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

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)。