某抽水蓄能電站發電機層上蓋板振動處理

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

某抽水蓄能電站總裝機容量1000MW，電站安裝4臺單機250MW的機組。額定水頭305m，額定流量94.1m3/s，額定轉速333.3r/min，吸出高度-48m。地下廠房位于水道系統尾部的微風化變質安山巖內，為地下式廠房。廠房位于近中部，地下廠房系統由地下廠房、主變及開關室、母線洞、主變運輸洞、出線廊道及出線豎井、交通洞、通風兼安全洞、排風洞、排水廊道和地面出線場等組成。該機組由法國ALSTOM提供水泵水輪機，日本VOITH FUJI提供發電機，2007年末首臺機組發電，2008年末四臺機組全部投入運行。

1 發電機層上蓋板振動問題分析

該電站自投入運行以來，無論發電還是抽水的過程中，在發電機層上蓋板上都有強烈的振感，水輪機在額定功率下振動最大。強烈的振感對工作人員的工作環境造成極大的不良影響。2011年電站經多次試驗和研究分析，最終發現是由于機組運行時水輪機蝸殼內部的頻率為100Hz的高頻脈動水壓力向上傳遞，造成整個機組以及廠房強制振動，直接導致了發電機層上蓋板振動強烈。由于整個機組已經投入運行，對蝸殼結構進行調整工程量巨大，很難實現；而且雖然經過分析論證找到了振動的根源，但脈動水壓形成的原因不明，如何去除在業內也沒有可供參考的先例，這意味著要徹底從源頭解決該振動意味著要有巨大投入，在不影響電站整體結構和運行的前提下想要徹底解決蝸殼內的水壓脈動是不現實的。本著最大限度降低對機組運行影響這一前提下，想要降低發電機層的振感，只能從發電機層本身入手，通過優化機組上蓋板結構，達到減少振動傳遞，進而降低振感是最具可行性的方案。

2 原發電機層上蓋板結構分析

原發電機層上蓋板由12塊蓋板組成，敷設在發電機層最上方，內圓6塊蓋板圓周均布，外圓6塊蓋板圓周均布，外圓的每一個蓋板上都開有供空氣冷卻器起吊用的長方形起吊孔，不使用時可用相配的封蓋封閉。內圓蓋板最大弦長為3450mm，徑向最大距離為2115mm；外圓蓋板最大弦長為5355mm，徑向最大距離為1905mm，如圖1所示。

圖1 原上蓋板結構俯視圖

內圓蓋板和外圓蓋板的主體均為6mm厚鋼板制成，下表面焊接有部分角鋼以加強整體強度。內圓蓋板一側把合在內側固定塊上，另一側把合在連接支撐上；外圓蓋板一側把合在連接支撐上，另一側把合在蓋板基礎上。整個蓋板通過內側支撐、連接支撐、外側支撐形成支撐鏈，由上機架支臂承重，見圖2。

圖2 原上蓋板結構側視圖

該結構蓋板整體厚度僅為6mm，雖然下表面焊接有角鋼以加強整體強度，但由于蓋板整體外徑達到了10710mm，整體徑向長度4020mm，外圓單塊蓋板的弦長達到了5355mm，蓋板整體尺寸偏大，厚度偏薄，整體強度不佳；蓋板與上機架之間依靠內側支撐、連接支撐、外側支撐形成間斷的支撐鏈，蓋板沒有和上機架形成整體，在機組振動時，蓋板由于自身面積大、自重低、與機架整體程度差等原因，會產生被動強制振動，這是上蓋板振感大的主要原因。此外，蓋板本體沒有隔音降噪設計也是主要原因之一。

3 處理措施

針對該機組上蓋板振感大的問題，最佳的處理方案就是專門設計一套可以顯著降低振感的上蓋板結構，應用于該機組上。針對原機組上蓋板的結構缺陷，新結構的優化設計的主要思路是：(1)增大單塊蓋板自身厚度，同時增加單塊蓋板面積，加強單塊蓋板結構性強度；(2)增加隔音、降噪設計；(3)蓋板與上機架之間設計連續的剛性支撐，增加支撐強度和蓋板與上機架的整體性。

因為原機組的接口尺寸限制，優化設計的新結構應充分考慮到與原機組接口尺寸的契合，如圖3所示，優化設計后的上蓋板內側的內徑、外側的外徑與原機組蓋板一致，整圓仍采用6塊蓋板圓周均布，這就保證了在安裝、使用新結構的上蓋板時，不需對上機架進行二次加工，節約施工成本；如圖3、圖4所示，優化結構為提高上蓋板與上機架的整體性和剛強度，首先，在每兩個上機架支臂之間設計有支撐橫臂以加強上機架對上蓋板的支撐和一體化程度，第二，蓋板內側通過內圓支撐與上機架中心體焊接固定，蓋板外側通過外圓支撐與發電機層基礎把合固定，兩側的支撐均使用工字型非獨立支撐結構，在保證了內外圓支撐剛度的同時，又加強了上機架與上蓋板的一體性；第三，蓋板下部與上機架支臂之間設計有整體支撐裝置，該裝置使用20mm厚鋼板焊接成工字形支撐，形成不間斷支撐將蓋板與上機架支臂最大程度的組成受力整體；第四，為增加蓋板本體的強度，蓋板本體使用10mm厚鋼板加工而成，相比舊結構厚度增加了66%，強度得以大幅提升；在隔音降噪吸收振動方面，優化結構使用了目前主流的立式水輪發電機隔音上蓋板結構，即每塊蓋板由蓋板本體、加強鋼管、吸音防振材料、縱膈鋼板、密封鋼板、加強扁鋼組成，蓋板本體為10mm厚鋼板，下部由橫向均勻布置的加強矩形鋼管與縱向設置的縱膈鋼板組成交叉的網格裝隔斷，每一個隔斷內部使用吸音防振材料填滿，再使用密封鋼板封住，最后使用加強扁鋼加固密封鋼板，防止密封材料泄露。這樣就在整個上機架上方形成了一個由隔音材質構成的“穹頂”，當噪音和振動從水輪機層隨機組運行逐層向上傳遞而來，就會在觸及隔音“穹頂”時被大量吸收，從而減少上蓋板上平面的振動和噪音，達到發電機層振感大幅減小的目的；上蓋板增加強度后與上機架緊密連接成整體，提高了一體性和整體剛度，可以將大量振感傳遞到基礎上，從而減小振動傳遞到上蓋板上層的幾率和量級。

圖3 新上蓋板結構俯視圖

圖4 新上蓋板結構側視圖

4 新結構蓋板固有頻率計算

由于機組的轉頻為5.55Hz，為避免新結構蓋板的固有頻率與轉頻重疊導致引入新的振源，我們對新結構蓋板的固有頻率進行核算，計算模型如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14所示。計算的頻率見表1，在任意一階的計算中，新結構的固有頻率均避開了機組轉頻5.55Hz的±20%，未引入新振源。

圖5 第一階振型

圖6 第二階振型

圖7 第三階振型

圖8 第四階振型

圖9 第五階振型

圖10 第六階振型

圖11 第七階振型

圖12 第八階振型

圖13 第九階振型

圖14 第十階振型

階次頻率值Hz19.8229.8539.8849.91510.00610.08717.43817.61917.651017.71

5 優化處理后的效果

該電站目前已按照優化設計方案對原機組進行了改造，全面使用了新結構的上蓋板。優化設計后的蓋板單塊蓋板強度更好，蓋板本體厚度更大、強度更好；下部由橫向均勻布置的加強矩形鋼管與縱向設置的縱膈鋼板組成交叉的網格裝隔斷，結構強度大大增加，抗振性好；優化設計后的蓋板下部每一個隔斷內部使用吸音防振材料填滿，可以很好的吸收振動和聲噪，隔音防振效果好；優化設計后的蓋板與上機架之間設計有與蓋板徑向長度相當的使用20mm厚鋼板焊接成工字形支撐，并且在每兩個支臂之間設計有支撐橫臂以加強上機架對上蓋板的支撐，這就使得蓋板與上機架的整體性大大增強，可以使得上機架和機坑基礎分擔部分振動，減振效果明顯。目前機組運行良好，上蓋板上方振感已顯著減小，達到了優化工作環境、減小電站運行安全隱患的目的。

圖15 優化設計結構使用安裝

6 結語

對于高轉速懸式機組和抽水蓄能機組來說，由于機組轉速高或結構性原因帶來的機組振動對發電機層工作人員的工作環境影響極大，使用本結構的蓋板雖不能從根本上解決機組由于脈動水壓帶來的整體振動，但能有限改善上蓋板振感，全面改善機組運行環境，本文中提出的優化蓋板的設計方案已經在某抽水蓄能電站應用，也為后續其他電站解決該問題提出一個好的方案和成功案例。

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