仙居抽水蓄能電站地下廠房振動 な值模擬分析與安全評價(jià)

曹璽

摘要：廠房振動問題為抽水蓄能電站設(shè)計(jì)關(guān)鍵，以仙居抽水蓄能電站為實(shí)例，對地下廠房進(jìn)行共振復(fù)核和振動反應(yīng)分析評價(jià)，在總結(jié)國內(nèi)外控制標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了適用該工程的振動控制標(biāo)準(zhǔn)建議值。有限元計(jì)算分析表明，機(jī)墩結(jié)構(gòu)豎向振幅稍大，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中予以關(guān)注；廠房整體結(jié)構(gòu)和主要構(gòu)件的共振復(fù)核滿足要求，地下廠房發(fā)生共振的可能性較小。振動最大位移、速度和加速度響應(yīng)幅值均滿足所擬定控制標(biāo)準(zhǔn)要求，其中立柱結(jié)構(gòu)的振動均方根加速度偏大，但頻率計(jì)權(quán)加速度幅值較小，可滿足要求。針對立柱等局部構(gòu)件振動反應(yīng)偏大的情況，探討了局部加固措施對降低振動強(qiáng)度的有效性，為同類型廠房抗振動優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站廠房；數(shù)值分析；結(jié)構(gòu)振動；抗振設(shè)計(jì)

中圖分類號：TV7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

16721683（2018）04019507

Numerical analysis and safety evaluation of the underground powerhouse of the Xianju pumpedstorage Project

CAO Xi1，LIU Qiming1，ZHAN Hao1，MA Zhenyue2，ZHU He2

（

1.Zhejiang Xianju Pumpedstorage Limitation Company，Xianju 317300，China；

2.Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Abstract：The vibration problem of powerhouse is the key in designing pumped storage power plant.This paper took Xianju Pumpedstorage Project，one of the largest projects in China，as a case study.We conducted resonance check and vibration response evaluation of the underground powerhouse，and proposed the vibrationcontrol standard values for Xianju project.The analysis showed that attention should be paid to the vertical amplitude of machine pier in structure design as it is slightly larger than the control value.The resonance check showed that the overall structure of the powerhouse and its main components meet the code requirements，so the possibility of underground powerhouse resonance is small.The maximum vibration displacement，velocity，and acceleration all meet the requirements of the proposed vibrationcontrol standard.The vibration root mean square acceleration of the column structure is slightly large，but the frequencyweighted acceleration amplitude is small，so it meets the proposed vibrationcontrol standard.In view of the situation where the vibration response of some local members such as the column is slightly large，we discussed the effectiveness of taking local reinforcement measures to reduce the intensity of vibration.This paper can provide a reference for the antivibration optimization design of similar powerhouses.

Key words：

pumpedstorage station powerhouse；numerical analysis；structure vibration；antivibration design

隨著水輪發(fā)電機(jī)組容量和水頭的不斷提高，機(jī)組振動問題日益突出，由于涉及到水機(jī)電結(jié)構(gòu)的耦聯(lián)振動，問題更為復(fù)雜，雖經(jīng)過長期大量的研究，其準(zhǔn)確預(yù)測和完善解決仍較困難[15]。機(jī)組振動荷載傳遞到廠房支承結(jié)構(gòu)上，會誘發(fā)廠房結(jié)構(gòu)的整體或局部振動。[JP]國內(nèi)外大中型水電站均有機(jī)組振動誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破損而影響電站正常運(yùn)行的實(shí)例[6，7]。抽水蓄能電站因?yàn)榫哂懈咚^、高轉(zhuǎn)速、雙向運(yùn)轉(zhuǎn)、過渡過程復(fù)雜等特點(diǎn)，機(jī)組振動誘發(fā)的廠房結(jié)構(gòu)振動問題較常規(guī)電站更為突出，已成為廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一[8]。我國最近建成運(yùn)行的多座蓄能電站[919]，如西龍池、惠州、天荒坪、寶泉、張河灣、蒲石河等，均發(fā)生過不同程度的機(jī)組振動問題，其中也存在廠房振動現(xiàn)象，[JP]因此在大型蓄能電站廠房設(shè)計(jì)中，均開展振動穩(wěn)定性分析評價(jià)與抗振優(yōu)化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)階段盡可能對振動加以預(yù)測和控制[2023]。

高水頭高轉(zhuǎn)速可逆式機(jī)組機(jī)械、電磁和水力振動荷載的幅頻特性更為復(fù)雜，誘發(fā)廠房結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)特性也十分復(fù)雜[24，25]。廠房是機(jī)組重要的支承結(jié)構(gòu)，故機(jī)墩必須要具有足夠的支承剛度，避開共振區(qū)，控制強(qiáng)迫振動幅值在允許范圍內(nèi)；發(fā)電機(jī)層樓板是調(diào)速器和機(jī)旁盤的基礎(chǔ)，對振動控制也有很高要求。因此，對廠房動力設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范中，主要以共振和機(jī)墩振幅作為控制標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于振動速度、加速度、動應(yīng)力和噪聲等，缺少明確的規(guī)定，以往多參照其他國際或國內(nèi)行業(yè)規(guī)范。[JP+1]在人體健康的影響評價(jià)上，主要以噪聲和所處位置的加速度等級為指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)[21]。電站內(nèi)部布置的調(diào)速器等儀器設(shè)備對振動也十分敏感，其振動控制指標(biāo)主要是振動速度。同時(shí)，廠房結(jié)構(gòu)也屬于建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)從振動位移和加速度等方面進(jìn)行評價(jià)。[JP]當(dāng)振動較大可能超標(biāo)時(shí)，需要研究結(jié)構(gòu)修改的抗振優(yōu)化設(shè)計(jì)措施。近些年來我國由于大批抽水蓄能電站的建設(shè)，對此開展了大量的研究，主要采用三維有限元分析方法，但每個(gè)電站各有其特點(diǎn)，目前還缺少普遍性的機(jī)理研究和成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[2223]。本文以仙居抽水蓄能電站為研究實(shí)例，參考國內(nèi)外有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)、動力機(jī)械基礎(chǔ)及人體健康的振動控制標(biāo)準(zhǔn)，從共振復(fù)核、剛度設(shè)計(jì)、強(qiáng)迫振動計(jì)算和抗振優(yōu)化設(shè)計(jì)等角度，利用三維有限單元法，[JP]對廠房振動加以預(yù)測和控制，為廠房動力設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，也為同類型工程抗振設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供參考。[HJ]

1計(jì)算模型及方法

浙江仙居抽水蓄能電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，電站裝機(jī)容量為1 500 MW（4×375 MW）。電站樞紐主要包括上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面開關(guān)站及下水庫，其中下水庫為已建下岸水庫等。地下廠房系統(tǒng)主要由主/副廠房洞、進(jìn)廠交通洞、母線洞、主變洞、主變運(yùn)輸洞、500 kV出線洞、通風(fēng)兼安全洞及各層排水廊道等洞室群組成，另有500 kV開關(guān)站等地面建筑物。廠房區(qū)域的圍巖為灰白、灰綠色角礫凝灰?guī)r、凝灰?guī)r，巖石致密堅(jiān)硬，巖體呈中厚層狀結(jié)構(gòu)，局部為薄層狀，斷層不發(fā)育，以Ⅱ類圍巖為主，斷層破碎帶附近為Ⅲ類圍巖，工程地質(zhì)條件較好。

主廠房寬度為250 m，機(jī)組段總長度113 m，機(jī)組中心距265 m。地下廠房采用一機(jī)一縫布置形式，1號至4號機(jī)組段長度分別為320 m、265 m、265 m、280 m。地下廠房尺寸大，型式和受力復(fù)雜，振動穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)研究的最關(guān)鍵問題之一，必須進(jìn)行振動評價(jià)、剛度復(fù)核和抗振設(shè)計(jì)。

[BT3]1.1有限元模型及參數(shù)取值

選取中間2號機(jī)組段建立三維有限元計(jì)算模型，整體模型見圖1，材料計(jì)算參數(shù)見表1。采用商業(yè)有限元軟件ANSYS進(jìn)行有限元計(jì)算，廠房主體采用三維實(shí)體單元建模，規(guī)定上下游方向（橫向）為X軸，機(jī)組段縱向方向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸。模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為101 542個(gè)，實(shí)體單元127 535個(gè)，彈簧單元5 734個(gè)。左右側(cè)為自由，模型底部采用固定約束。用彈簧單元來模擬上下游側(cè)圍巖約束邊界條件，在邊界節(jié)點(diǎn)上加法向彈性約束，其剛度按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

1.2振源頻率特性和共振復(fù)核要求

水電站廠房裝備有水輪發(fā)電機(jī)組和各種機(jī)械及電氣設(shè)備，水電站廠房的振源特性比較復(fù)雜，振動頻率的范圍從低頻到高頻、從低階到高階。甚至振動的形式和出現(xiàn)的范圍都是不確定的，必須要根據(jù)機(jī)組、廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)組、電氣設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行深入研究。本文依照水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范中自振頻率與共振頻率的錯(cuò)開度大于20%的要求進(jìn)行共振復(fù)核，表2列出了仙居電站主要振源類型及頻率。

2振動計(jì)算結(jié)果與討論

2.1自振特性及共振復(fù)核

有限單元法計(jì)算的廠房整體結(jié)構(gòu)的前20階固有振動頻率列于表5中。由圖3可知，基頻對應(yīng)的振型表現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)的縱向運(yùn)動和主廠房各層樓板的豎向振動，說明整體結(jié)構(gòu)在其上下游側(cè)墻邊界條件為水平約束條件下，廠房橫向剛度較高，縱向剛度和樓板的豎向剛度較低。前6階振型中均表現(xiàn)為樓板的豎向振動，這是由于樓板結(jié)構(gòu)的剛度遠(yuǎn)小于風(fēng)罩、機(jī)墩和蝸殼等主體結(jié)構(gòu)的剛度，所以樓板與梁柱結(jié)構(gòu)的振動較為突出。

由自振頻率計(jì)算結(jié)果可知，自振頻率分布很密集，相鄰各階頻率之間差別不大，且主要表現(xiàn)為上部樓板、梁柱結(jié)構(gòu)和風(fēng)罩的聯(lián)合振動，各部分各構(gòu)件的主振型出現(xiàn)的階次不同，因此，除對地下廠房結(jié)構(gòu)的基頻進(jìn)行共振校核外，還需適當(dāng)考慮激振荷載頻率與地下廠房結(jié)構(gòu)中高階自振頻率產(chǎn)生共振的可能性，本文對結(jié)構(gòu)前20階自振頻率進(jìn)行共振校核。

比較表2和表5可知，廠房整體結(jié)構(gòu)的基頻相對較低，可能與機(jī)組振源遇合而發(fā)生共振的主要是飛逸轉(zhuǎn)速頻率和2倍轉(zhuǎn)頻，分析認(rèn)為，飛逸工況是過渡過程，運(yùn)行時(shí)間短，危害相對較??；實(shí)際工程中出現(xiàn)2倍轉(zhuǎn)頻的不平衡振動的也比較少，只要機(jī)組制造和安裝質(zhì)量有保證是可以避免的。因此，廠房整體結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的可能性相對很小。

各層樓板結(jié)構(gòu)的自振頻率在20 Hz以上，高于轉(zhuǎn)速頻率較多，又低于轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)頻率和電磁頻率，出現(xiàn)共振的可能性也不大；中間層樓板前幾階頻率（除基頻）比較接近50 Hz和5625 Hz，水輪機(jī)層樓板的基頻比較接近50 Hz和5625 Hz，且低頻參與系數(shù)較大，與電磁振源和水力振源發(fā)生共振的可能性稍大，需要重點(diǎn)關(guān)注。但總體上高階振型參與系數(shù)較小，樓板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)共振的可能性較小。

各層立柱結(jié)構(gòu)的前20階分布在30～110 Hz范圍，與機(jī)組的電磁振動頻率（50，100 Hz）、轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)頻率（5625 Hz）及其倍頻（1125 Hz）、導(dǎo)葉后卡門渦頻率（125 Hz）的錯(cuò)開度均較小，存在明顯的共振可能。可逆式機(jī)組的靜動翼干涉水力振動是比較主要的振源，引起固定結(jié)構(gòu)振動的激振頻率主要是2倍頻，即1125 Hz，而不主要是5625 Hz。雖然該頻率（1125 Hz）與立柱的高階自振頻率存在較大的共振可能性，但高階振型參與系數(shù)小，共振危險(xiǎn)性并不突出。

風(fēng)罩和機(jī)墩的若干階次的自振頻率也可能與50～100 Hz左右的壓力脈動頻率遇合，而存在共振可能。但1125 Hz的振動可能是主振源，遇合共振均為高階振動，共振的可能性和危害性不突出。

2.2動力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果與分析

2.2.1機(jī)組機(jī)械和電磁振動荷載作用效應(yīng)

本節(jié)重點(diǎn)進(jìn)行了廠房結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)行工況和事故工況下機(jī)組振動載荷作用下的振幅驗(yàn)算與振動反應(yīng)分析評價(jià)。風(fēng)罩、定子基礎(chǔ)、下機(jī)架、樓板、立柱等典型部位的最大振動響應(yīng)結(jié)果列于表6。振動評價(jià)主要依據(jù)表4的標(biāo)準(zhǔn)建議值。[JP2]從動力反應(yīng)分析結(jié)果可以看出，在額定負(fù)荷正常運(yùn)行工況下，機(jī)墩基礎(chǔ)截面的水平橫向與扭轉(zhuǎn)動位移之和最大值為007 mm，小于振動控制標(biāo)準(zhǔn)值；豎向振幅相對較大（018 mm），位于下機(jī)架基礎(chǔ)板處，這主要是由于正常運(yùn)行時(shí)，下機(jī)架基礎(chǔ)處的垂直動荷載較大，加之基礎(chǔ)板作用面積較小，變形集中現(xiàn)象比較顯著。因此有必要對其進(jìn)行作用面積上的均化處理，減小集中現(xiàn)象的影響。均化處理后位移值為012 mm，略微大于長期組合的規(guī)定值01 mm。樓板、立柱、風(fēng)罩等部位的振動位移均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。在各工況下，廠房結(jié)構(gòu)的振動速度和加速度反應(yīng)，絕大部分均滿足本文擬定的控制標(biāo)準(zhǔn)。只有中間層上游立柱的速度達(dá)到了1113 mm/s，[JP]略微大于設(shè)定的限值10 mm/s，說明振動反應(yīng)整體上并不大，僅僅是局部超標(biāo)。

在各運(yùn)行工況機(jī)組振動荷載作用下，機(jī)墩結(jié)構(gòu)和主廠房其他部位的動位移、振動速度、加速度均不是非常突出，結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)總體上滿足本文建議的控制標(biāo)準(zhǔn)要求。機(jī)墩豎向振幅偏大，有一定的振動變形集中成分，鑒于有限元計(jì)算方法與規(guī)范所采用的結(jié)構(gòu)力學(xué)法的模型選取、邊界條件和加載方式等均不相同，計(jì)算結(jié)果的差異性在所難免，因此，若結(jié)構(gòu)力學(xué)法的計(jì)算結(jié)果能夠滿足規(guī)范要求，可以不必修改機(jī)墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上加以保證即可。

[BT4]2.2.2水輪機(jī)壓力脈動作用效應(yīng)

選取水輪機(jī)模型試驗(yàn)的2個(gè)典型工況計(jì)算水輪機(jī)壓力脈動作用下的振動反應(yīng)。2個(gè)工況 的最大壓力脈動幅值分別為532%H和661%H，主頻率均為5625 Hz 和13489 Hz，導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前區(qū)域水力渦動最突出，屬于典型的靜動翼干涉。

兩個(gè)工況的振動反應(yīng)最大值列于表7 中。對于工況一，機(jī)墩振幅和樓板等結(jié)構(gòu)的加速度均比較小，在允許范圍內(nèi)；立柱的振動加速度均方根值稍微超出標(biāo)準(zhǔn)值，是由于振動頻率較高的原因，若采用頻率計(jì)權(quán)加速度，則僅為0021 m/s2，是可以滿足要求的。振動應(yīng)力均很小，最大僅有8371 kPa。工況二的計(jì)算結(jié)果基本與工況一接近。

因此，由于壓力脈動的主頻率較高，與立柱等結(jié)構(gòu)的自振頻率更為接近，振動加速度均方根值較為突出，接近于控制標(biāo)準(zhǔn)，但采用頻率計(jì)權(quán)加速度則幅值就很小。

實(shí)際上，抽水蓄能電站地下廠房的結(jié)構(gòu)形式基本相同，主要構(gòu)件的尺寸也相差不多；立柱結(jié)構(gòu)的斷面也都在10 m～12 m左右，層高也在3～4 m的范圍，其前幾階自振頻率均在30～80 Hz的范圍，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和修改的余地不大，是否會發(fā)生共振和強(qiáng)迫振動，與廠房和立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有關(guān)但不是決定性的，重要的是壓力脈動的強(qiáng)弱和主頻率的大小。

[BT2]3結(jié)構(gòu)抗振優(yōu)化設(shè)計(jì)措施探討

通過以上分析，[JP2]認(rèn)為廠房結(jié)構(gòu)整體上滿足振動復(fù)核要求，但也存在整體剛度偏低和局部振動較大的現(xiàn)象，如立柱的振動頻率更接近于轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)頻率等中高頻振源頻率，局部結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)幅值偏大。為此，進(jìn)一步對主廠房抗振加固的必要性和有效性進(jìn)行探討，重點(diǎn)探討了緊靠上游側(cè)圍巖[JP]的立柱間添加部分實(shí)體墻加固和部分立柱加大斷面的加固措施。

[BT3]3.1增設(shè)上游側(cè)實(shí)體墻的抗振效果評價(jià)

由上述計(jì)算可知，立柱在機(jī)組荷載作用下的縱向（Y方向）響應(yīng)相對較大，為此假定對此處的立柱進(jìn)行加固，措施是：在上游側(cè)的三個(gè)立柱之間增加實(shí)體墻結(jié)構(gòu)，墻厚等同于柱子截面尺寸。加固后的有限元模型見圖4。

加固后中間層立柱的基頻振動仍然主要以橫河向（Y方向）振動為主，[JP2]加固位置立柱的剛度提高了，而沒有加固的立柱的自振頻率基本沒有變化。對比加固前后的立柱自振頻率可知，立柱的前6階自振頻率最大提高了63%。因此，[JP]局部加固對立柱自振特性沒有顯著影響，不影響共振復(fù)核的規(guī)律和結(jié)論。

加固后發(fā)電機(jī)層樓板的振型有一定變化，一階自振頻率提高了387%。因此，廠房結(jié)構(gòu)的局部加固也不能有效提高樓板的剛度和動力性能，僅對結(jié)構(gòu)局部的振動特性有所改變。

進(jìn)一步研究采用修改修改后在脈動壓力激勵下的振動響應(yīng)，加固前后典型部位的動響應(yīng)列于表8中?？梢钥闯?，加固對水輪機(jī)層樓板以及立柱同一結(jié)點(diǎn)的位移、速度、加速度均有一定的改善作用，尤其對直接加固的部位，比如上游側(cè)的立柱和樓板，增設(shè)實(shí)體墻后加速度振幅降低很多；個(gè)別部位振動速

3.2增大立柱斷面的抗振效果評價(jià)

由于立柱的振動反應(yīng)相對較明顯，在結(jié)構(gòu)修改的方案探討中，重點(diǎn)對立柱的加強(qiáng)措施進(jìn)行研究。這里假定對主廠房四個(gè)邊角的四個(gè)立柱進(jìn)行加固，截面尺寸從1 m×1 m增大到12 m×12 m。加固前后中間層立柱振型基本沒有發(fā)生變化，前6階自振頻率分別提高了054%，116%，501%，754%，405%，323%。因此，對共振復(fù)核結(jié)論沒有明顯影響。

進(jìn)一步研究加大立柱斷面結(jié)構(gòu)修改后的壓力脈動振動響應(yīng)，典型位置最大振幅列于表9中。結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)稍微有所增大，但總體上數(shù)值比較小，屬于μm數(shù)量級的。振動速度和加速度響應(yīng)有所減小，但效果并不顯著，尤其是對于立柱的振動加速度，降低后基本可滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求，但降低的幅度并不突出。

4結(jié)語

本文采用三維有限單元法，對仙居抽水蓄能電站主廠房結(jié)構(gòu)振動特性進(jìn)行了全面分析評價(jià)，主要結(jié)論歸納如下。

（1） 廠房整體結(jié)構(gòu)和主要構(gòu)件的共振復(fù)核滿足要求，共振危險(xiǎn)性不顯著。

（2） 在機(jī)組振動荷載和壓力脈動激勵下的振動幅值不突出，總體上滿足擬定的控制標(biāo)準(zhǔn)要求。有限元法計(jì)算得到的機(jī)墩結(jié)構(gòu)豎向振幅稍大，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中予以關(guān)注。

（3） 立柱結(jié)構(gòu)的振動均方根加速度偏大，主要是由于壓力脈動的主頻率較高。但頻率計(jì)權(quán)加速度幅值較小，可滿足要求。因此，建議采用頻率計(jì)權(quán)加速度的評價(jià)方法，同時(shí)也應(yīng)在機(jī)組制造和運(yùn)行中對壓力脈動振源給予充分關(guān)注。

（4） 針對立柱振動較為突出的問題，探討了局部抗振加固方案，結(jié)果表明局部加固的總體效果不顯著，今后的抗振優(yōu)化設(shè)計(jì)還應(yīng)從總體布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上加以重視。

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