中低水頭水電站廠房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)分析研究

郭德昌，劉加進

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州311122）

1 概述

隨著水電站機組單機容量增大，水輪機和發(fā)電機的尺寸亦顯著增加。相比而言，機組本體和支承結(jié)構(gòu)剛度、強度相對降低，作用在機組上的各種激振力將急劇增加，因此，對振動的預(yù)測和控制就變得十分困難[1-3]。即便機組設(shè)備制造廠家在設(shè)計制造時會結(jié)合理論和模型研究，對振動加以預(yù)測和預(yù)防，但實際運行中的振動仍然難于完全避免。電站運行過程中，各種因素誘發(fā)的振動能量巨大，在多源振動作用下，重要結(jié)構(gòu)（尤其是機墩風(fēng)罩結(jié)構(gòu)）振動情況十分復(fù)雜，強烈的振動或噪聲將對機組穩(wěn)定運行和操作環(huán)境的職業(yè)健康帶來極大的不利影響[4-11]。

目前水電站廠房結(jié)構(gòu)振動性能相關(guān)研究多集中于高轉(zhuǎn)速、高水頭的抽水蓄能電站，對常規(guī)中低水頭大型機組電站廠房結(jié)構(gòu)的抗振性能研究較少，本文就依托龍開口水電站廠房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)分析對中低水頭大型機組電站廠房結(jié)構(gòu)抗振性能進行研究。

龍開口水電站樞紐位于云南省大理州鶴慶縣朵美鄉(xiāng)境內(nèi)，是金沙江中游河段規(guī)劃8 個梯級電站的第六級電站。上接金安橋水電站，下鄰魯?shù)乩娬尽｝堥_口水電站共安裝5 臺360 MW 的混流式水輪機組，總裝機容量1 800 MW，設(shè)計水頭85 m，屬于中低水頭大型機組電站，電站機組額定轉(zhuǎn)速83.3 r/min，最大飛逸轉(zhuǎn)速170 r/min。下面采用三維有限元動力計算方法，分析廠房結(jié)構(gòu)在不同運行工況及事故工況下，結(jié)構(gòu)相應(yīng)的振動動力響應(yīng)特性。從結(jié)構(gòu)振動安全和人體保健兩方面進行研究，建立針對工程的振動控制標(biāo)準，校核并判別廠房結(jié)構(gòu)的抗振安全性及電站振動環(huán)境健康性，最終提出行之有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。

2 廠房振動特性及共振復(fù)核

2.1 分析模型

該電站采用一機一縫布置，即選取單個機組段為目標(biāo)分析對象，利用大型通用有限元軟件ANSYS 進行數(shù)值模擬。其中上下游墻體、機墩、樓板、層間柱及下部大體積混凝土結(jié)構(gòu)采用六面體單元（Solid45）模擬；發(fā)電機層和中間層的梁結(jié)構(gòu)采用空間梁單元（Beam188）模擬；蝸殼和座環(huán)采用殼單元模擬；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用桿單元（Link8）模擬。

2.2 自振特性與共振復(fù)核

廠房結(jié)構(gòu)前10 階自振頻率計算結(jié)果見表1。低階振型以廠房上下游墻及廠頂網(wǎng)架的振動為主，發(fā)電機層樓板結(jié)構(gòu)的自振均為較高頻率振動，振動頻率在20 Hz 以上。主要是由于廠房上下游墻及廠頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面外剛度比發(fā)電機層樓板平面外剛度小的緣故。

表1 廠房結(jié)構(gòu)固有頻率及振型說明

水輪發(fā)電機組振源較多，研究成果[1]表明主要分為機械、電磁和水力三類。龍開口電站機組的主要振源頻率特性見表2。廠房結(jié)構(gòu)第一、二階自振頻率與飛逸轉(zhuǎn)速頻率分別具有21.7%和19.1%的錯開度，自振頻率與其他振源頻率均具有30%以上的錯開度。因此需重點關(guān)注飛逸工況下廠房結(jié)構(gòu)與飛逸轉(zhuǎn)動發(fā)生共振的可能性。

表2 龍開口電站機組振源頻率Hz

3 結(jié)構(gòu)振動控制分析

3.1 計算分析說明

采用動力法進行龍開口電站廠房結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)振幅與動力強度復(fù)核。根據(jù)機組振動荷載同頻率、同相位、周期性的特點，采用諧響應(yīng)分析法進行計算。結(jié)構(gòu)振幅與動力強度復(fù)核考慮5 種工況：額定運行工況、兩相短路工況、半數(shù)磁極短路工況、三相短路工況及飛逸工況，額定運行工況荷載作用頻率為轉(zhuǎn)頻1.39 Hz，短路工況為電磁頻率50 Hz，飛逸工況為飛逸轉(zhuǎn)頻2.83 Hz。根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)自振特性和共振復(fù)核分析成果，本文僅對額定運行工況和飛逸工程結(jié)果進行分析研究。

3.2 結(jié)構(gòu)振動控制

目前水電站廠房結(jié)構(gòu)振動控制標(biāo)準還比較少，僅規(guī)范[12]對機墩振幅給出了控制標(biāo)準，文獻［13］對廠房抗振減振成果進行了梳理。常規(guī)中低水頭大型水電站廠房振動控制標(biāo)準也可參考以上規(guī)范及研究成果。本文參考國內(nèi)外對建筑結(jié)構(gòu)、動力機械基礎(chǔ)，以及人體健康等的振動控制標(biāo)準，結(jié)合大型水電站廠房的結(jié)構(gòu)特點、運行環(huán)境和設(shè)計要求，提出對龍開口水電站廠房振動控制標(biāo)準的建議，見表3。

表3 龍開口水電站主廠房振動控制標(biāo)準建議值

龍開口水電站廠房額定運行與飛逸工況的振動響應(yīng)結(jié)果見表4。

表4 典型部位振動幅值

從表4 結(jié)果可以看：

1）兩種工況的豎向振幅多處超出振動控制標(biāo)準建議值，水平振幅、均方根速度及均方根加速度均小于振動控制標(biāo)準建議值。

2）豎向振幅多處超標(biāo)的原因主要是由于常規(guī)大型發(fā)電機組自重較大，各荷載作用基礎(chǔ)處的垂直動荷載相應(yīng)較大，有限元計算存在明顯的應(yīng)力與應(yīng)變集中現(xiàn)象，這在其它工程分析結(jié)論中也普遍存在[9-11，14]；由于下機架基礎(chǔ)處的豎向動位移較大，引起機墩底部截面的最大豎向動位移也超出了規(guī)范規(guī)定的允許值。規(guī)范[12]給出的機墩的限值，是針對機墩結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)力學(xué)法結(jié)果給出的，龍開口廠房機墩結(jié)構(gòu)振幅按照結(jié)構(gòu)力學(xué)法計算的結(jié)果分別為垂直向0.013 mm 和水平向0.064 mm，可以看出兩種計算方法的位移結(jié)果存在較大差異。當(dāng)按照規(guī)范進行機墩結(jié)構(gòu)的振幅控制時，建議采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法計算，動力法計算結(jié)果作為參考并可用于振動位移響應(yīng)分布規(guī)律的了解。

4 發(fā)電機層樓板聯(lián)接方式對抗振性能影響分析

發(fā)電機層是電站運行人員較為集中的場所，福建水口電站廠房近年來出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象，經(jīng)過研究為水力激振引起的發(fā)電機層板梁振動，主梁與上下游墻體簡支牛腿也出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象[15]。鑒于水口水電站也為常規(guī)中低水頭大型發(fā)電站，為盡量避免不可預(yù)測的水力振動引起的結(jié)構(gòu)振動破壞，龍開口水電站進行發(fā)電機層和中間層板梁與上下游墻體間支撐方式的比較研究，聯(lián)接方式分別為簡支與整澆，計算工況取額定運行工況。聯(lián)接方式對結(jié)構(gòu)自振特性的影響見表5。

表5 聯(lián)接方式對結(jié)構(gòu)自振特性影響對比

由上述對比成果可見，整澆聯(lián)接的結(jié)構(gòu)自振頻率均高于簡支邊界的結(jié)果，這說明發(fā)電機層及中間層板梁結(jié)構(gòu)支撐邊界條件由簡支改為整澆之后，板梁結(jié)構(gòu)對上、下游墻結(jié)構(gòu)的支撐剛度有所提高，提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，從而引起結(jié)構(gòu)自振頻率有所增加。

依據(jù)動力響應(yīng)分析結(jié)果，整澆聯(lián)接方式下結(jié)構(gòu)典型部位的位移響應(yīng)結(jié)果普遍較簡支支撐方式有所減小，說明了發(fā)電機層等板梁結(jié)構(gòu)與上下游墻體結(jié)構(gòu)整澆連接時會具有比簡支連接形式更優(yōu)的減振效果。水平位移最大減小幅度為46.31%，位于發(fā)電機層樓板部位；豎向位移最大減小幅度為7.29%，也位于發(fā)電機層樓板部位；水平位移響應(yīng)值減小的幅度較豎向位移響應(yīng)值明顯，反映出整澆支撐形式對發(fā)電機層等板梁結(jié)構(gòu)的水平剛度增強效果較明顯。

基于以上分析，建議龍開口水電站廠房發(fā)電機層及中間層板梁結(jié)構(gòu)與上下游墻結(jié)構(gòu)盡量整澆施工，若考慮一二期混凝土澆筑進度錯位的問題，可在梁與牛腿接觸部位增設(shè)一定的插筋，保證結(jié)構(gòu)連接的整體性，以提高水電站廠房結(jié)構(gòu)的抗振安全性，改善運行人員的工作環(huán)境。

2013 年11 月底電站5 臺機組全部投產(chǎn)，經(jīng)實地調(diào)研，發(fā)電機層、中間層樓板結(jié)構(gòu)無明顯振感，運行環(huán)境良好，廠房結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)振動破壞，整體安全穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1）必須重視中低水頭大型水電站廠房結(jié)構(gòu)的振動預(yù)測與控制，對機組振源特性及振動響應(yīng)規(guī)律進行研究，實現(xiàn)廠房結(jié)構(gòu)抗振優(yōu)化設(shè)計。

2）常規(guī)中低水頭水電站廠房振動控制標(biāo)準及減振措施可參考抽水蓄能電站廠房抗振減振成果，并根據(jù)常規(guī)水電站主廠房的結(jié)構(gòu)特點、運行環(huán)境和設(shè)計要求，提出廠房振動控制標(biāo)準建議值，作為廠房結(jié)構(gòu)振動預(yù)測和控制的依據(jù)。對重要結(jié)構(gòu)（機墩風(fēng)罩）振動控制還需采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法計算進行復(fù)核評價。

3）通過對龍開口水電站主廠房整體結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)分析，基本驗證了廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，若無其他不可遇見的振源（水力激振）將不會發(fā)生共振，廠房機墩風(fēng)罩結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)力學(xué)法計算振幅結(jié)果滿足規(guī)范要求，振動響應(yīng)速度與加速度響應(yīng)均滿足建筑結(jié)構(gòu)抗振和人體衛(wèi)生保健標(biāo)準。

4）為提高廠房結(jié)構(gòu)抗振安全性，建議蝸殼層以上一、二期結(jié)構(gòu)采用“整體澆筑”聯(lián)接。