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      基于噪聲特征的水電機(jī)組故障診斷技術(shù)研究與實(shí)踐

      2024-01-12 11:10:50郝國(guó)文陸小康陳澤陽(yáng)夏斌強(qiáng)郭曉敬朱思多
      水電與抽水蓄能 2023年6期
      關(guān)鍵詞:發(fā)電機(jī)噪聲機(jī)組

      郝國(guó)文,何 錚,陸小康,陳澤陽(yáng),夏斌強(qiáng),魏 李,郭曉敬,朱思多

      (1.國(guó)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(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的指標(biāo)包括機(jī)組的振動(dòng)、水壓脈動(dòng)和設(shè)備噪聲等,其中機(jī)組振動(dòng)和水壓脈動(dòng)測(cè)量方法相對(duì)成熟,分析方法也很多,但對(duì)噪聲而言,由于其來(lái)源復(fù)雜,可分為電磁、機(jī)械、空氣動(dòng)力、軸承、電刷等多種類型,且互相重疊混雜,因此,基于噪聲測(cè)量的水電機(jī)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(jī)組狀態(tài)分析、故障診斷和優(yōu)化運(yùn)行的技術(shù)難題[1]。

      水電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生的噪聲,本質(zhì)上也是一種污染,可以通過(guò)測(cè)定噪聲的大小,來(lái)評(píng)價(jià)其對(duì)環(huán)境污染的程度,并通過(guò)適當(dāng)手段來(lái)減輕和改善噪聲[2]。另外,通過(guò)噪聲可以了解機(jī)組運(yùn)行的狀態(tài),尤其是提前發(fā)現(xiàn)運(yùn)行故障,實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)的預(yù)警和故障的判斷分析。

      1 噪聲測(cè)量基本原理

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

      1.1 聲壓級(jí)

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

      式中:P0——基準(zhǔn)聲壓;

      P——當(dāng)前測(cè)量的聲壓[3]。

      1.2 計(jì)權(quán)聲級(jí)

      同一聲壓級(jí)不同頻率的響度并不一樣,為了使一個(gè)聲波的聲壓級(jí)接近人耳的響度感覺(jué),就要對(duì)聲波中的各種頻率分量進(jìn)行“加權(quán)或者計(jì)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(jí)計(jì)頻率計(jì)權(quán)是指其恒幅穩(wěn)態(tài)正弦輸入信號(hào)級(jí)與顯示裝置上指示信號(hào)級(jí)兩者之間作為頻率函數(shù)關(guān)系而規(guī)定的差值,頻率計(jì)權(quán)用分貝(dB)表示。

      對(duì)頻率進(jìn)行A 型計(jì)權(quán)后得到總聲壓級(jí),稱為A 計(jì)權(quán)聲級(jí),用A 計(jì)權(quán)聲級(jí)對(duì)連續(xù)寬頻帶噪聲所做的主觀反應(yīng)測(cè)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(jì)權(quán)[4]。

      1.3 倍頻程

      為了便于觀察聲音信號(hào)的能量分布,并不需要了解每個(gè)頻率分量上的能量大小,而是對(duì)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(gè)部分,每個(gè)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(duì)各個(gè)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(dāng)n=1 時(shí),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(jī)組噪聲信號(hào)特征

      水電機(jī)組在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),繼而產(chǎn)生噪聲,產(chǎn)生異常振動(dòng)的因素很多,總體而言,可分為水力、機(jī)械和電氣三個(gè)方面。

      2.1 機(jī)械因素引起的振動(dòng)噪聲

      機(jī)組制造、安裝和調(diào)試過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)組軸向不正等原因,機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生不平衡離心力,導(dǎo)致異常振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。另外,機(jī)組在轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量靜不平衡、主軸彎曲或零部件松動(dòng)、脫落等情況下,長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形,從而引發(fā)機(jī)組振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲[5]。

      當(dāng)導(dǎo)軸承的間隙過(guò)大或松動(dòng)時(shí),會(huì)引起機(jī)組的徑向振動(dòng),當(dāng)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定且潤(rùn)滑不良產(chǎn)生干摩擦?xí)r,機(jī)組振動(dòng)加劇而產(chǎn)生噪聲。

      2.2 水力因素引起的振動(dòng)噪聲

      水力原因引起的噪聲主要是由于水輪機(jī)過(guò)流部件型線的設(shè)計(jì)不夠合理或者機(jī)組在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行,在流場(chǎng)中產(chǎn)生不良漩渦,這些漩渦的運(yùn)動(dòng)變化就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),常見(jiàn)的水力因素形成噪聲的過(guò)程及原因如表1 所示[6,7]。

      表1 水電機(jī)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(dòng)噪聲

      因發(fā)電機(jī)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(jī)高速旋轉(zhuǎn)的情況下,該不平衡磁拉力會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)和噪聲。另外,定子鐵芯疊片松動(dòng)、定子產(chǎn)生的次諧波磁動(dòng)勢(shì)和負(fù)序電流等也會(huì)引起的機(jī)組振動(dòng)。

      3 噪聲診斷分析方法

      3.1 發(fā)電機(jī)噪聲診斷

      為了對(duì)機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中的噪聲源進(jìn)行識(shí)別,設(shè)計(jì)了一套基于噪聲的診斷分析方法。本文以發(fā)電機(jī)噪聲為例,對(duì)整個(gè)推理分析過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。

      發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于存在電磁作用、機(jī)械摩擦振動(dòng)、氣流運(yùn)動(dòng),會(huì)形成沖擊、振動(dòng)力波而產(chǎn)生噪聲,其可分為機(jī)械噪聲、電磁噪聲和通風(fēng)噪聲三大類[8,9]。

      機(jī)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(shí)表現(xiàn)為斷續(xù)或具有周期性,高速時(shí)表現(xiàn)為連續(xù)的高頻噪聲。因此,可在機(jī)組開(kāi)機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí),待轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,關(guān)閉導(dǎo)葉,使機(jī)組自由停機(jī),如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由低到高的過(guò)程中,其聲音由斷續(xù)周期至連續(xù)高頻的變化,停機(jī)過(guò)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(jī)械噪聲。

      通風(fēng)噪聲是指空氣動(dòng)力噪聲,由氣體流速?zèng)Q定的,當(dāng)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)明顯增大。如果整個(gè)機(jī)組的開(kāi)機(jī)空轉(zhuǎn)與停機(jī)停過(guò)程中,聲音的變化由小到大,又由大到小,則為通風(fēng)噪聲。產(chǎn)生通風(fēng)噪聲的主要原因有:

      (1)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)空氣受到?jīng)_擊及空氣經(jīng)過(guò)電發(fā)電機(jī)時(shí)產(chǎn)生的環(huán)流發(fā)出的聲音。

      (2)通風(fēng)零部件松動(dòng)或變形,其中轉(zhuǎn)子上的附屬風(fēng)扇葉片的松動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一種輕微的金屬撞擊聲。

      (3)進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)口的設(shè)計(jì)不合理或局部面積的減少,會(huì)使空氣阻力增大而產(chǎn)生呼呼的風(fēng)聲。

      電磁噪聲是發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生了徑向力,使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電磁振動(dòng)而形成,電磁噪聲在發(fā)電機(jī)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(dǎo)致渦流的形成。而隨著勵(lì)磁的電流的加入與增大,機(jī)組運(yùn)行噪聲也隨之明顯增加,且勵(lì)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(duì)發(fā)電機(jī)組噪聲的診斷推理過(guò)程,總結(jié)如圖2 所示。

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

      3.2 水輪機(jī)噪聲診斷

      圖3 是某電站不同負(fù)荷下對(duì)應(yīng)機(jī)組不同位置的測(cè)量噪聲,其L 聲級(jí)和A 聲級(jí)隨負(fù)荷變化,可以看到,尾水門噪聲隨負(fù)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(dòng)和噪聲。

      水輪機(jī)組在渦帶區(qū)運(yùn)行時(shí),管道內(nèi)部壓力過(guò)高,此時(shí)噪聲和振動(dòng)幅度都會(huì)變大,嚴(yán)重的情況下,甚至可能導(dǎo)致廠房共振,帶來(lái)不可估量的危害和損失。

      對(duì)這種問(wèn)題,可選擇負(fù)傾角翼型模式轉(zhuǎn)輪,從而達(dá)到對(duì)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(jī),可使用帶副葉的轉(zhuǎn)輪,機(jī)組在渦帶運(yùn)行區(qū)域運(yùn)行時(shí),進(jìn)行強(qiáng)迫補(bǔ)氣,通常能大大減少尾水門噪聲。

      圖4 是某電站在振動(dòng)區(qū)域伴隨異常金屬嘯叫聲[10]。噪聲主要頻率與機(jī)組振動(dòng)頻率一致,為100 ~500Hz 的頻率,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)2 個(gè)甚至2 個(gè)以上的主要頻率區(qū)域,根據(jù)分析發(fā)現(xiàn),幅值隨機(jī)組負(fù)荷的變化趨勢(shì)與頂蓋振動(dòng)基本相同。

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

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

      4 噪聲監(jiān)測(cè)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(dòng)機(jī)風(fēng)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(dòng)機(jī)風(fēng)洞和水車室綜合狀態(tài)的數(shù)字化、信息化、智能化運(yùn)維能力,通過(guò)安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)其開(kāi)展了智能圖像監(jiān)測(cè)、聲學(xué)監(jiān)測(cè)、熱成像監(jiān)測(cè)和總烴含量監(jiān)測(cè)。

      系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)安裝4 個(gè)聲學(xué)傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)洞內(nèi)的全方位聲學(xué)監(jiān)測(cè)。在水車室內(nèi)安裝2 個(gè)聲學(xué)傳感器,在蝸殼人門孔和尾水人門孔各安裝1 個(gè)聲學(xué)傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)水車室和水輪機(jī)的聲學(xué)監(jiān)測(cè)。配置1 套聲音預(yù)處理器,用于采集聲學(xué)傳感器過(guò)來(lái)的信號(hào),并通過(guò)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(jìn)行集成分析。

      系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行照片如圖5 所示,噪聲監(jiān)測(cè)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(chǎng)安裝照片F(xiàn)igure 5 Scheme of system structure and installation photo

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

      5 結(jié)束語(yǔ)

      在水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷方法中,噪聲分析具有比較獨(dú)特的作用,但由于其頻率成分復(fù)雜,產(chǎn)生噪聲的因素眾多,因此,噪聲監(jiān)測(cè)與分析并沒(méi)有受到與振動(dòng)、擺度、水壓脈動(dòng)等信號(hào)同樣的重視程度,但噪聲分析作為穩(wěn)定性測(cè)量的補(bǔ)充,能夠在機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)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(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)在水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中的應(yīng)用,噪聲信號(hào)的特征提取、聲學(xué)場(chǎng)的建立、噪聲信號(hào)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(lái)越廣泛的應(yīng)用,最終為保證機(jī)組安全、高效運(yùn)行提供指導(dǎo)。

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