抽水蓄能電站廠房振動和噪聲的實證研究

周開濤，鞏泉泉，謝連科，王　坤，竇丹丹

(國網新源控股有限公司，北京 100761)

0　引　言

抽水蓄能電站在電網中主要起到調峰填谷、緊急事故備用等作用，能夠有效提升企業的效益。抽水蓄能電站是一種特殊的電源，目前，在我國發電總裝機中所占比例較少，不過，抽水蓄能電站卻是電力系統中日益重要的一部分。本文主要研究抽水蓄能電站廠房振動和噪聲問題，旨在了解其原理，促進抽水蓄能電站發揮出更好的作用。

1　工程概況

本文以某地區抽水蓄能電站為例，該電站有8臺可逆式抽水蓄能發電機組，總裝機容量達到2 000 MW以上，年運行4 000 h，規劃發電年利用1 900.8 h，是一座周調節抽水蓄能電站。該工程2004年開工，2011年后投入使用。抽水蓄能電站的廠房結構會因其啟動頻繁、雙向運轉而存在不可避免的振動和噪聲。為了找到引起電站廠房振動和噪聲異常的原因，本文進行了相關實驗和測試。

2　振源測試

對抽水蓄能電站進行振源測試的目的是了解振源的頻率分布規律和振源能量的大小，評估機組的振動特性。通常振源分為水力、機械、電磁三種。通過測試機組穩態運行和機組開關機過程中機械和水力脈動等振源的幅值特性和頻率特征，能夠進一步了解該電站廠房結構的振源情況，從而更好地分析廠房結構，找到引起其振動的原因。本抽水蓄能電站共有8個機組，測試隨機選擇了3個機組，這樣就可以更好地對振源的特性進行測試。

(1)幅值特性

通過測試可知，這3個機組的加速度有效值是隨機的，沒有出現某一機組的值偏大現象。每一組的加速度沒有太多差異，最大值的產生具有隨機性。加速度在水輪機頂蓋部位處的值較大，尾隨其后的值從大到小分別是尾水管和發電機上機架的加速度值。這三個位置的振源會隨著高度的變化而出現差異，這樣就可以進一步分析機組振動能量情況。

分析機組運行時產生的振動能量大小，主要是選擇同種類型的機組運行時振源所產生的最大加速度進行對比。經比較發現，機組在運行時的最大加速度并沒有太大差別，幾乎一致，這說明振動能量的大小沒有太大差異。

(2)頻率特性

通過3組隨機測試的機組實驗結果可知，在穩定狀態下，發電工況和抽水工況的振源各測點都存在75 Hz的頻率成分，而且其所蘊含的能量大小也比其他頻率成分要高出很多。機組的主要振源是水力，轉輪葉片與水力干涉形成的振源就是該機組運行時的主要振動源頭。還有一個出現較頻繁的頻率成分是8.25 Hz，雖然整體能量大小與前者的頻率成分能量無法相提并論，但是在2、4倍頻的狀態下會產生較大的能量，這說明機組運行也是主要振源之一。還有其他的一些頻率成分，由于頻率低，而且頻率成分的能量小，并沒有對廠房結構的振動造成太明顯的影響。

3　廠房結構動力特性試驗

廠房結構動力特性試驗又被稱為模態試驗，側重了解廠房結構的頻率分布，將其與振源特性進行對比，進一步了解廠房結構的薄弱部分。該試驗的測試點主要布置在廠房上下游邊墻和廠房內的一些部位，因為其主要測試廠房結構整體動力特性，模態參數也要全面。

(1)現場實測與有限元計算比較

將現場實測與有限元計算相結合，可以使二者更加有對比性，還能夠真實反映廠房的結構動力特性。現場原型試驗結果能夠客觀反映廠房結構的實際邊界條件，而有限元計算則較為理想化，不能僅憑一些假設的邊界條件就可以真實反映廠房的結構動力特性，這就需要將實際試驗結果和有限元計算結果對比。通過對比可知，現場實測與有限元計算結果沒有太大差異。

(2)廠房共振分析

根據試驗結果可知，廠房的整體結構出現40 Hz以上頻率的模態己經是10階以上高階模態，結合建筑抗震理論可以了解到，該模態的振型參數可以忽略不計。該電站的廠房結構在穩態運行的情況下，其基礎是混凝土材質，能將機組產生的高頻振動分量充分過濾，因此，這種情況下，基本不會出現共振現象。

但是在開機或者關機的情況下，機組會有一定的轉速，水輪機葉片與水流產生的水力會產生一定頻率的振動振頻，大小在30 Hz左右徘徊，其與廠房結構的低階頻率一致，此時就可能會產生共振。不過，在各工況的測試過程中，并沒有發現明顯的共振現象，這說明不利頻率的振動沒有得到廠房結構的響應。即使如此，還是要注意開機或者關機時可能產生的不良影響，避免共振現象。

(3)廠房動力特性分析

根據頻率測試可以了解到，沿著廠房軸線方向的頻率有較大的差異。這主要是因為機組沿著軸線方向長度的增加，剪力墻尺寸也會增加，進一步提高了該方向的剛度。廠房軸線方向整體呈現彎剪振動，邊墻以剪切振型為主，厚板一梁一柱構成的廠房框架結構沿廠房軸線方向以彎曲振動為主。電站地下廠房結構與傳統的結構有很大區別，上下游不僅各有邊墻和厚板，剪力墻還采用了剪切形式的振型，采用彎曲振型的框架結構，此結構決定了該電站廠房結構動力特性，也使電站測試機組的剛度有所提升。鑒于電站的地下廠房結構超大，在低頻率的影響下，該結構的動力響應會更加明顯，充分說明該廠房的結構頻率提升后，大大提高了廠房結構抗振能力。

4　廠房結構動力響應試驗

廠房結構動力響應試驗的目的是監測廠房的抗振能力，該實驗主要包括穩態試驗與瞬態試驗。隨機抽取3個機組進行實驗，目的是使數據更加客觀，可以全面反映廠房結構和抗振能力。實驗測試點布置在局部振動較大的地方和機組段各樓層，分別在這些測試點的廠房軸線方向、上下游方向、垂直方向布置加速度傳感器和動位移傳感器，用來測定各不同方向的最大振動位移。測試是在兩個狀態下進行，一是穩態運行，二是瞬時運行。

在第一種狀態下，各機組的不同方向最大振動位移各自得出測試結果。電站廠房的結構振動位移頻率也要進行測定，這些頻率大多是低頻，小于1 Hz頻率成分主要是由尾水管或蝸殼內水流脈動壓力產生的，然后再由混凝土結構的基礎經過不斷過濾進一步降低了振動頻率。10 Hz以下的頻率成分基本是通過轉化頻率形成的振動能量，也經過了層層過濾。頻譜分析表明，電站廠房結構的動位移響應原因是低頻振動，振源的產生主要是由水流脈動和機組轉頻產生。由于本工程的廠房結構位于地下，在國內沒有關于此類廠房結構的統一評估標準和體系，因此，其安全性的評測可參考美國標準。建筑結構的安全極限振動位移允許值是在0.76 mm上下，其與振動頻率有關，而且測得振動頻率小于10 Hz，充分說明該電站廠房結構在穩態運行時安全系數較高。在第二種狀態下，各機組的不同方向最大振動位移各自得出測試結果，這些結果都小于安全允許值0. 76 mm，因此，在瞬時運行下的廠房結構也不會受到太大影響，安全系數較高。

振動大小沿樓層的分布規律為水泵水輪機層振動位移更大，發電機層、中間層的振動位移水平無明顯差異。

5　噪聲測試

電站投入使用初期所產生的噪聲比較大。經過詳細的檢查之后發現，一些噪聲的產生主要是因為部分結構不牢固，比如，樓梯的扶手、鋼結構蓋板及圍欄不夠固定。針對這些部分采取了相應的措施，對需要固定的地方進行固定，對振動較明顯的部位鋪設防震墊，再加設噪聲屏蔽門。采用防范措施后，廠房的噪聲得到了一定的控制。通過現場測試，該電站廠房的每個作業場的噪聲都大幅度降低，不會對作業造成較大的影響。不過，廠房樓梯間的噪聲較大，原因可能是封閉的樓道產生了聲腔共振。

6　結束語

綜上所述，本文在實際測試中找到了影響抽水蓄能電站廠房的振動與噪聲的因素。針對這些因素采取相應的解決措施，可以有效改善現狀，提升廠房結構的安全系數，降低噪聲。不過，局部的噪聲依然很大，因此，建議對兩機組之間的樓道進行改造，或者采取一些有效的隔音措施，才能確保電站安全運行，充分為電力系統發揮作用。

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