某抽水蓄能電站地下廠房結(jié)構(gòu)動力特性研究

黃 躍

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510000）

抽水蓄能電站，又稱蓄能式水電站，可以解決電網(wǎng)高峰與電網(wǎng)低谷之間的供需矛盾。它將電網(wǎng)低峰期的多余電能，轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻迤诘母邇r值電能，通過調(diào)頻、調(diào)相，穩(wěn)定電力系統(tǒng)的周波和電壓，能提高電網(wǎng)中火電站和核電站的效率。水電站廠房是水電樞紐的重要組成部分，是將水能轉(zhuǎn)化為電能的綜合工程設(shè)施，隨著更多的抽水蓄能電站陸續(xù)投入正常運(yùn)營[1]，抽水蓄能電站在我國電網(wǎng)的調(diào)峰過程中扮演著越來越重要的角色[2]，電站地下廠房是抽水蓄能電站的最重要組成部分之一，其結(jié)構(gòu)安全將得到更多重視。與普通水電站相比，抽水蓄能電站地下廠房孔洞多、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整體和局部剛度相差大、圍巖與廠房之間相互作用機(jī)理復(fù)雜，振動問題一直是抽水蓄能電站地下廠房運(yùn)行安全的難點(diǎn)，所以，對抽水蓄能電站地下廠房進(jìn)行動力分析及其安全評價具有重大意義。本文以某抽水蓄能電站的工程實際情況為例，利用三維有限元分析方法，對該抽水蓄能電站主廠房一臺機(jī)組進(jìn)行了動力特性及動力響應(yīng)分析研究。

1 自振特性分析及共振校核

1.1 工程概況

某抽水蓄能電站為二等大（2）型工程，地下廠房按2 級建筑物設(shè)計。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按100 年一遇洪水設(shè)計，500 年一遇洪水校核。地下廠房采用首部式布置，引水系統(tǒng)采用一洞三機(jī)的聯(lián)合供水方式。機(jī)組額定水頭308 m。

主廠房洞室開挖長度130.5 m，由主機(jī)間和安裝場、副廠房三部分組成。機(jī)組間距22.50 m，端機(jī)組長度27.50 m，機(jī)組之間設(shè)伸縮縫，縫面設(shè)置止水，縫內(nèi)設(shè)置彈性材料。水輪機(jī)安裝高程為184.500 m。主機(jī)間分四層布置，從上至下依次為：電動發(fā)電機(jī)層（高程為200.40 m），母線層（高程194.20 m），水泵水輪機(jī)層（高程188.20 m），尾水管底板開挖高程172.100 m。電動發(fā)電機(jī)層和母線層、水泵水輪機(jī)層樓面結(jié)構(gòu)采用厚板結(jié)構(gòu)，暫定樓板厚均為1000 mm。

1.2 計算方案

地下廠房開挖后，周圍巖體狀態(tài)發(fā)生了改變，對地下廠房產(chǎn)生了約束作用，而該約束作用對結(jié)構(gòu)動力有著或強(qiáng)或弱的影響。本文利用有限元軟件ANSYS 采用5 種邊界條件施加彈簧單元，模擬圍巖對廠房結(jié)構(gòu)的彈性約束作用，對這種約束作用的方式進(jìn)行定量分析，計算工況表見表1。

表1 計算方案

計算自振特性時，需考慮機(jī)組設(shè)備的質(zhì)量，在計算中用附加質(zhì)量單元mass21 單元模擬，在各計算方案中機(jī)組設(shè)備的附加質(zhì)量均保持一致。

（1）機(jī)組轉(zhuǎn)動部分偏心引起的振動

（2）轉(zhuǎn)動部分與固定部分碰撞引起的振動

（3）軸承間隙過大，主軸過細(xì)引起的振動

（4）主軸法蘭推力軸承安裝不良、軸曲引起的振動機(jī)組固有振動頻率為：額定轉(zhuǎn)速時飛逸轉(zhuǎn)速。

1.3 自振動特性分析

工況1～5 廠房整體結(jié)構(gòu)前20 階自振頻率見圖1。

圖1 工況1～5 前20 階自振頻率

采用自由邊界時，廠房第一階振型為整體水流向振動（10.352 Hz），第二階為縱軸線方向振動（10.794 Hz）。采用自由邊界時的廠房前20 階頻率均小于采用彈性約束時的頻率。

當(dāng)采用三向彈性約束條件時，廠房整體自振頻率有所提高。對比工況2 與工況3，三向彈性約束相比于法向彈性約束在一定程度上對廠房整體自振頻率有所提高。在采用工況3 彈性約束條件時，我們觀察實驗結(jié)果，實驗結(jié)果表明，彈性約束對于增加廠房整體自振頻率較為有效，但是對于局部結(jié)構(gòu)自振頻率效果十分有限。

當(dāng)采用不同圍巖類型時，對比工況2、工況4、工況5。當(dāng)圍巖單位彈性抗力系數(shù)由55 MPa/cm 增大到135 MPa/cm 時，其變化情況對廠房整體和局部結(jié)構(gòu)的自振頻率影響較小。從結(jié)果看，工況4 最大增幅5.5%，工況5 最大增幅為9.5%，而大部分的頻率增幅在5%以下。例如工況2 和工況5 第3 階均為吊物孔附近的三層樓板豎向振動的起振頻率，二者相差僅0.2 Hz。

增加地下廠房的上下游邊界的切向彈性約束可以提高廠房的整體自振頻率，但對局部自振頻率影響不大。圍巖單位彈性抗力系數(shù)對廠房結(jié)構(gòu)的自振頻率影響較小。局部自振頻率與整體自振頻率相差較大，母線層樓板自振頻率比發(fā)電機(jī)層較高，約束較強(qiáng)。孔洞處的振動較強(qiáng)烈。

尾水管內(nèi)低頻渦帶、機(jī)組額定轉(zhuǎn)頻與廠房整體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)前20 階自振頻率具有足夠的錯開度，有利于廠房抗振。轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)頻率與母線層、水輪機(jī)層立柱的1 階自振頻率無足夠的錯開度，會引起共振，需要采取防振措施；而其與其他結(jié)構(gòu)較高階自振頻率錯開度不夠，是否會引起共振需要進(jìn)一步研究。其他振源可能引發(fā)的共振需要按安裝生產(chǎn)過程的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，盡量避免機(jī)械振源和電磁振源。

2 廠房結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

運(yùn)用動力諧響應(yīng)方法分析某地下廠房結(jié)構(gòu)在機(jī)組振動荷載作用下的動力響應(yīng)情況，其計算工況見表2。

表2 計算工況表

（1）機(jī)組額定運(yùn)行工況屬于長期組合，機(jī)墩結(jié)構(gòu)振幅能夠滿足規(guī)范規(guī)定（0.1 mm、0.15 mm）。停機(jī)熱態(tài)工況、兩相短路工況、半數(shù)磁極短路工況和非同期并網(wǎng)工況屬于短期組合，計算結(jié)果表明，這4 個工況下廠房各典型部位振幅、速度、加速度均較小。

（2）機(jī)組正常運(yùn)行時，機(jī)墩水平動應(yīng)力較低，不超過0.2 MPa，豎向最大動應(yīng)力為0.482 MPa；停機(jī)熱態(tài)工況、兩相短路工況、半數(shù)磁極短路工況和非同期并網(wǎng)工況下機(jī)墩水平動應(yīng)力有所增大，主要是機(jī)墩上水平動荷載較大引起，其中非同期并網(wǎng)工況機(jī)墩第一主應(yīng)力達(dá)到了0.931 MPa。高壓強(qiáng)容易導(dǎo)致廠房的機(jī)墩結(jié)構(gòu)局部受損，故應(yīng)積極采取諸如避免機(jī)組進(jìn)入非同期并網(wǎng)工況等措施規(guī)避風(fēng)險的發(fā)生。

（3）機(jī)組正常運(yùn)行時，上下游墻的振幅、速度和加速度都非常??；機(jī)組進(jìn)入事故工況時，尤其是非同期并網(wǎng)工況，上下游墻的振幅、速度和加速度明顯增大，但距離建議限值仍然較遠(yuǎn)；五個工況下，上下游墻的動應(yīng)力水平都非常低，機(jī)組振動荷載對墻體的強(qiáng)度不構(gòu)成影響。由于機(jī)組振動荷載對距離機(jī)墩相對較遠(yuǎn)的上下游墻的影響非常小，即便圍巖與上下游墻體緊貼，機(jī)組振動荷載對圍巖的受力和穩(wěn)定影響也是有限的。

3 防振動的措施和建議

地下廠房結(jié)構(gòu)的動力分析表明，各層立柱振動影響較大。各層立柱振型以水平向為主，且各層立柱豎向有約束，所以對結(jié)構(gòu)柱的措施應(yīng)主要是增強(qiáng)其水平向剛度，可采取措施為在結(jié)構(gòu)柱之間設(shè)置橫梁、增加結(jié)構(gòu)柱截面面積、四周包裹安裝鋼板等。在各層結(jié)構(gòu)柱或結(jié)構(gòu)柱和邊墻之間增設(shè)結(jié)構(gòu)柱，極可能對水電站的日常維護(hù)和巡查人員的工作帶來不便；而增加結(jié)構(gòu)柱的面積在已建的水電站中只能結(jié)構(gòu)柱外側(cè)再次包裹混凝土，由于有些電站結(jié)構(gòu)柱和吊裝孔距離較小，增加結(jié)構(gòu)柱面積可能會影響到吊裝孔的使用，可能對檢修帶來不必要的麻煩，所以可采取四周包鋼板的形式對結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行剛度增強(qiáng)或設(shè)置阻尼器。各層樓板的孔洞處剛度較低，振動較強(qiáng)烈，是樓板的最薄弱部位。應(yīng)該采取措施對其進(jìn)行處理，配置相應(yīng)的加強(qiáng)筋。廠房整體結(jié)構(gòu)第1 階自振頻率與飛逸轉(zhuǎn)頻沒有足夠的錯開度，但飛逸狀態(tài)時間很短，即使進(jìn)入飛逸狀態(tài)也不會對廠房結(jié)構(gòu)造成較為明顯的影響。發(fā)電機(jī)層樓板第9～20 階和母線層樓板6～12 階自振頻率與定子極頻（50 Hz）無足夠錯開度，考慮到電磁振動持續(xù)時間較短，一般不會引起結(jié)構(gòu)的持續(xù)振動。轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)頻率（56.25 Hz）與發(fā)電機(jī)層樓板第11～20 階、母線層樓板第7～17階自振頻率無足夠錯開度，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)頻率對該區(qū)域樓板振動的影響。

母線層、水輪機(jī)層和蝸殼層立柱前20 階自振頻率主要與定子極頻（50 Hz、100 Hz）、推力軸瓦數(shù)（75 Hz）、定子鐵芯合縫不嚴(yán)（50 Hz、75 Hz、100 Hz）、轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)頻率（56.25 Hz）、卡門渦（80 Hz）、以及氣蝕（100 Hz）引起的激振頻率錯開度不夠。推力軸承制造不良屬于機(jī)械加工問題，隨著制造工藝水平的提升，目前基本能夠保證其質(zhì)量，產(chǎn)生共振的可能性和危害性較低。而定子鐵心合縫不嚴(yán)同樣屬于制造安裝問題，需要施工安裝時引起注意。風(fēng)罩結(jié)構(gòu)和機(jī)墩結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)頻率可能發(fā)生共振，重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)頻率以及其2 倍頻率對風(fēng)罩結(jié)構(gòu)振動的影響大小，建議開展進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)語

在水利工程設(shè)計過程中,水電站廠房的動力特性是設(shè)計師重點(diǎn)考慮的問題,是判斷電站廠房安全的主要指標(biāo)之一。抽水蓄能電站由于其特殊的功能性，抽水蓄能電站在我國電網(wǎng)的調(diào)峰過程中扮演著越來越重要的角色。本文分析了在不同約束條件下廠房的振動情況，對廠房進(jìn)行自振特性分析。并結(jié)合某抽水蓄能電站自身條件分析其激勵振源，對廠房進(jìn)行了共振校核及諧響應(yīng)分析。本文研究發(fā)現(xiàn)邊界約束對廠房結(jié)構(gòu)的動力特性影響很大。而在有限元計算中，本文對邊界條件的模擬只是初步的，更精確邊界條件的探索需要結(jié)合大量的工程實例。