某抽水蓄能電站發(fā)電機層上蓋板振動處理

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

某抽水蓄能電站總裝機容量1000MW，電站安裝4臺單機250MW的機組。額定水頭305m，額定流量94.1m3/s，額定轉(zhuǎn)速333.3r/min，吸出高度-48m。地下廠房位于水道系統(tǒng)尾部的微風化變質(zhì)安山巖內(nèi)，為地下式廠房。廠房位于近中部，地下廠房系統(tǒng)由地下廠房、主變及開關(guān)室、母線洞、主變運輸洞、出線廊道及出線豎井、交通洞、通風兼安全洞、排風洞、排水廊道和地面出線場等組成。該機組由法國ALSTOM提供水泵水輪機，日本VOITH FUJI提供發(fā)電機，2007年末首臺機組發(fā)電，2008年末四臺機組全部投入運行。

1 發(fā)電機層上蓋板振動問題分析

該電站自投入運行以來，無論發(fā)電還是抽水的過程中，在發(fā)電機層上蓋板上都有強烈的振感，水輪機在額定功率下振動最大。強烈的振感對工作人員的工作環(huán)境造成極大的不良影響。2011年電站經(jīng)多次試驗和研究分析，最終發(fā)現(xiàn)是由于機組運行時水輪機蝸殼內(nèi)部的頻率為100Hz的高頻脈動水壓力向上傳遞，造成整個機組以及廠房強制振動，直接導致了發(fā)電機層上蓋板振動強烈。由于整個機組已經(jīng)投入運行，對蝸殼結(jié)構(gòu)進行調(diào)整工程量巨大，很難實現(xiàn)；而且雖然經(jīng)過分析論證找到了振動的根源，但脈動水壓形成的原因不明，如何去除在業(yè)內(nèi)也沒有可供參考的先例，這意味著要徹底從源頭解決該振動意味著要有巨大投入，在不影響電站整體結(jié)構(gòu)和運行的前提下想要徹底解決蝸殼內(nèi)的水壓脈動是不現(xiàn)實的。本著最大限度降低對機組運行影響這一前提下，想要降低發(fā)電機層的振感，只能從發(fā)電機層本身入手，通過優(yōu)化機組上蓋板結(jié)構(gòu)，達到減少振動傳遞，進而降低振感是最具可行性的方案。

2 原發(fā)電機層上蓋板結(jié)構(gòu)分析

原發(fā)電機層上蓋板由12塊蓋板組成，敷設(shè)在發(fā)電機層最上方，內(nèi)圓6塊蓋板圓周均布，外圓6塊蓋板圓周均布，外圓的每一個蓋板上都開有供空氣冷卻器起吊用的長方形起吊孔，不使用時可用相配的封蓋封閉。內(nèi)圓蓋板最大弦長為3450mm，徑向最大距離為2115mm；外圓蓋板最大弦長為5355mm，徑向最大距離為1905mm，如圖1所示。

圖1 原上蓋板結(jié)構(gòu)俯視圖

內(nèi)圓蓋板和外圓蓋板的主體均為6mm厚鋼板制成，下表面焊接有部分角鋼以加強整體強度。內(nèi)圓蓋板一側(cè)把合在內(nèi)側(cè)固定塊上，另一側(cè)把合在連接支撐上；外圓蓋板一側(cè)把合在連接支撐上，另一側(cè)把合在蓋板基礎(chǔ)上。整個蓋板通過內(nèi)側(cè)支撐、連接支撐、外側(cè)支撐形成支撐鏈，由上機架支臂承重，見圖2。

圖2 原上蓋板結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

該結(jié)構(gòu)蓋板整體厚度僅為6mm，雖然下表面焊接有角鋼以加強整體強度，但由于蓋板整體外徑達到了10710mm，整體徑向長度4020mm，外圓單塊蓋板的弦長達到了5355mm，蓋板整體尺寸偏大，厚度偏薄，整體強度不佳；蓋板與上機架之間依靠內(nèi)側(cè)支撐、連接支撐、外側(cè)支撐形成間斷的支撐鏈，蓋板沒有和上機架形成整體，在機組振動時，蓋板由于自身面積大、自重低、與機架整體程度差等原因，會產(chǎn)生被動強制振動，這是上蓋板振感大的主要原因。此外，蓋板本體沒有隔音降噪設(shè)計也是主要原因之一。

3 處理措施

針對該機組上蓋板振感大的問題，最佳的處理方案就是專門設(shè)計一套可以顯著降低振感的上蓋板結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于該機組上。針對原機組上蓋板的結(jié)構(gòu)缺陷，新結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計的主要思路是：(1)增大單塊蓋板自身厚度，同時增加單塊蓋板面積，加強單塊蓋板結(jié)構(gòu)性強度；(2)增加隔音、降噪設(shè)計；(3)蓋板與上機架之間設(shè)計連續(xù)的剛性支撐，增加支撐強度和蓋板與上機架的整體性。

因為原機組的接口尺寸限制，優(yōu)化設(shè)計的新結(jié)構(gòu)應(yīng)充分考慮到與原機組接口尺寸的契合，如圖3所示，優(yōu)化設(shè)計后的上蓋板內(nèi)側(cè)的內(nèi)徑、外側(cè)的外徑與原機組蓋板一致，整圓仍采用6塊蓋板圓周均布，這就保證了在安裝、使用新結(jié)構(gòu)的上蓋板時，不需對上機架進行二次加工，節(jié)約施工成本；如圖3、圖4所示，優(yōu)化結(jié)構(gòu)為提高上蓋板與上機架的整體性和剛強度，首先，在每兩個上機架支臂之間設(shè)計有支撐橫臂以加強上機架對上蓋板的支撐和一體化程度，第二，蓋板內(nèi)側(cè)通過內(nèi)圓支撐與上機架中心體焊接固定，蓋板外側(cè)通過外圓支撐與發(fā)電機層基礎(chǔ)把合固定，兩側(cè)的支撐均使用工字型非獨立支撐結(jié)構(gòu)，在保證了內(nèi)外圓支撐剛度的同時，又加強了上機架與上蓋板的一體性；第三，蓋板下部與上機架支臂之間設(shè)計有整體支撐裝置，該裝置使用20mm厚鋼板焊接成工字形支撐，形成不間斷支撐將蓋板與上機架支臂最大程度的組成受力整體；第四，為增加蓋板本體的強度，蓋板本體使用10mm厚鋼板加工而成，相比舊結(jié)構(gòu)厚度增加了66%，強度得以大幅提升；在隔音降噪吸收振動方面，優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用了目前主流的立式水輪發(fā)電機隔音上蓋板結(jié)構(gòu)，即每塊蓋板由蓋板本體、加強鋼管、吸音防振材料、縱膈鋼板、密封鋼板、加強扁鋼組成，蓋板本體為10mm厚鋼板，下部由橫向均勻布置的加強矩形鋼管與縱向設(shè)置的縱膈鋼板組成交叉的網(wǎng)格裝隔斷，每一個隔斷內(nèi)部使用吸音防振材料填滿，再使用密封鋼板封住，最后使用加強扁鋼加固密封鋼板，防止密封材料泄露。這樣就在整個上機架上方形成了一個由隔音材質(zhì)構(gòu)成的“穹頂”，當噪音和振動從水輪機層隨機組運行逐層向上傳遞而來，就會在觸及隔音“穹頂”時被大量吸收，從而減少上蓋板上平面的振動和噪音，達到發(fā)電機層振感大幅減小的目的；上蓋板增加強度后與上機架緊密連接成整體，提高了一體性和整體剛度，可以將大量振感傳遞到基礎(chǔ)上，從而減小振動傳遞到上蓋板上層的幾率和量級。

圖3 新上蓋板結(jié)構(gòu)俯視圖

圖4 新上蓋板結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

4 新結(jié)構(gòu)蓋板固有頻率計算

由于機組的轉(zhuǎn)頻為5.55Hz，為避免新結(jié)構(gòu)蓋板的固有頻率與轉(zhuǎn)頻重疊導致引入新的振源，我們對新結(jié)構(gòu)蓋板的固有頻率進行核算，計算模型如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14所示。計算的頻率見表1，在任意一階的計算中，新結(jié)構(gòu)的固有頻率均避開了機組轉(zhuǎn)頻5.55Hz的±20%，未引入新振源。

圖5 第一階振型

圖6 第二階振型

圖7 第三階振型

圖8 第四階振型

圖9 第五階振型

圖10 第六階振型

圖11 第七階振型

圖12 第八階振型

圖13 第九階振型

圖14 第十階振型

階次頻率值Hz19.8229.8539.8849.91510.00610.08717.43817.61917.651017.71

5 優(yōu)化處理后的效果

該電站目前已按照優(yōu)化設(shè)計方案對原機組進行了改造，全面使用了新結(jié)構(gòu)的上蓋板。優(yōu)化設(shè)計后的蓋板單塊蓋板強度更好，蓋板本體厚度更大、強度更好；下部由橫向均勻布置的加強矩形鋼管與縱向設(shè)置的縱膈鋼板組成交叉的網(wǎng)格裝隔斷，結(jié)構(gòu)強度大大增加，抗振性好；優(yōu)化設(shè)計后的蓋板下部每一個隔斷內(nèi)部使用吸音防振材料填滿，可以很好的吸收振動和聲噪，隔音防振效果好；優(yōu)化設(shè)計后的蓋板與上機架之間設(shè)計有與蓋板徑向長度相當?shù)氖褂?0mm厚鋼板焊接成工字形支撐，并且在每兩個支臂之間設(shè)計有支撐橫臂以加強上機架對上蓋板的支撐，這就使得蓋板與上機架的整體性大大增強，可以使得上機架和機坑基礎(chǔ)分擔部分振動，減振效果明顯。目前機組運行良好，上蓋板上方振感已顯著減小，達到了優(yōu)化工作環(huán)境、減小電站運行安全隱患的目的。

圖15 優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)使用安裝

6 結(jié)語

對于高轉(zhuǎn)速懸式機組和抽水蓄能機組來說，由于機組轉(zhuǎn)速高或結(jié)構(gòu)性原因帶來的機組振動對發(fā)電機層工作人員的工作環(huán)境影響極大，使用本結(jié)構(gòu)的蓋板雖不能從根本上解決機組由于脈動水壓帶來的整體振動，但能有限改善上蓋板振感，全面改善機組運行環(huán)境，本文中提出的優(yōu)化蓋板的設(shè)計方案已經(jīng)在某抽水蓄能電站應(yīng)用，也為后續(xù)其他電站解決該問題提出一個好的方案和成功案例。

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