仙居抽水蓄能電站地下廠房振動 な值模擬分析與安全評價

曹璽

摘要：廠房振動問題為抽水蓄能電站設計關鍵，以仙居抽水蓄能電站為實例，對地下廠房進行共振復核和振動反應分析評價，在總結國內外控制標準的基礎上，提出了適用該工程的振動控制標準建議值。有限元計算分析表明，機墩結構豎向振幅稍大，需要在結構設計中予以關注；廠房整體結構和主要構件的共振復核滿足要求，地下廠房發生共振的可能性較小。振動最大位移、速度和加速度響應幅值均滿足所擬定控制標準要求，其中立柱結構的振動均方根加速度偏大，但頻率計權加速度幅值較小，可滿足要求。針對立柱等局部構件振動反應偏大的情況，探討了局部加固措施對降低振動強度的有效性，為同類型廠房抗振動優化設計提供參考。

關鍵詞：抽水蓄能電站廠房；數值分析；結構振動；抗振設計

中圖分類號：TV7文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）04019507

Numerical analysis and safety evaluation of the underground powerhouse of the Xianju pumpedstorage Project

CAO Xi1，LIU Qiming1，ZHAN Hao1，MA Zhenyue2，ZHU He2

（

1.Zhejiang Xianju Pumpedstorage Limitation Company，Xianju 317300，China；

2.Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Abstract：The vibration problem of powerhouse is the key in designing pumped storage power plant.This paper took Xianju Pumpedstorage Project，one of the largest projects in China，as a case study.We conducted resonance check and vibration response evaluation of the underground powerhouse，and proposed the vibrationcontrol standard values for Xianju project.The analysis showed that attention should be paid to the vertical amplitude of machine pier in structure design as it is slightly larger than the control value.The resonance check showed that the overall structure of the powerhouse and its main components meet the code requirements，so the possibility of underground powerhouse resonance is small.The maximum vibration displacement，velocity，and acceleration all meet the requirements of the proposed vibrationcontrol standard.The vibration root mean square acceleration of the column structure is slightly large，but the frequencyweighted acceleration amplitude is small，so it meets the proposed vibrationcontrol standard.In view of the situation where the vibration response of some local members such as the column is slightly large，we discussed the effectiveness of taking local reinforcement measures to reduce the intensity of vibration.This paper can provide a reference for the antivibration optimization design of similar powerhouses.

Key words：

pumpedstorage station powerhouse；numerical analysis；structure vibration；antivibration design

隨著水輪發電機組容量和水頭的不斷提高，機組振動問題日益突出，由于涉及到水機電結構的耦聯振動，問題更為復雜，雖經過長期大量的研究，其準確預測和完善解決仍較困難[15]。機組振動荷載傳遞到廠房支承結構上，會誘發廠房結構的整體或局部振動。[JP]國內外大中型水電站均有機組振動誘發結構振動，甚至導致結構破損而影響電站正常運行的實例[6，7]。抽水蓄能電站因為具有高水頭、高轉速、雙向運轉、過渡過程復雜等特點，機組振動誘發的廠房結構振動問題較常規電站更為突出，已成為廠房結構設計的關鍵問題之一[8]。我國最近建成運行的多座蓄能電站[919]，如西龍池、惠州、天荒坪、寶泉、張河灣、蒲石河等，均發生過不同程度的機組振動問題，其中也存在廠房振動現象，[JP]因此在大型蓄能電站廠房設計中，均開展振動穩定性分析評價與抗振優化設計，在設計階段盡可能對振動加以預測和控制[2023]。

高水頭高轉速可逆式機組機械、電磁和水力振動荷載的幅頻特性更為復雜，誘發廠房結構振動反應特性也十分復雜[24，25]。廠房是機組重要的支承結構，故機墩必須要具有足夠的支承剛度，避開共振區，控制強迫振動幅值在允許范圍內；發電機層樓板是調速器和機旁盤的基礎，對振動控制也有很高要求。因此，對廠房動力設計提出了更高的要求。在水電站廠房設計規范中，主要以共振和機墩振幅作為控制標準，關于振動速度、加速度、動應力和噪聲等，缺少明確的規定，以往多參照其他國際或國內行業規范。[JP+1]在人體健康的影響評價上，主要以噪聲和所處位置的加速度等級為指標進行評價[21]。電站內部布置的調速器等儀器設備對振動也十分敏感，其振動控制指標主要是振動速度。同時，廠房結構也屬于建筑結構，應從振動位移和加速度等方面進行評價。[JP]當振動較大可能超標時，需要研究結構修改的抗振優化設計措施。近些年來我國由于大批抽水蓄能電站的建設，對此開展了大量的研究，主要采用三維有限元分析方法，但每個電站各有其特點，目前還缺少普遍性的機理研究和成熟的設計經驗[2223]。本文以仙居抽水蓄能電站為研究實例，參考國內外有關建筑結構、動力機械基礎及人體健康的振動控制標準，從共振復核、剛度設計、強迫振動計算和抗振優化設計等角度，利用三維有限單元法，[JP]對廠房振動加以預測和控制，為廠房動力設計提供技術支撐，也為同類型工程抗振設計和安全運行提供參考。[HJ]

1計算模型及方法

浙江仙居抽水蓄能電站為日調節純抽水蓄能電站，電站裝機容量為1 500 MW（4×375 MW）。電站樞紐主要包括上水庫、輸水系統、地下廠房系統、地面開關站及下水庫，其中下水庫為已建下岸水庫等。地下廠房系統主要由主/副廠房洞、進廠交通洞、母線洞、主變洞、主變運輸洞、500 kV出線洞、通風兼安全洞及各層排水廊道等洞室群組成，另有500 kV開關站等地面建筑物。廠房區域的圍巖為灰白、灰綠色角礫凝灰巖、凝灰巖，巖石致密堅硬，巖體呈中厚層狀結構，局部為薄層狀，斷層不發育，以Ⅱ類圍巖為主，斷層破碎帶附近為Ⅲ類圍巖，工程地質條件較好。

主廠房寬度為250 m，機組段總長度113 m，機組中心距265 m。地下廠房采用一機一縫布置形式，1號至4號機組段長度分別為320 m、265 m、265 m、280 m。地下廠房尺寸大，型式和受力復雜，振動穩定性是設計研究的最關鍵問題之一，必須進行振動評價、剛度復核和抗振設計。

[BT3]1.1有限元模型及參數取值

選取中間2號機組段建立三維有限元計算模型，整體模型見圖1，材料計算參數見表1。采用商業有限元軟件ANSYS進行有限元計算，廠房主體采用三維實體單元建模，規定上下游方向（橫向）為X軸，機組段縱向方向為Y軸，豎向為Z軸。模型節點數為101 542個，實體單元127 535個，彈簧單元5 734個。左右側為自由，模型底部采用固定約束。用彈簧單元來模擬上下游側圍巖約束邊界條件，在邊界節點上加法向彈性約束，其剛度按照公式（1）進行計算。

1.2振源頻率特性和共振復核要求

水電站廠房裝備有水輪發電機組和各種機械及電氣設備，水電站廠房的振源特性比較復雜，振動頻率的范圍從低頻到高頻、從低階到高階。甚至振動的形式和出現的范圍都是不確定的，必須要根據機組、廠房結構設計及機組、電氣設備的運行情況進行深入研究。本文依照水電站廠房設計規范中自振頻率與共振頻率的錯開度大于20%的要求進行共振復核，表2列出了仙居電站主要振源類型及頻率。

2振動計算結果與討論

2.1自振特性及共振復核

有限單元法計算的廠房整體結構的前20階固有振動頻率列于表5中。由圖3可知，基頻對應的振型表現為整體結構的縱向運動和主廠房各層樓板的豎向振動，說明整體結構在其上下游側墻邊界條件為水平約束條件下，廠房橫向剛度較高，縱向剛度和樓板的豎向剛度較低。前6階振型中均表現為樓板的豎向振動，這是由于樓板結構的剛度遠小于風罩、機墩和蝸殼等主體結構的剛度，所以樓板與梁柱結構的振動較為突出。

由自振頻率計算結果可知，自振頻率分布很密集，相鄰各階頻率之間差別不大，且主要表現為上部樓板、梁柱結構和風罩的聯合振動，各部分各構件的主振型出現的階次不同，因此，除對地下廠房結構的基頻進行共振校核外，還需適當考慮激振荷載頻率與地下廠房結構中高階自振頻率產生共振的可能性，本文對結構前20階自振頻率進行共振校核。

比較表2和表5可知，廠房整體結構的基頻相對較低，可能與機組振源遇合而發生共振的主要是飛逸轉速頻率和2倍轉頻，分析認為，飛逸工況是過渡過程，運行時間短，危害相對較小；實際工程中出現2倍轉頻的不平衡振動的也比較少，只要機組制造和安裝質量有保證是可以避免的。因此，廠房整體結構發生共振的可能性相對很小。

各層樓板結構的自振頻率在20 Hz以上，高于轉速頻率較多，又低于轉輪葉片數頻率和電磁頻率，出現共振的可能性也不大；中間層樓板前幾階頻率（除基頻）比較接近50 Hz和5625 Hz，水輪機層樓板的基頻比較接近50 Hz和5625 Hz，且低頻參與系數較大，與電磁振源和水力振源發生共振的可能性稍大，需要重點關注。但總體上高階振型參與系數較小，樓板結構出現共振的可能性較小。

各層立柱結構的前20階分布在30～110 Hz范圍，與機組的電磁振動頻率（50，100 Hz）、轉輪葉片數頻率（5625 Hz）及其倍頻（1125 Hz）、導葉后卡門渦頻率（125 Hz）的錯開度均較小，存在明顯的共振可能。可逆式機組的靜動翼干涉水力振動是比較主要的振源，引起固定結構振動的激振頻率主要是2倍頻，即1125 Hz，而不主要是5625 Hz。雖然該頻率（1125 Hz）與立柱的高階自振頻率存在較大的共振可能性，但高階振型參與系數小，共振危險性并不突出。

風罩和機墩的若干階次的自振頻率也可能與50～100 Hz左右的壓力脈動頻率遇合，而存在共振可能。但1125 Hz的振動可能是主振源，遇合共振均為高階振動，共振的可能性和危害性不突出。

2.2動力響應計算結果與分析

2.2.1機組機械和電磁振動荷載作用效應

本節重點進行了廠房結構在正常運行工況和事故工況下機組振動載荷作用下的振幅驗算與振動反應分析評價。風罩、定子基礎、下機架、樓板、立柱等典型部位的最大振動響應結果列于表6。振動評價主要依據表4的標準建議值。[JP2]從動力反應分析結果可以看出，在額定負荷正常運行工況下，機墩基礎截面的水平橫向與扭轉動位移之和最大值為007 mm，小于振動控制標準值；豎向振幅相對較大（018 mm），位于下機架基礎板處，這主要是由于正常運行時，下機架基礎處的垂直動荷載較大，加之基礎板作用面積較小，變形集中現象比較顯著。因此有必要對其進行作用面積上的均化處理，減小集中現象的影響。均化處理后位移值為012 mm，略微大于長期組合的規定值01 mm。樓板、立柱、風罩等部位的振動位移均滿足控制標準要求。在各工況下，廠房結構的振動速度和加速度反應，絕大部分均滿足本文擬定的控制標準。只有中間層上游立柱的速度達到了1113 mm/s，[JP]略微大于設定的限值10 mm/s，說明振動反應整體上并不大，僅僅是局部超標。

在各運行工況機組振動荷載作用下，機墩結構和主廠房其他部位的動位移、振動速度、加速度均不是非常突出，結構振動反應總體上滿足本文建議的控制標準要求。機墩豎向振幅偏大，有一定的振動變形集中成分，鑒于有限元計算方法與規范所采用的結構力學法的模型選取、邊界條件和加載方式等均不相同，計算結果的差異性在所難免，因此，若結構力學法的計算結果能夠滿足規范要求，可以不必修改機墩結構設計，在結構強度上加以保證即可。

[BT4]2.2.2水輪機壓力脈動作用效應

選取水輪機模型試驗的2個典型工況計算水輪機壓力脈動作用下的振動反應。2個工況 的最大壓力脈動幅值分別為532%H和661%H，主頻率均為5625 Hz 和13489 Hz，導葉后轉輪前區域水力渦動最突出，屬于典型的靜動翼干涉。

兩個工況的振動反應最大值列于表7 中。對于工況一，機墩振幅和樓板等結構的加速度均比較小，在允許范圍內；立柱的振動加速度均方根值稍微超出標準值，是由于振動頻率較高的原因，若采用頻率計權加速度，則僅為0021 m/s2，是可以滿足要求的。振動應力均很小，最大僅有8371 kPa。工況二的計算結果基本與工況一接近。

因此，由于壓力脈動的主頻率較高，與立柱等結構的自振頻率更為接近，振動加速度均方根值較為突出，接近于控制標準，但采用頻率計權加速度則幅值就很小。

實際上，抽水蓄能電站地下廠房的結構形式基本相同，主要構件的尺寸也相差不多；立柱結構的斷面也都在10 m～12 m左右，層高也在3～4 m的范圍，其前幾階自振頻率均在30～80 Hz的范圍，結構加強和修改的余地不大，是否會發生共振和強迫振動，與廠房和立柱結構的設計有關但不是決定性的，重要的是壓力脈動的強弱和主頻率的大小。

[BT2]3結構抗振優化設計措施探討

通過以上分析，[JP2]認為廠房結構整體上滿足振動復核要求，但也存在整體剛度偏低和局部振動較大的現象，如立柱的振動頻率更接近于轉輪葉片數頻率等中高頻振源頻率，局部結構的振動反應幅值偏大。為此，進一步對主廠房抗振加固的必要性和有效性進行探討，重點探討了緊靠上游側圍巖[JP]的立柱間添加部分實體墻加固和部分立柱加大斷面的加固措施。

[BT3]3.1增設上游側實體墻的抗振效果評價

由上述計算可知，立柱在機組荷載作用下的縱向（Y方向）響應相對較大，為此假定對此處的立柱進行加固，措施是：在上游側的三個立柱之間增加實體墻結構，墻厚等同于柱子截面尺寸。加固后的有限元模型見圖4。

加固后中間層立柱的基頻振動仍然主要以橫河向（Y方向）振動為主，[JP2]加固位置立柱的剛度提高了，而沒有加固的立柱的自振頻率基本沒有變化。對比加固前后的立柱自振頻率可知，立柱的前6階自振頻率最大提高了63%。因此，[JP]局部加固對立柱自振特性沒有顯著影響，不影響共振復核的規律和結論。

加固后發電機層樓板的振型有一定變化，一階自振頻率提高了387%。因此，廠房結構的局部加固也不能有效提高樓板的剛度和動力性能，僅對結構局部的振動特性有所改變。

進一步研究采用修改修改后在脈動壓力激勵下的振動響應，加固前后典型部位的動響應列于表8中。可以看出，加固對水輪機層樓板以及立柱同一結點的位移、速度、加速度均有一定的改善作用，尤其對直接加固的部位，比如上游側的立柱和樓板，增設實體墻后加速度振幅降低很多；個別部位振動速

3.2增大立柱斷面的抗振效果評價

由于立柱的振動反應相對較明顯，在結構修改的方案探討中，重點對立柱的加強措施進行研究。這里假定對主廠房四個邊角的四個立柱進行加固，截面尺寸從1 m×1 m增大到12 m×12 m。加固前后中間層立柱振型基本沒有發生變化，前6階自振頻率分別提高了054%，116%，501%，754%，405%，323%。因此，對共振復核結論沒有明顯影響。

進一步研究加大立柱斷面結構修改后的壓力脈動振動響應，典型位置最大振幅列于表9中。結構的位移響應稍微有所增大，但總體上數值比較小，屬于μm數量級的。振動速度和加速度響應有所減小，但效果并不顯著，尤其是對于立柱的振動加速度，降低后基本可滿足控制標準要求，但降低的幅度并不突出。

4結語

本文采用三維有限單元法，對仙居抽水蓄能電站主廠房結構振動特性進行了全面分析評價，主要結論歸納如下。

（1） 廠房整體結構和主要構件的共振復核滿足要求，共振危險性不顯著。

（2） 在機組振動荷載和壓力脈動激勵下的振動幅值不突出，總體上滿足擬定的控制標準要求。有限元法計算得到的機墩結構豎向振幅稍大，需要在結構設計中予以關注。

（3） 立柱結構的振動均方根加速度偏大，主要是由于壓力脈動的主頻率較高。但頻率計權加速度幅值較小，可滿足要求。因此，建議采用頻率計權加速度的評價方法，同時也應在機組制造和運行中對壓力脈動振源給予充分關注。

（4） 針對立柱振動較為突出的問題，探討了局部抗振加固方案，結果表明局部加固的總體效果不顯著，今后的抗振優化設計還應從總體布置和結構設計上加以重視。

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