某抽水蓄能電站水泵工況啟機(jī)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(jī)組自2023年1月投入商業(yè)運(yùn)行以來，各工況下機(jī)組振動、擺度、瓦溫、噪音等運(yùn)行指標(biāo)整體表現(xiàn)良好。在整組啟動調(diào)試階段水泵工況啟動過程中，水泵水輪機(jī)處偶有傳出嘯叫聲，持續(xù)時間較短，約為5~6 s左右；近期隨著機(jī)組運(yùn)行時間的增加，機(jī)組在水泵工況啟動過程中頻繁發(fā)出嘯叫聲，持續(xù)時間可達(dá)40 s左右，與此同時機(jī)組頂蓋、水導(dǎo)等部位振擺值激增。機(jī)組在水泵抽水穩(wěn)態(tài)、發(fā)電、調(diào)相等其他工況下均未發(fā)出類似異響。針對這一異?，F(xiàn)象，需迅速查明嘯叫聲的來源，避免機(jī)械機(jī)構(gòu)振擺、過水部件可能存在的空化空蝕對機(jī)組造成不可逆?zhèn)Α?/p>

1 噪音分析

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

由現(xiàn)場采集頻譜圖得出，前后月份水泵開機(jī)過程的音頻成分整體穩(wěn)定，主要由發(fā)電電動機(jī)傳來的風(fēng)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(dāng)嘯叫聲出現(xiàn)時，240 Hz及480 Hz、720 Hz等倍頻頻率成分開始突現(xiàn)。該頻率成分與機(jī)組導(dǎo)葉和葉片（無葉區(qū)）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(jiān)控系統(tǒng)水泵工況啟機(jī)過程運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查詢，調(diào)取嘯叫聲發(fā)生時段內(nèi)壓力脈動、頂蓋振動、功率、導(dǎo)葉開度等曲線，如圖1所示。

圖1 5月4日水泵工況啟機(jī)運(yùn)行狀態(tài)曲線

根據(jù)頻譜圖時間軸分布，在圖1中框定出嘯叫聲持續(xù)時段，可以看出當(dāng)水泵造壓成功時（水泵功率增至-50 MW附近）嘯叫聲開始發(fā)現(xiàn)，活動導(dǎo)葉打開時嘯叫聲即刻停止。另在噪音發(fā)生初期，頂蓋的水平和垂直振動出現(xiàn)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(tài)沖擊所致[3]，屬于正常現(xiàn)象；無葉區(qū)、頂蓋與轉(zhuǎn)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(dǎo)葉的開啟，各點壓力脈動值迅速降低，該現(xiàn)象與水泵造壓特性吻合，亦屬于正常。

再結(jié)合1號機(jī)組調(diào)試期間錄制的水泵工況啟機(jī)流程圖（如圖2所示）進(jìn)行判斷，在嘯叫聲發(fā)生期間，蝸殼排氣閥、轉(zhuǎn)輪排氣閥均已經(jīng)關(guān)閉，因而嘯叫聲的產(chǎn)生應(yīng)與排氣回水系統(tǒng)無關(guān)。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(jī)流程圖

嘯叫聲僅發(fā)生在轉(zhuǎn)輪憋壓過程中，即水泵功率達(dá)到造壓功率，且無葉區(qū)壓力上升至造壓壓力時段。當(dāng)活動導(dǎo)葉開啟后，嘯叫聲立刻停止，因此嘯叫聲產(chǎn)生的根源應(yīng)與無葉區(qū)的憋壓息息相關(guān)。

已投2號機(jī)組在各工況下運(yùn)行時均未發(fā)出過嘯叫聲，因此排除機(jī)組水力設(shè)計原因。對比2臺機(jī)安裝記錄發(fā)現(xiàn)，1號機(jī)組接力器壓緊行程約為1 mm，明顯小于2號機(jī)組壓緊行程1.7 mm?？紤]導(dǎo)水機(jī)構(gòu)各部件的加工制造誤差、軸承安裝間隙、機(jī)構(gòu)動作摩擦力等因素，當(dāng)前1號機(jī)組接力器壓緊行程傳遞到活動導(dǎo)葉葉瓣上的壓緊力可能不夠充裕，且導(dǎo)葉水力設(shè)計為抽水方向趨開，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪憋壓過程中，無葉區(qū)內(nèi)的高壓水作用在活動導(dǎo)葉葉瓣上所產(chǎn)生的力矩克服了接力器的壓緊力矩，從而在導(dǎo)葉立面產(chǎn)生狹窄的間隙并且發(fā)生射流，同時發(fā)出強(qiáng)烈的射流噪音[4]。

根據(jù)上述分析，1號機(jī)組水泵工況啟機(jī)過程中的嘯叫噪音主要是由于當(dāng)前接力器壓緊行程不夠，在回水完成后憋壓過程中，導(dǎo)葉立面處產(chǎn)生細(xì)微間隙與射流，射流產(chǎn)生強(qiáng)烈的嘯叫聲[5]。

2 缺陷處理

為避免該間隙射流所產(chǎn)生的振動、空化等現(xiàn)象對活動導(dǎo)葉以及整個導(dǎo)水機(jī)構(gòu)產(chǎn)生傷害，需盡快對1號機(jī)組接力器壓緊行程進(jìn)行調(diào)整，參考2號機(jī)組的安裝及運(yùn)行經(jīng)驗，將1號機(jī)組接力器壓緊行程調(diào)整至1.8~2.0 mm。與此同時對1號機(jī)組活動導(dǎo)葉立面間隙進(jìn)行檢查[6]，排查是否存在個別導(dǎo)葉立面間隙偏大而導(dǎo)致嘯叫的發(fā)生。

尾水排空后，對活動導(dǎo)葉葉瓣、轉(zhuǎn)輪葉片、座環(huán)、導(dǎo)葉連桿、剪斷銷等部件進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常；對1號機(jī)組復(fù)測壓緊行程，接力器自動鎖定側(cè)為0.6 mm、手動側(cè)為0.7 mm，兩側(cè)均小于安裝數(shù)據(jù)0.3~0.4 mm；在接力器無壓緊狀態(tài)下檢查導(dǎo)葉立面間隙，發(fā)現(xiàn)6號/7號、17號/18號、19號/20號導(dǎo)葉立面存在間隙，最大可達(dá)0.18 mm；在接力器全關(guān)壓緊狀態(tài)下，17號/18號導(dǎo)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(fā)展。

重新加工壓緊行程調(diào)整墊厚度，將壓緊行程調(diào)整至自動側(cè)1.67 mm、手動側(cè)1.79 mm，較調(diào)整前增加壓緊量約1.07 mm，對應(yīng)壓緊油壓為1.4 MPa。調(diào)整后復(fù)測壓緊行程，在無壓緊狀態(tài)下基本無變化，在接力器全關(guān)壓緊狀態(tài)下，所有導(dǎo)葉立面間隙均消失[7]，調(diào)整完成。前后接力器壓緊行程數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表1 接力器壓緊行程數(shù)據(jù)匯總

5月22日，進(jìn)行調(diào)整完成后首次水泵工況啟機(jī)，異常嘯叫聲不再出現(xiàn)。對啟機(jī)過程音頻進(jìn)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(zhuǎn)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(qū)動靜干涉現(xiàn)象。至此1號機(jī)組水泵工況啟機(jī)噪聲問題圓滿解決。

3 結(jié)語

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

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

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

（3）機(jī)組后續(xù)運(yùn)行維護(hù)期間，應(yīng)做好接力器壓緊行程的跟蹤記錄，監(jiān)測其是否存在進(jìn)一步松弛現(xiàn)象，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行狀況，必要時對壓緊行程做相應(yīng)調(diào)整。

（4）機(jī)組投運(yùn)后需定期對接力器基礎(chǔ)螺栓、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)鍵把合螺栓（如剪切臂抱緊螺栓、活動導(dǎo)葉防抬壓板螺栓、連板偏心銷抱緊螺栓等）的預(yù)緊力進(jìn)行復(fù)核，檢查是否存在松動。