关于大型抽水蓄能电站地下厂房结构振动特性的研究

关于大型抽水蓄能电站地下厂房结构振动特性的研究

唐红

身份证号码：13040219670629xxxx

摘要：近年来，伴随着社会上用户需求逐渐提升，更多的大型抽水蓄能电站投入使用中，大型抽水蓄能电站在实际运行中，会产生结构振动，引发系统支撑结构振动，严重的情况下将会导致蓄能电站停机。为了实现大型抽水蓄能电站的稳定运行，需要掌握地下厂房结构的振动特性，以预先采取措施，降低大型抽水蓄能电站停机几率。基于此，在本文中将对大型抽水蓄能电站地下厂房结构振动特性进行研究。

关键词：大型抽水蓄能电站；地下厂房结构；振动特性；研究

前言：水电站厂房是水利工程中的重点建筑之一，水电站厂房的振动会限制机组的正常运行，并且损失发电量，最为严重的就是其对于人体的健康产生影响。因此，对于大型抽水蓄能电站地下厂房结构的振动特性进行研究，在保障水电站发展方面具有较为积极的意义。因此，在本文中通过实际的工程，采用限元分析方法，建立抽水蓄能电站厂房有限元模型，对水电站的主厂房进行动力计算。

1.水电站工程概况

某大型抽水蓄能电站中安装了4台单机250MW的机组，该机组的额定水头为300米，在实际运行环节中的额定流量在95%以上，额定转速在330r/min以上。该大型抽水蓄能电站的地下厂房位于该水电站水道系统尾部位置。地下厂房主要由母线洞、主变运输洞、交通洞、排风洞、地面出现场等组成。地下厂房洞室内自左至右依次为副厂房、主机间、安装场等。发电机层以下结构为现浇混凝土整体结构，机组周围混凝土结构主要由蜗壳、机墩、风罩等组成，机组的四周边墙结构为混凝土连续墙结构，在实际应用中抗震性比较强。对该厂房的实际情况进行调查，发现该厂房在投产运行以来，一直存在着振动与噪声，基于这样的问题为周围设备的安全稳定运行带来严重的影响[1]。

2.基于有限元模型下的机组频率分析

2.1机组有限元模型

在地下厂房结构的有限元模型分析中，其计算软件一般采用的国际上通用的有限元软件ANSYS，该软件最大的特点就是能够进行事前处理、事中求解和事后的处理。在实际应用中，该软件融合了结构力学、电场、磁场、声场分析等技术，目前基于该软件的这些特性使其能够直接应用到水利工程机组分析中。该水电站中，抽水蓄能地下主厂房的有限元模型中截取了一组两台水轮机作为支撑，在具体的应用中，为了能够得到比较精确的计算结果，需要考虑厂房的实际结构特点基础上，对地下厂房进行合理化划分。按照有限元的理论，其模型的选择需要尽可能的反映出厂房的实际结构特点与尺寸，并且以单元的形式进行模拟[2]。

水电站地下厂房下部分以大体积混凝土结构为主，上下游边墙对其围岩有着一定的约束作用。在主厂房的计算模型中，全部采用的是实体单元，对于实体单元的网格进行多层次的划分，如，在实体单元中振动比较强烈的环节，可以对其进行细化处理，基于这样的方式能够有效地提升振动计算的精确度。反之，如果在实体单元中振动比较弱的环节，其网格的计算可以比较粗略，能够降低系统计算量。主厂房的整体计算模型节点超过了46000个，在计算模型中确定Z轴为正方向，X轴和Y轴为水平坐标。在有限元计算模型中需要忽视对于振动反应影响较小的孔洞，模拟振动比较大的孔洞[3]。

2.2机组运行频率分析

通过有限元模型的分析，能够发现在地下厂房结构振动中主要振动类型有：机械振动、电磁振动、水利振动、其他振动。根据不同类型振动频率的分析，机械振源产生的原因是机组正常运行时所产生的振动，或者机组飞逸工作下所引起的振动，其频率范围为5.55~11.11Hz。电磁振源产生的原因为定子的极频转动或者是尾水管低频涡带，其频率范围为50~100Hz。水力振源产生的原因为尾水管中频涡带，或者是转轮叶片数振动，其频率范围为4.44~6.67Hz，或者导水叶后压力脉动所引起的振动，频率为133.32Hz。

3.厂房结构振源分析

3.1主厂房的自振结构分析

在大型水电站抽水蓄能环节中，地下主厂房由于自身结构的自振也会导致系统出现故障。在不同频率下的自振，其产生位置以及产生原因不同。频率为14.124Hz的振型描述为厂房上部结构左侧横向弯曲振动；频率为16.464Hz的振型描述为厂房上部扭转振动；频率范围为18.780~24.196Hz的振型描述为发电机层楼板左侧竖向振动；频率为24.817的振型描述为发电机层楼板上游侧两机组之间的竖向振动；频率范围26.651~27.895Hz的振兴描述为发电机组、母线层楼板竖向振动，上下游边墙横向振动。频率范围为30.213~31.010Hz的振型描述为水轮机层楼板左侧上游侧竖向振动，蜗壳层上游边墙横向振型[4]。

3.2厂房结构共振

已知，在地下厂房机组运行中，机械振源的频率达到2倍的飞逸转速的情况下，机组结构才能够产生共振的情况。但是，实际工况中飞逸转速持续时间比较短，2倍频率共振出现的情况比较少，导致厂房发生共振可能性微乎其微。由于地下水电站建设的结构十分复杂，刚度的分布比较不均匀，自振特性也比较复杂，从自振频率分布的情况来看，其自振频率分布比较细密，各个振源的差别不大。具体的运行中，如果整体上不发生共振的情况，也不能直接表明了局部结构上不会发生共振。而本文所研究的水电站目前尚未有发生共振的情况，但是仅仅在刚度较小的结构部位产生的振动和噪声，对于水电站的运行安全就产生了极大的威胁[5]。

4.主厂房结构动力响应分析

在大型的抽水蓄能水电站厂房水轮机室内，其结构的特殊使得脉动压力比较大，部分结构的脉动压力已经超出了结构运行标准。特别是水电站在高水头和大负荷的工况运行下，其具有一个明显的涡流振动区域，涡流振动主要发生在导水叶和转轮叶片之间的流道内。当结构运行中出现比较大的压力情况下，使得蜗壳外围的混凝土结构和机组的支撑结构之间发生比较强裂的振动。基于这样的情况，在主厂房结构动力较大时，如果发动机层楼板水下结构比较薄弱时，比较容易引发振动。并且在自振频率比价接近压力脉动主频率时结构系统会出现共振。因此，在对于水电站主厂房的结构动力进行分析中，需要进行各个部门的压力脉动分析，将振动部件找到。

对于蜗壳脉动压力的厂房结构动力响应进行分析，能够得到以下结论：在0.1MPa的幅值脉动压力下，水压力的频率在5.555Hz、50Hz、100H，相比之下蜗壳发生位移和加速度都比较小，结构比较安全。在频率为100Hz时将会引起振动的加速度比较大。

5.结论

综上所述，在本文中经过某大型的抽水蓄能电站地下厂房运行情况进行分析，得出机组频率特性，常见的振源有：机械振动、电磁振动、水利振动、其他振动。然后进行机组的自振与共振振源分析，实际工况中飞逸转速持续时间比较短，2倍频率共振出现的情况比较少，导致厂房发生共振可能性比较小。在对于蜗壳脉动压力的厂房结构动力响应进行分析中，在频率为100Hz时将会引起振动的加速度比较大。

参考文献：

[1]杨静.水电站厂房机组支承结构振动分析及结构优化[D].大连理工大学,2006.

[2]沈益源.大型地下厂房开挖施工中的关键技术问题研究[D].浙江大学,2006.

[3]孙万泉.水电站厂房结构振动分析及动态识别[D].大连理工大学,2004.

[4]陈婧,王粉玲,马震岳.大型抽水蓄能电站地下厂房结构振动响应分析[J].水利与建筑工程学报,2013,06:78-81.

[5]李慧君.水电站地下厂房内源振动计算模型和边界条件的研究[D].大连理工大学,2009.