河床式水電站副廠房GIS室隔振研究

第一作者鄒奧斯男，研究生，1990年7月生

通信作者石長征女，講師，1983年12月生

河床式水電站副廠房GIS室隔振研究

鄒奧斯1，石長征1，伍鶴皋1，金健2，陳小東2

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢430072； 2.中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院，貴陽550008)

摘要：結合某河床式水電站實際工程，采用有限單元法，對尾水管內水流脈動壓力作用下阻尼彈簧隔振裝置對副廠房GIS室的振動影響進行了研究。結果表明：GIS室樓板由隔振彈簧支承于梁柱上后，對副廠房整體結構的振動特性影響很小，GIS室樓板與其支承結構的振動特性差異明顯；當隔振系統自振頻率在3.5~4.5 Hz時，隔振措施能兼顧隔離低頻和高頻脈動壓力的振動影響，特別是能有效減小因高頻脈動壓力引起的高振動速度和加速度，對結構振動控制十分有利。

關鍵詞：河床式水電站；副廠房；GIS室；隔振；脈動壓力；振動響應

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51179141)

收稿日期：2014-01-02修改稿收到日期：2014-06-13

中圖分類號:TV731.1文獻標志碼：A

Vibration isolation of GIS room in auxiliary powerhouse of an in-stream hydropower station

ZOUAo-si1,SHIChang-zheng1,WUHe-gao1,JINJian2,CHENXiao-dong2(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. Hydro China Guiyang Engineering Corporation, Guiyang 550008, China)

Abstract:The effect of a damping-spring isolator on the vibration response of GIS room in auxiliary powerhouse of an in-stream hydropower station under fluctuating pressures was analyzed with the finite element method based on one actual hydropower station. The results showed that the GIS room vibration isolation system has a small influence on the vibration characteristics of the global auxiliary powerhouse; but the differences between vibration characteristics of its floor and those of its supporting structure are obvious; when the natural frequency of the vibration isolation system is between 3.5 to 4.5 Hz, the vibration of the floor induced by both low and high frequency fluctuating pressures can be isolated; especially, the large vibration velocity and acceleration caused by fluctuating pressures with high frequencies can be reduced effectively, therefore, the vibration isolation system is beneficial to structural vibration control.

Key words:in-stream hydropower station; auxiliary powerhouse; GIS room; vibration isolation; fluctuating pressure; vibration response

對于河床式水電站，副廠房常布置在下游尾水平臺上部，那么由尾水管脈動壓力引起的振動將會直接傳遞到上部副廠房結構[1]。副廠房內通常布置有SF6全封閉組合電氣開關站設備(GIS)和中控室，如果副廠房長期處于振動較大的狀態，則可能導致GIS室金屬封閉管連接部位松動、連接螺栓松動等，造成重大電氣事故，同時也會引起副廠房內運行人員的身體不適。例如黃河上游龍羊峽水電站，330kVGIS開關站布置在尾水平臺上部副廠房內，1987年7月投產以來，出現多次斷路器接地故障，檢修發現部分螺栓松動、標記錯位，經分析造成這些問題的一大原因即是機組運行和水力脈動引起的振動[2]。因此有必要采取一定的措施來減小副廠房結構的振動，以保障設備的安全穩定運行和工作人員的身體舒適健康。除了控制振源外，采用隔振技術將結構與振源隔離以減小振動影響也是可行的措施之一。

隔振措施分為主動隔振和被動隔振，都是利用彈性支撐隔絕或減弱振動能量的傳遞，降低外加激勵引起的響應，從而實現減振降噪的目的。主動隔振是對振動源設備采取隔振措施，防止振動傳到其他場合，例如采用彈簧隔振系統后，火電廠磨煤機減振效率可達90%，且基礎臺座的重量也只有常規基礎的1/2[3]；淮陰三站大型燈泡貫流泵站在機墩四個角底部設置橡膠墊后動響應降幅在50%以上[4]。被動隔振是對怕受振動干擾的設備、儀器或人采取隔振措施，防止外來振動的影響，例如上海地鐵1號線上方某房屋采用隔振彈簧將浮置地板與基礎隔開，高頻部分衰減后實際振動加速度級遠小于標準規定的振動加速度級限制[5]。

目前隔振技術在土木建筑工程領域應用較為廣泛，電廠中輔機的隔振基礎運用也已非常普及，在水力發電領域，近些年來隔振技術也呈現出了較好的應用前景。例如三峽水電站水輪發電機大蓋每臺安裝224個彈簧隔振器，加裝彈簧隔振器后，水輪發電機大蓋的振動大大減小，保證了三峽機組的安全運行[6]。但是國內外尚無相關工程將隔振技術應用于水電站的副廠房結構，尤其是布置有重要設備的GIS室，因此本文針對在副廠房GIS室樓板采取隔振措施的某河床式電站，對結構的振動特性進行動力分析，研究在尾水管內水流脈動壓力作用下隔振措施對于GIS室樓板以及支承結構的影響。

1工程概況和計算模型

1.1　計算模型

某河床式水電站廠房由主機間、左端安裝間、下游副廠房、下游尾水閘墩、尾水渠、左岸進廠公路等建筑物組成，廠內安裝4臺單機容量180 MW的軸流轉槳式水輪發電機組。開關站設備為SF6全封閉組合電氣，布置在尾水平臺上部下游副廠房GIS室內。該河床式廠房流道尺寸較大，尾水管擴散段總寬度24.3 m，高度從5.25 m變化至10.70 m，尾水管內脈動壓力作用范圍較大。另外副廠房內布置重要電氣設備，GIS室和主變室的高度分別達到16 m和12 m，梁柱布置相對較少，對結構抗振不利。因此為了保證GIS室設備的正常穩定運行，嘗試采用隔振技術來減輕振動的影響。

圖1　有限元模型 Fig.1 Finite element model

圖2　GIS室隔振系統示意圖 Fig.2 Vibration isolation system in GIS room

1.2　材料參數

廠房結構座環和固定導葉為鋼材，進水口、蝸殼、尾水管和副廠房采用不同標號的混凝土，其中副廠房結構采用C25混凝土。計算中采用的鋼材、混凝土及基巖相應的材料參數詳見表1。

表1　材料參數

1.3　尾水管脈動壓力

電站實際運行中，機組振動、蝸殼內脈動壓力和尾水管脈動壓力引起的振動均能傳遞至副廠房，相對于機組振動荷載，尾水管脈動壓力作用最為直接，其脈動頻率范圍也最廣，對副廠房振動響應影響更為明顯，因此本文將主要針對尾水管脈動壓力作用下的副廠房振動展開研究。Lacey等[9-11]對數個軸流式機組的脈動壓力進行了模型試驗和數值模擬，研究發現尾水管內脈動壓力頻率從低頻到高頻均有可能出現，出現較多的優勢頻率主要是轉頻及其倍頻，而轉頻倍頻中尤其以葉片數頻率及其倍頻出現的概率更大。本文所研究的電站也對機組進行了模型試驗，試驗結果也表明尾水管脈動壓力的優勢頻率主要為轉頻及其倍頻，脈動壓力雙峰值不超過水輪機水頭的3.2%。對于本工程，機組額定轉頻fn為1.388 Hz，轉輪葉片數為6，葉片數頻率為6 fn；水輪機水頭對應水壓力為0.421 MPa，尾水管脈動壓力雙幅值不超過0.013 MPa。下文將采用動力諧響應法進行分析。

2隔振系統自振頻率對廠房結構自振特性的影響

隔振系統設計最重要的環節便是確定隔振系統的自振頻率。根據目前隔振彈簧的生產情況，隔振系統的自振頻率一般在2～7 Hz之間。為了確定合理的隔振系統自振頻率，也為了更好地分析脈動壓力對廠房結構振動特性的影響，本節首先進行了隔振系統自振頻率對廠房結構自振特性的影響研究。假設隔振系統自振頻率在0～8 Hz之間變化，分別計算得到各頻率對應的廠房整體結構的自振頻率、副廠房局部結構的自振頻率。

圖3為廠房整體結構的基頻以及GIS室樓板豎向起振頻率與隔振系統自振頻率的關系曲線，其中豎向起振頻率指樓板首次出現豎向振動的自振頻率。隨著隔振系統自振頻率的增加，樓板豎向起振頻率也隨之線性增加，但由于副廠房框架結構以及水平向隔振彈簧的影響，樓板豎向自振頻率在數值上略小于隔振系統自振頻率。當隔振系統的基頻小于1.5 Hz時，廠房整體結構的第1階振型均表現為副廠房GIS室活動樓板的振動，其頻率即為樓板起振頻率。當隔振系統自振頻率超過1.5 Hz之后，結構的第1階振型便為副廠房整體順河向的振動，隨著隔振系統自振頻率增加，廠房整體振動的基頻在1.50～1.55 Hz之間變化，可見隔振系統自振頻率的改變對廠房整體結構的振動特性影響較小。從上述結果來看，隔振系統自振頻率小于廠房整體的起振頻率時，結構的主要振型將為活動樓板的振動，過低的剛度將使得活動樓板容易在沖擊荷載和地震等作用下產生較大的位移，對結構及設備不利，因此隔振系統的頻率不宜過低。

圖4為副廠房除活動樓板外支承梁柱框架結構的基頻及其豎向起振頻率隨隔振系統自振頻率的變化曲線。梁柱框架結構的基頻基本保持在11.5 Hz左右，對應振型為順河向振動，其豎向起振頻率大致在30 Hz左右。顯然梁柱框架具有較高的固有頻率，且受隔振系統自振頻率的影響較小。

圖3　廠房整體結構自振頻率 Fig.3 Natural frequency of powerhouse

圖4　支承梁柱結構自振頻率 Fig.4 Natural frequency of supporting beam-column

3隔振系統自振頻率對GIS室樓板振動的影響

本節選取轉頻fn和葉片數頻率6fn作為尾水管脈動壓力的特征頻率，分別探討了在不同頻率的尾水管脈動壓力作用下，隔振系統自振頻率對副廠房GIS室活動樓板振動響應的影響，脈動壓力的雙幅值取為0.013 MPa。由于篇幅所限，下文將主要針對對樓板和設備影響較大的豎向振動進行分析。

3.1　振動響應

圖5為轉頻fn方案下GIS室樓板及其支承梁柱在隔振與非隔振情況下豎向的最大振動位移，圖中樓板、梁柱分別表示隔振方案下GIS室樓板、支承梁柱結構振動響應，非隔振則表示非隔振方案下GIS室樓板振動響應，此時樓板與梁柱共節點，兩者振動位移相等。對于支承梁柱結構，振動位移隨著隔振系統自振頻率的增大變化較小，說明隔振系統的自振頻率對支承梁柱結構的影響較小。對于GIS室樓板，隨著隔振系統自振頻率的提高，GIS室樓板豎向振動位移呈現先增加后減小的變化趨勢，在隔振系統自振頻率為轉頻時振動位移最大，這主要是振動系統的自振頻率與尾水管脈動壓力的頻率相等引起的共振。當隔振系統自振頻率在轉頻附近時，GIS室樓板的振動位移均大于其支承梁柱結構；當隔振系統自振頻率超過轉頻后，激振頻率與結構自振頻率錯開度越來越大，樓板振動位移不斷減小，自振頻率超過2.5Hz之后，樓板的振動位移與支承梁柱基本相同。比較隔振和非隔振兩種情況下結構位移可以發現，采取隔振措施后，無論是樓板還是梁柱，其振動位移均大于非隔振方案。說明在低頻脈動壓力作用下，非隔振方案下GIS室樓板的自振頻率較高，與低激振頻率有較大的錯開度，而采取隔振措施后，降低了樓板的自振頻率，反而對抗振不利。

圖5　轉頻方案下GIS樓板豎向動位移幅值(10 -6 m) Fig.5 Vertical vibration displacement amplitude of GIS floor under rotation frequency scheme(10 -6 m)

圖6為尾水管脈動壓力為葉片數頻率6fn時GIS室樓板最大豎向振動位移與隔振系統自振頻率的關系，結構的振動規律與低頻脈動壓力作用的振動規律有明顯區別。在較高頻率的脈動壓力作用下，隔振系統自振頻率對支承梁柱結構的振動位移影響很小，梁柱的振動位移基本不發生變化，并且與非隔振方案下的位移基本相等。但是對于GIS室樓板，隔振方案下振動位移隨著隔振系統自振頻率的增加而增加，說明隔振系統自振頻率越高，GIS室樓板受到高頻尾水脈動的影響越大，對抗振越不利。

圖6　葉片數頻率方案下GIS樓板豎向動位移幅值(10 -6 m) Fig.6 Vertical vibration displacement amplitude of GIS floor under blade frequency scheme(10 -6m)

3.2　豎向振動位移傳遞率

對于隔振系統，為了說明豎向隔振的效果，采用傳遞率對隔振效果進行評價。定義豎向振動位移的傳遞率η為樓板最大豎向位移與樓板的支承梁柱結構最大豎向位移之比，如果η小于1，說明隔振措施有效果，如果η大于1，隔振系統則是放大了從支承梁柱傳遞來的振動響應[5]。

圖7為隔振方案下GIS室樓板的豎向振動位移傳遞率與隔振系統自振頻率的關系。對于轉頻方案，當隔振系統自振頻率小于3 Hz時，傳遞率基本上大于1；當隔振系統自振頻率大于3 Hz后，傳遞率基本上等于1，雖然沒有減小支承結構傳遞上來的振動，至少沒有放大振動。因此，對于尾水管低頻脈動，隔振系統自振頻率宜高于3.5 Hz。對于葉片數頻率方案，隔振系統自振頻率低于4.5 Hz時，GIS室樓板振動位移傳遞率均小于1，有較明顯的減振效果，當隔振系統自振頻率超過4.5 Hz后，振動位移傳遞率均大于1。因此當脈動壓力頻率較高時，隔振系統自振頻率低于4.5 Hz，GIS室樓板的隔振效果才能表現出來。

隔振設計的原則是使激振頻率域與隔振系統的自振頻率有一定的錯開度，例如《隔振設計規范JBJ-22-19》規定，對于積極隔振干擾振動的頻率域與隔振系統的自振頻率之比可大于等于2.5[12]。尾水管脈動壓力的頻率是一個較寬的范圍，通過對較低的轉頻和較高的葉片數頻率兩個特征頻率的脈動壓力作用下GIS室隔振效果的計算分析可知，當隔振系統自振頻率在3.0~4.5 Hz時，GIS室樓板豎向振動位移傳遞率均低于1.0。因此為了兼顧隔離低頻與高頻脈動壓力的要求，隔振系統選擇3.0～4.5 Hz作為自振頻率是比較合理的。

圖7　GIS樓板豎向振動位移傳遞率 Fig.7 Vertical vibration displacement transmissibility of GIS floor

4尾水管脈動壓力頻率對GIS室樓板振動的影響

根據第3節的分析，本節選定3.5 Hz作為隔振系統自振頻率，繼續對GIS室樓板結構的振動響應進行進一步分析。在前文的研究中，尾水管脈動壓力主要考慮了兩個特征頻率，但實際中尾水管脈動壓力的頻率成分是比較多的，優勢頻率除了機組轉頻、轉輪葉片數頻率外，也可能是上述頻率的倍頻等。為此本節就脈動壓力頻率對GIS室樓板振動響應的影響展開研究。

圖8為GIS室樓板最大豎向振動位移隨尾水管脈動壓力頻率變化的曲線圖。隔振方案下GIS室樓板在尾水管低頻(6 Hz以內)脈動荷載作用下動位移波動較大，且大于支承梁柱的振動位移，在尾水管脈動頻率為4 Hz左右時出現極值，該頻率接近隔振系統自振頻率的3.5 Hz；而在尾水管中高頻(大于6 Hz)脈動荷載作用下，GIS室樓板自振頻率與之錯開度較大，動位移隨著尾水管脈動頻率的增大而減小，支承梁柱結構的位移大于GIS室樓板的位移，說明高頻時隔振彈簧可以有效地阻隔從廠房下部傳遞過來的振動。另外，當尾水管脈動壓力頻率高于6Hz時，GIS室樓板在隔振方案下的振動位移低于非隔振方案，這從另外一個角度也說明了隔振措施可以極大地降低高頻脈動作用下GIS室樓板的振動響應。

對廠房結構除了控制振動位移外，振動速度和加速度也是控制的重要指標，特別是當激振頻率較高時，在振動位移并不大的情況下，振動速度和加速度也往往較大。圖9繪制了GIS室樓板最大豎向振動加速度與尾水管脈動壓力頻率的關系曲線。非隔振方案下GIS室樓板的加速度大致呈現隨尾水管脈動壓力頻率的增大而增大的變化趨勢，當脈動壓力頻率超過16 Hz之后，樓板振動加速度迅速增大。當采用隔振措施后，支承梁柱結構的加速度振動響應仍然隨著尾水管脈動壓力頻率的增大有明顯增大，而GIS室樓板的加速度響應仍然保持很低的水平。可見，隔振措施對減小GIS室樓板的加速度響應十分有效。

總體而言，雖然低頻尾水脈動壓力易引起樓板共振，但位移量級并不大，因此影響并不大。隔振系統的自振頻率較低，可以有效隔離高頻脈動壓力引起的振動位移和加速度響應，對結構振動控制十分有利。

圖8　GIS室樓板豎向動位移幅值(10 -6 m) Fig.8 Vertical vibration displacement amplitude of GIS floor(10 -6 m)

圖9　GIS室樓板豎向振動加速度響應(mm/s -2) Fig.9 Vertical vibration acceleration of GIS floor(mm/s -2)

5結論

通過某水電站尾水管脈動壓力作用下副廠房GIS室隔振效果的有限元計算分析，得到以下結論：

(1)GIS室采用阻尼彈簧隔振后，對副廠房整體結構的振動特性影響很小，樓板的自振頻率較小，而樓板的支承梁柱框架仍保持較高的自振頻率，樓板與其支承結構的振動特性產生明顯差異。

(2)由于尾水管脈動壓力同時存在低頻和高頻，隔振系統的自振頻率需同時與較低和較高的激振頻率保持一定的錯開度，避免共振的發生。通過對頻率為轉頻和葉片數頻率的尾水管脈動壓力作用下隔振效果的分析發現，隔振系統自振頻率在3.0~4.5Hz時，隔振系統能兼顧隔離低頻和高頻脈動壓力的振動影響，起到隔振作用。

(3)GIS室采用隔振彈簧隔振后，能有效減小因高頻脈動壓力引起的振動響應，尤其是高頻脈動壓力引起的振動加速度，對結構振動控制十分有利。

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