抽水蓄能電站水輪機噪聲測試分析案例

姜明利，孫銘君

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京100048）

1 前言

與常規(guī)水輪發(fā)電機組相同，蓄能機組也存在機械、電磁和流體振動以及噪聲等問題，不同的是，抽水蓄能電站具有發(fā)電、抽水兩種運行工況，且具有機組水頭高、容量大，轉(zhuǎn)速快、工況轉(zhuǎn)換頻繁、運行區(qū)域跨度大、水力動態(tài)特性復(fù)雜等特點，致使蓄能電站的機組和廠房振動不穩(wěn)定性、噪聲較大等現(xiàn)象比較突出。工作人員長期在高強度噪聲的環(huán)境下工作，會產(chǎn)生身體的不適，影響身體健康，進而對正常的工作和生活產(chǎn)生不良影響。

本次試驗電站為某大型抽水蓄能電站，總裝機1 200 MW，4 臺混流可逆式水泵水輪發(fā)電電動機組，單機容量為300 MW，機組由我國自主研究、設(shè)計、制造、安裝。機組投運后，廠房內(nèi)和引水管道周邊環(huán)境存在較為明顯的噪聲問題，影響到電站的安全穩(wěn)定運行，也影響到周邊居民的生活。

通過測試，對電站廠房內(nèi)部分區(qū)域噪聲進行分析，對噪聲特性和特點進行了解，為電站機組的噪聲分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 電站主要參數(shù)

電站水輪機工況設(shè)計額定水頭430 m，額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min，額定出力300 MW；水泵工況最高揚程475 m，最低揚程421 m，最大入力321.09 MW，額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min。水輪機的活動導(dǎo)葉數(shù)20 片，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)9 片。機組轉(zhuǎn)頻為7.14 Hz，2 倍葉片過流頻率為128.58 Hz。

3 試驗測點布置

廠房內(nèi)噪聲測試布置如下：一個測點布置在水輪機進人門處，另一個測點布置在尾水管進人門處，兩個測點傳感器距離進人門1 m，地面以上1 m。

噪聲傳感器采用AWA14423 聲級計，準(zhǔn)確度等級為1 級，配合AWA14604 前置放大器。對各試驗工況噪聲聲壓進行采集，并通過計算得到A 計權(quán)聲壓級，噪聲測量采樣頻率為2 000 Hz。

圖1 噪聲傳感器布置圖

4 試驗數(shù)據(jù)分析

噪聲試驗工況為：機組變負荷各工況（160 MW、180 MW、210 MW、240 MW、270 MW、300 MW）和 機組抽水工況。

每個工況測量記錄聲壓（Pa）測量結(jié)果，通過計算RMS 值，得到聲壓有效值，由公式Lp=20 lg（p/p0）計算出聲壓級，加權(quán)得到初始A 計權(quán)聲壓級dB（A）。

試驗機組為2 號機組，1 號機組處于停機檢修狀態(tài)。試驗時，2、3、4 號機組處于發(fā)電狀態(tài)，其中3、4 號機組帶額定300 MW 負荷運行。

表1 2 號水輪機噪聲試驗數(shù)據(jù)表格

試驗期間，機組全部停機噪音作為背景噪音，變負荷發(fā)電工況運行期間，3 號和4 號機組處于帶300 MW 負荷發(fā)電狀態(tài)；抽水工況，2 號、3 號、4 號機組帶額定300 MW 負荷抽水狀態(tài)。根據(jù)IEC 規(guī)程的相關(guān)規(guī)定，需對A 計權(quán)聲壓級噪聲試驗結(jié)果進行修正。

依照IEC 61063：1991 標(biāo)準(zhǔn)，A 聲級噪聲修訂規(guī)定如表2。

表2 修正值規(guī)定表

結(jié)合現(xiàn)場實測背景噪聲數(shù)據(jù)，對實測A 計權(quán)聲壓級數(shù)據(jù)進行修正，結(jié)果見表3、表4。

表3 測量噪音與背景噪音的差值

表4 修正后的噪音數(shù)據(jù)表格

試驗結(jié)果顯示：①機組在發(fā)電工況水輪機進人門處的噪聲為：95.89～101.74 dB（A），尾水管進人門處的噪聲90.70～94.29 dB（A）。抽水工況，水輪機進人門處的噪聲為90.08 dB（A），尾水管進人門處的噪聲89.03 dB（A）。②機組在300 MW 滿負荷工況，兩個測點的噪聲明顯增大。③滿負荷發(fā)電工況兩個測點的噪聲比滿負荷抽水工況的噪聲大。

噪聲頻譜分析可以看出，各個試驗工況（不同負荷發(fā)電工況和抽水工況）噪聲的主要頻率是128.6 Hz 左右，為機組轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率的2 倍（電站機組轉(zhuǎn)速為428.6 r/min，機組轉(zhuǎn)頻為7.14 Hz，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9 個，轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率是64.26 Hz）。

停機狀態(tài)，2 個測點頻譜圖中沒有發(fā)現(xiàn)128.5 Hz頻率成分，停機狀態(tài)主要的噪音來源為：通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲，各種水泵設(shè)備、空壓機系統(tǒng)、技術(shù)供排水系統(tǒng)等運行中產(chǎn)生的噪聲。再者，抽水蓄能電站，存在大量未固定的器件，機組運行時，這些未固定器件與地面或器件相互之間發(fā)生碰撞，從而成為廠房內(nèi)噪聲生源之一。

本次試驗過程中，同時進行了以下試驗測試：①機組三導(dǎo)擺度；②上機架、下機架及水輪機頂蓋振動；③蝸殼進口、無葉區(qū)、頂蓋下等測點的壓力脈動。各測點的主要頻率見表5。

從表5、表6 中可以看出：①水輪機頂蓋振動的主頻是128.6 Hz，上機架垂直振動主頻、下機架3 個方向的振動主頻都是128.6 Hz。②蝸殼進口壓力脈動主頻是128.6 Hz，無葉區(qū)壓力脈動的主要頻率是64.3 Hz、128.6 Hz 以及7.1 Hz。

這幾個測點的主頻都是128.6 Hz，為機組水輪機轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率的2 倍。

圖4 部分工況測點噪聲頻譜圖

表5 水導(dǎo)及壓力脈動測點負荷工況下各測點主頻 單位：Hz

表6 上機架、下機架負荷工況下測點主頻 單位：Hz

5 結(jié)論

機組的上機架、下機架、頂蓋振動和壓力脈動的主頻主要成分為128.6 Hz，是水輪機轉(zhuǎn)輪葉片通流頻率的2 倍，該頻率的形成是機組水輪機轉(zhuǎn)輪運行中動靜干涉的結(jié)果。機組運行過程中的噪聲測試，兩個測點的噪聲頻率主要成分為128.6 Hz，與機組的振動和壓力脈動的主頻相同，說明電站廠房內(nèi)該頻率成分的噪聲產(chǎn)生主要是由水力因素引起的，是廠房噪聲產(chǎn)生的主要來源。

另外，抽水蓄能電站通風(fēng)系統(tǒng)，空壓機系統(tǒng)，技術(shù)供排水系統(tǒng)等運行中產(chǎn)生的噪聲，也是廠房噪聲的來源之一。

抽水蓄能電站廠房內(nèi)噪聲現(xiàn)象是普遍存在的，如何有效地降低廠房內(nèi)噪聲，是電站亟需解決的問題。