水电站发电机运行异常噪声成因分析

水电站发电机运行异常噪声成因分析

李文龙,赵雯平

陕西省引汉济渭工程建设有限公司 710000

摘要：在实际应用中，由于机组的各过流元件与流体的耦合，流体介质的紊流引起的水力振动和涡运动以及机组压力脉动引起的颤振。此外，由于机组在水轮机轴系的受力不均和机组的故障操作中，也会引起不同程度的振动。这种振动具体表现为电站运行中产生的各种频率的高强度的噪声，特别是在保护设备失效后，各个频率的噪声都会以几何级数的速度增加。高强度的噪声不但会对电厂的运行和维修造成很大的影响，而且也会直接反映出电厂的故障。

关键词：水电站发电机；运行异常；噪声成因

引言

近年来，有关电厂噪声的形成机制和与机组故障之间的关系越来越受到国内外学者的重视。基于电厂噪声和机组故障之间的相关性，提出基于机组运行工况和噪声监测状况的新型机组监控系统。与传统的机组故障分析方法相比，由于设备依靠传感器，而且无法对内部转动构件进行检测，因此采用噪声频段进行水力机组的工况数据采集容易，测点布置简单，采集成本低，可行性高，精度高，是当前用于水力机故障监测的一种新型方法。

1.电站发电机运行异常噪声成因分析

1.1.水电站机械噪声

机械振动噪声主要来源于机组在转动过程中各连接部件、法兰及接触面所产生的振动声、摩擦声等。水电站实际工程运行中，各过流部件会在流体的耦合作用下或由于设计的不合理、不规范导致达不到技术要求出现噪声。比较明显的有主轴、转轮和轴承等轴系结构在旋转过程中由于重力分布不均产生的噪声。此外，辅助设备在给水、给气、给油的过程中由于压力波动与流体运动的原因也会带动辅助设备振动发声。在水轮机与发电机衔接处由于固定螺栓松动所引起的强烈振动也是水电站机械振动噪声的来源。蜗壳内水流含沙对过流部件的冲击所产生的振动噪声也是机械振动的一个方面。

1.2.水电站水力噪声

Powell的涡声理论中揭示了涡与声的关系，在流速很较低的条件下，存在涡的地方将会产生声，而且流场中的声只产生于涡量随时间变化的区域。那么对于低速器件水轮机来说，产生噪声的水力因素就很明显了。流体在流经各个过流部件时作紊流运动，其中就产生了大量的涡流。高速水流在涡的运动下通过导水管道、蜗壳、叶轮和导叶，流经尾水管引起一系列噪声。此外，尾水管的出口水流具有旋转速度，当补气量偏小时，尾水管开始摆动将在管壁上产生压力脉动。压力脉动振幅越大，产生的脉动噪声的强度越大。另外，机组在参与电网峰值调节时，存在负荷不断调节的情况，即水轮机流量（或动叶开度）不断变动，流体速度将会得到提高或者减小，这增加了流体紊流中涡的运动，也就使机组水力噪声得到明显提高。另一方面，水轮机紊流流动时还会在流道内形成高低压区，是气动噪声的主要来源。根据气体动力学研究可知，紊流中包含的气体是汽蚀的主要因素。在水轮机出现汽蚀时，根据气泡动力学的研究，气泡在快速生成直到溃灭期间在与流体的相互作用下将发出极大的噪声。由于存在某些水流异物、水工构造部件例如水泥导流墩等影响及在特殊工况下造成的进水不均匀，将会使过流介质的涡量明显增加。其中存在的分散小旋涡将汇集成较大的涡带进入转轮等过流部件，在流固耦合的作用下引发更剧烈的振动。

2.水电站发电机运行噪声问题解决措施

2.1.产生电机噪声初步原因

电机在正常运行中，电机噪声通常由机械、通风、电磁等三种原因产生，最终形成一个不同频率、不同声强的叠加噪声。引起外部和内部的电机噪声影响因素有很多，但只有电机噪声达到了一定程度才能称作噪音。根据噪声实测数据分析，空转工况下测定数据基本在正常范围内，而且整个过程中水轮发电机组也无明显的异常振动等情况，且三台机组具有相同的共性问题，可以判断：(1)该异常噪声与水力机械、机组安装等也可能引起噪声的因素无关。(2)电机在额定转速下空转时并未出现异常噪声，说明机械和通风噪声并非造成异常噪声的主要声源。(3)发电机在空载状态下，电机噪声出现了明显的异常增大，且随着电压的升高噪声也相应加大，说明异常噪声系电机的电磁噪声造成。初步分析发现：产生电机噪声是因为发电机定子铁心采用冲片开槽。当发电机处于空载时，由于有气隙磁场的出现，转子主极磁场产生的电磁力会使铁心产生齿频脉动，从而产生了电磁噪声。电磁噪声数值大小决定于电磁负荷与电机的设计参数，主要有定、转子槽的配合不当，定、转子偏心或气隙过小以及长度不一致等原因。

2.2.合理分配检修任务

大型水轮发电机组的检修任务重、检修频率高，为了保证检修任务的顺利落实，必须加强检修班组管理。首先，将在职的检修人员分成若干个小组，一是明确检修责任，保证检修人员能够按照统一安排各司其职；二是营造竞争氛围，各个检修小组之间形成竞争力，进一步提升检修作业的效率和质量。其次，在科学分组的基础上，还应合理分配检修任务，制订详细的检修作业方案，避免出现漏检的情况。该方案中应明确说明每日的检修任务、完成检修工作所需的时间，以及负责检修的人员和使用的检修方法等，并且要求检修人员每完成一项任务，都要填写对应的检修表单。最后，在完成检修任务的分配以后，负责统筹协调的管理人员还应检查各个小组之间的工作量是否平衡。如果存在某个小组检修任务少、检修难度低，而有些小组检修工作量大等情况，需要及时调整工作量，

有效维持检修人员的工作积极性。

2.3.电气噪声分析对发电机运行与故障诊断作用

发电机噪声的产生从原因到部位都比较复杂，一般包括机械噪声、进气噪声与排气噪声以及发电机相关的一些辅助设备因工作振动引发的噪声。发电机的振动噪声发生的位置与声波信号的频率能较准确地对发电机运行故障做出判断。振动信号由于相比噪声信号受环境干扰小的特点，因此在国外广泛与噪声信号相结合使用对发电机进行故障诊断。但振动监测技术也存在一些应用限制，如振动传感器主要监测低频信号，在带电部位或封闭装置内无法使用振动传感器等。噪声信号监测可不受上述限制，但对有效信号有效分析有更高的技术要求。对于利用噪声分析受干扰大的情况，可使用小波分析对噪声的信噪分离的新型滤波方法对噪声信号进行更精确地分析。对于在对发电机进行监测而又不影响设备正常工作的情况下，通过对设备振动与噪声进行幅值、时域、以及频率的分析，能够实时判断发电机的运行状态以及可能出现的设备故障。因机械噪声和水力噪声的频率范围都较低，所以异常声响应为电气噪声，而且异常噪声频谱范围较宽，推测故障为发电机定子局部存在放电。

2.4.机械噪声与水力噪声分析对水轮机运行与故障诊断作用

机械噪声于水力噪声而言，其本身噪声的产生就与水轮机故障与不稳定运行有着重要联系。轴系不稳定产生的振动就是水轮机轴系噪声产生的直接因素。流体在各个过流部件流动时，由于流动的不合理，将会产生更多的偏心涡，分离涡，卡门涡，这正是造成水轮机噪声的重大因素。基于气动声学理论的发展，使利用噪声源对机组水力噪声的分析成为现实。通过对水轮机噪声信号的分析将能准确经济的判定机组故障与运行不稳定的情况。水轮机运行中普遍由于流型不好的情况下出现水力振动而引发噪声。对于导叶与转轮不稳定流引起的压力脉动与水力振动、流道速度激变形成的漩涡、部分负荷时在尾水管进口形成的中心强迫涡、过负荷时形成的与转轮方向相反的漩涡以及汽蚀气体的产生与溃灭使水流弹性增加的情况将引发不同程度的噪声。由此而言，利用噪声对水轮机进行运行监测与故障诊断将会有巨大的发展前景。

3.结束语

综上所述，在新的形势下，水电是一种清洁的能源，在电力工业中得到了广泛的应用。发电机是水电站的核心设备，它在运行过程中的故障处理、检修和维护是十分必要的。相信随着对电站发电机的持续优化与探索，我国的水能发电将会得到更好的发展。

参考文献

[1]谢东.地下水电站厂房气流组织CFD数值模拟方法研究[D].重庆大学,2015.

[2]贺佰圭.关于水电站电气自动化应用问题的探讨[J].广东科技,2012,21(13):113-114.