通過適當手段來減輕和改善噪聲[2]。另外，通過噪聲可以了解機組運行的狀態(tài)，尤其是提前發(fā)現(xiàn)運行故障，實現(xiàn)對狀態(tài)的預警和故障的判斷分析。

1 噪聲測量基本原理

聲音是由于物體（氣體、液體和固體）的振動而產(chǎn)生的，這種振動通過不同的傳播介質(zhì)向外傳播，形成聲波。

1.1 聲壓級

聲波在空氣中傳播時，使空氣密度發(fā)生變化，從而引起壓力的增大或減小，這個變化量就是聲壓，用P來表示，單位是Pa（帕）[3]。正常人耳剛能聽到的最小聲壓是2×10-5Pa，但由于聲壓的增加與人的聽覺不成比例，而是近似對數(shù)關(guān)系，因此引進了成倍比關(guān)系的對數(shù)量——聲壓級LP，其單位為dB（分貝），其表達式為：

式中：P0——基準聲壓；

P——當前測量的聲壓[3]。

1.2 計權(quán)聲級

同一聲壓級不同頻率的響度并不一樣，為了使一個聲波的聲壓級接近人耳的響度感覺，就要對聲波中的各種頻率分量進行“加權(quán)或者計權(quán)”處理，圖1 為不同頻率下噪聲的等響度曲線。

圖1 等響度曲線Figure 1 Equal loudness curve

聲級計頻率計權(quán)是指其恒幅穩(wěn)態(tài)正弦輸入信號級與顯示裝置上指示信號級兩者之間作為頻率函數(shù)關(guān)系而規(guī)定的差值，頻率計權(quán)用分貝（dB）表示。

對頻率進行A 型計權(quán)后得到總聲壓級，稱為A 計權(quán)聲級，用A 計權(quán)聲級對連續(xù)寬頻帶噪聲所做的主觀反應(yīng)測試能很好地反應(yīng)人耳的響應(yīng)，工程上采用比較多的是A 計權(quán)[4]。

1.3 倍頻程

為了便于觀察聲音信號的能量分布，并不需要了解每個頻率分量上的能量大小，而是對某一頻段的能量大小比較關(guān)心，因此把20 ～10kHz 頻率范圍分成幾個部分，每個部分稱為頻帶或者頻程，包括下限頻率f1和上限頻率f2，其頻帶寬度為f2～f1，中心頻率為fc=（f1×f2）1/2，對各個頻帶的分割頻率和中心頻率，規(guī)定幾種n倍倍頻程帶，n由式（2）決定：

當n=1 時，f2/f1=2，頻率比值所確定的頻程為1 倍頻程，通常稱為倍頻程。

2 水電機組噪聲信號特征

水電機組在運行中會產(chǎn)生振動，繼而產(chǎn)生噪聲，產(chǎn)生異常振動的因素很多，總體而言，可分為水力、機械和電氣三個方面。

2.1 機械因素引起的振動噪聲

機組制造、安裝和調(diào)試過程中，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)動部件與固定部件旋轉(zhuǎn)中心不在同一軸線、推力頭鏡板與主軸不垂直、主軸法蘭連接不好等情況，在這些情況下，由于機組軸向不正等原因，機組轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生不平衡離心力，導致異常振動產(chǎn)生噪聲。另外，機組在轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量靜不平衡、主軸彎曲或零部件松動、脫落等情況下，長期運行會產(chǎn)生機械變形，從而引發(fā)機組振動而產(chǎn)生噪聲[5]。

當導軸承的間隙過大或松動時，會引起機組的徑向振動，當機組運行不穩(wěn)定且潤滑不良產(chǎn)生干摩擦時，機組振動加劇而產(chǎn)生噪聲。

2.2 水力因素引起的振動噪聲

水力原因引起的噪聲主要是由于水輪機過流部件型線的設(shè)計不夠合理或者機組在非設(shè)計工況下運行，在流場中產(chǎn)生不良漩渦，這些漩渦的運動變化就會產(chǎn)生振動，常見的水力因素形成噪聲的過程及原因如表1 所示[6，7]。

表1 水電機組水力因素引起的噪聲Table 1 Noise produced by hydraulic factors of hydropower unit

2.3 電磁因素引起的振動噪聲

因發(fā)電機加工制造以及安裝方面的原因，比如轉(zhuǎn)子、定子圓度不可能完全為正圓，容易出現(xiàn)不平衡磁拉力，在發(fā)電機高速旋轉(zhuǎn)的情況下，該不平衡磁拉力會引起機械振動和噪聲。另外，定子鐵芯疊片松動、定子產(chǎn)生的次諧波磁動勢和負序電流等也會引起的機組振動。

3 噪聲診斷分析方法

3.1 發(fā)電機噪聲診斷

為了對機組在運行過程中的噪聲源進行識別，設(shè)計了一套基于噪聲的診斷分析方法。本文以發(fā)電機噪聲為例，對整個推理分析過程進行說明。

發(fā)電機在運轉(zhuǎn)過程中由于存在電磁作用、機械摩擦振動、氣流運動，會形成沖擊、振動力波而產(chǎn)生噪聲，其可分為機械噪聲、電磁噪聲和通風噪聲三大類[8，9]。

機械噪聲包括軸承噪聲、轉(zhuǎn)子不平衡引起的低頻噪聲和結(jié)構(gòu)部件摩擦碰撞或共振產(chǎn)生的噪聲，一般低速時表現(xiàn)為斷續(xù)或具有周期性，高速時表現(xiàn)為連續(xù)的高頻噪聲。因此，可在機組開機空轉(zhuǎn)運行時，待轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，關(guān)閉導葉，使機組自由停機，如果發(fā)電機轉(zhuǎn)速由低到高的過程中，其聲音由斷續(xù)周期至連續(xù)高頻的變化，停機過程中隨著轉(zhuǎn)速的降低，聲音又由連續(xù)高頻至斷續(xù)周期的變化，則為機械噪聲。

通風噪聲是指空氣動力噪聲，由氣體流速決定的，當轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時會明顯增大。如果整個機組的開機空轉(zhuǎn)與停機停過程中，聲音的變化由小到大，又由大到小，則為通風噪聲。產(chǎn)生通風噪聲的主要原因有：

（1）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時空氣受到?jīng)_擊及空氣經(jīng)過電發(fā)電機時產(chǎn)生的環(huán)流發(fā)出的聲音。

（2）通風零部件松動或變形，其中轉(zhuǎn)子上的附屬風扇葉片的松動會產(chǎn)生一種輕微的金屬撞擊聲。

（3）進風、出風口的設(shè)計不合理或局部面積的減少，會使空氣阻力增大而產(chǎn)生呼呼的風聲。

電磁噪聲是發(fā)電機運轉(zhuǎn)時，定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙磁場產(chǎn)生了徑向力，使發(fā)電機產(chǎn)生電磁振動而形成，電磁噪聲在發(fā)電機通電后才產(chǎn)生，斷電后噪聲即消失。因此，如果定子繞組端部不合要求，如定子繞組繞制、整形不好，造成空氣阻力的增加與氣流沖擊的出現(xiàn)，而導致渦流的形成。而隨著勵磁的電流的加入與增大，機組運行噪聲也隨之明顯增加，且勵磁電流消失后噪聲也隨之立即消失或大大減少，則主要為電磁噪聲。

因此，對發(fā)電機組噪聲的診斷推理過程，總結(jié)如圖2 所示。

圖2 發(fā)電機噪聲診斷方法Figure 2 Diagnosis scheme for generator noise

3.2 水輪機噪聲診斷

圖3 是某電站不同負荷下對應(yīng)機組不同位置的測量噪聲，其L 聲級和A 聲級隨負荷變化，可以看到，尾水門噪聲隨負荷變化影響較大，根據(jù)表1 可知，其噪聲的主要影響因素為水力因素，尤其在渦帶區(qū)噪聲尤為明顯，即尾水管渦帶造成壓力脈動和噪聲。

水輪機組在渦帶區(qū)運行時，管道內(nèi)部壓力過高，此時噪聲和振動幅度都會變大，嚴重的情況下，甚至可能導致廠房共振，帶來不可估量的危害和損失。

對這種問題，可選擇負傾角翼型模式轉(zhuǎn)輪，從而達到對上冠與泄水錐形線的優(yōu)化，如果安裝的是高水頭混流式水輪機，可使用帶副葉的轉(zhuǎn)輪，機組在渦帶運行區(qū)域運行時，進行強迫補氣，通常能大大減少尾水門噪聲。

圖4 是某電站在振動區(qū)域伴隨異常金屬嘯叫聲[10]。噪聲主要頻率與機組振動頻率一致，為100 ～500Hz 的頻率，有時會出現(xiàn)2 個甚至2 個以上的主要頻率區(qū)域，根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，幅值隨機組負荷的變化趨勢與頂蓋振動基本相同。

圖4 水車室噪聲隨負荷變化頻域瀑布圖Figure 4 Waterfall plot of frequency for noise in turbine room with various loads

通過對圖4 中水車室噪聲和機組本身振動、轉(zhuǎn)輪固有頻率分析判斷，基本確定水輪機存在卡門渦共振問題，最終通過葉片修型，即采取削薄非對稱出水邊形狀，提高卡門渦頻率，減低卡門渦的激振幅值，達到避免或消除卡門渦共振的效果。

4 噪聲監(jiān)測與分析系統(tǒng)

以在浙江仙居抽水蓄能電站為例，為了深入研究抽水蓄能發(fā)電電動機風洞和水車室綜合狀態(tài)，提升浙江仙居抽水蓄能發(fā)電電動機風洞和水車室綜合狀態(tài)的數(shù)字化、信息化、智能化運維能力，通過安裝狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對其開展了智能圖像監(jiān)測、聲學監(jiān)測、熱成像監(jiān)測和總烴含量監(jiān)測。

系統(tǒng)在發(fā)電機風洞內(nèi)安裝4 個聲學傳感器，實現(xiàn)對風洞內(nèi)的全方位聲學監(jiān)測。在水車室內(nèi)安裝2 個聲學傳感器，在蝸殼人門孔和尾水人門孔各安裝1 個聲學傳感器，實現(xiàn)對水車室和水輪機的聲學監(jiān)測。配置1 套聲音預處理器，用于采集聲學傳感器過來的信號，并通過通信方式將聲音數(shù)據(jù)傳輸至聲音/溫度數(shù)據(jù)采集單元進行集成分析。

系統(tǒng)現(xiàn)場運行照片如圖5 所示，噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)界面如圖6 所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及現(xiàn)場安裝照片F(xiàn)igure 5 Scheme of system structure and installation photo

圖6 噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)界面Figure 6 System interface for noise monitoring

5 結(jié)束語

在水電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法中，噪聲分析具有比較獨特的作用，但由于其頻率成分復雜，產(chǎn)生噪聲的因素眾多，因此，噪聲監(jiān)測與分析并沒有受到與振動、擺度、水壓脈動等信號同樣的重視程度，但噪聲分析作為穩(wěn)定性測量的補充，能夠在機組出現(xiàn)故障時為其診斷和分析提供更多的依據(jù)。

隨著大數(shù)據(jù)分析、機器學習和人工智能等技術(shù)在水電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中的應(yīng)用，噪聲信號的特征提取、聲學場的建立、噪聲信號與流體特性的關(guān)聯(lián)等技術(shù)，必將繼續(xù)向前發(fā)展，并得到越來越廣泛的應(yīng)用，最終為保證機組安全、高效運行提供指導。