大型燈泡貫流式水電站廠房振動安全分析

王 婧， 田 建 海， 張 奕 澤， 王 剛， 馬 震 岳

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.大連理工大學，遼寧 大連 116024)

0 引 言

燈泡貫流式水電站因其節省投資、水頭損失小、水力資源利用充分等優點，已成為低水頭水力資源開發的優選形式。從燈泡貫流式電站廠房的結構特性而言，其空腔比大、自重較輕、管型座支承受力大且受力分布復雜，廠房振動方面的問題需引起重視[1-2]。

結合某大型燈泡貫流式水電站廠房，進行振動安全研究。該電站機組單機容量為60 MW，是目前國內單機容量最大的燈泡貫流式機組。同時，該電站受場地因素限制，GIS開關站布置在廠房的尾水平臺上方，GIS設備受電站運行時機組的振動、流道水流脈動壓力[3]等的影響可能較為顯著。通過數值仿真分析廠房發生共振危險的可能性，計算廠房結構在受迫振動下的振動響應，并以此對廠房振動控制做出評價，討論GIS開關站布置在尾水平臺上方的可行性。

1 燈泡貫流式機組廠房振動控制標準

目前，在廠房動力設計中，需對結構共振問題進行判斷以便在設計過程中通過結構調整對其加以避免。關于共振復核，現行《水電站廠房設計規范》(NB35011-2016)只是要求機墩結構自振頻率和干擾振源頻率的錯開度大于20%。由于沒有關于廠房上部框架結構共振復核等方面內容的明確規定，僅憑自振頻率不能得出明確的廠房共振結論，需要進一步結合廠房的動力反應幅值做出評價。

參考國內外對建筑結構以及動力機械基礎的振動控制標準，結合廠房結構特點、運行環境和設計要求，提出了水電站廠房振動控制標準建議值[4]，見表1。由于具體工程的振動狀態、結構設計、運行環境條件的不同，控制標準可能不同，必須結合實際加以分析，制定出既考慮技術指標和安全性又兼顧經濟性的標準。對于GIS等電氣設備，若按照儀器設備的控制標準，振動速度不應超過1.5 mm/s，這對于水電站電氣設備過于嚴格。

表1 水電站廠房振動控制標準建議值

2 廠房自振特性與共振復核

某大型燈泡貫流式水電站廠房共有三個機組段，每個機組段裝有兩臺燈泡貫流式機組。在數值計算中，選取中間機組段建立有限元模型，機組段整體三維有限元網格見圖1。廠房基巖及大體積混凝土結構采用實體單元進行模擬，廠房樓板采用殼單元進行模擬，廠房各層梁及柱采用梁單元進行模擬，網架采用二力桿單元(LINK8)進行模擬，網架球節點及屋面板重量折算后用質量單元(MASS21)進行模擬。模型共劃分單元79 538個，節點91 440個。

圖1 機組段整體三維有限元網格

根據機組可能的振源頻率特性進行共振復核[5]，依據20%的錯開度評價，分析廠房結構固有振動頻率與振源頻率匯總及頻率錯開度表(表2)得出以下結論：機組額定轉頻、尾水管低頻渦帶及電氣高頻共振的危險性基本不存在，頻率保持有足夠的錯開度。頻率錯開度低于20%的區段有：第1～2階自振頻率與甩負荷轉頻、第1～3階與2倍額定轉頻、第4～5階與飛逸轉速頻率和第7～14階與水輪機轉輪葉片數頻率的耦合。

表2 廠房結構固有振動頻率與振源頻率匯總及頻率錯開度表

鑒于機組運行中的振源特性十分復雜，可能出現的振源很多，頻率從低頻(0.36 Hz)到高頻(100 Hz)的分布極廣，通常難以完全錯開所有的共振區間。只能從可能出現的振源頻率和結構基本頻率的共振復核著眼，結合水輪機模型試驗成果和機組設計及運行特性加以研究，解決主要矛盾。

雖然機組額定轉頻與廠房自振頻率具有較大的錯開度，但考慮到機組動荷載較大，仍需要以電站正常運行工況為主進行廠房振動計算與復核。甩負荷工況雖屬偶然工況，設計上考慮將其作為負荷變化過程設備基礎受力的上限值，故對此工況也進行振動計算。

3 廠房機組動荷載振動響應研究

動力響應計算中，假定振動荷載(機組動荷載)為單一頻率的周期性激勵荷載，利用諧響應方法計算出振動位移幅值，然后乘以圓頻率及其平方，即可得到振動速度和加速度的幅值[6]。若考慮同時作用不同頻率振動荷載，可以分別計算不同荷載的反應，再進行線性疊加。

根據機組運行狀態的不同，有限元計算分兩種工況：(1)正常運行工況，兩臺機組均正常運行，假設所有振動荷載為簡諧力，頻率等于額定轉速頻率。(2)甩負荷工況，其中一臺機組甩負荷，振動荷載頻率為機組甩負荷轉速頻率，另一臺機組正常運行。

機組正常運行時，各關鍵部位的振動位移、速度和加速度均小于廠房振動控制標準建議值。廠房整體結構的最大動位移發生在主廠房上游排架柱柱頂的順河向，為0.176 mm。GIS層樓板在三個方向上的最大動位移不突出，其中順河向和豎向振幅較大。廠房下部的管型座基礎在順河向的動位移最大，為0.172 mm，遠小于控制標準建議值，故機組基礎滿足振動安全要求。

機組甩負荷運行時，廠房整體結構順河向的位移和速度最大，最大動位移為0.647 mm，最大速度達到9.245 mm/s，發生在副廠房屋頂，超過了相應部位振動控制標準建議值。GIS層樓板在橫河向方向上的位移較大，為0.237 mm，作為建筑結構考慮，其振動位移允許值為0.2 mm，結構順河向振幅不滿足位移控制標準要求。橫河向的振動速度也較大，達到3.110 mm/s。若按照儀器設備基礎考慮，振動允許值為1.5 mm/s，不滿足速度控制標準要求。廠房下部的機組基礎在順河向方向上動位移最大，為0.300 mm，該方向上的速度也較大，達到4.222 mm/s，發生在管型座基礎附近，接近5 mm/s的振速控制要求。機組動荷載作用下廠房振動響應幅值見表3。

表3 機組動荷載作用下廠房振動響應幅值

通過共振復核分析可知，機組甩負荷運行時，由于副廠房上部框架的第1階自振頻率與機組甩負荷時的轉速頻率接近，且機組甩負荷時產生的瞬時動荷載較大，在副廠房GIS層樓板與頂板、管型座部位能夠引起較大的振動位移和速度。對于管型座基礎而言，經計算其振動位移值小于靜力作用下的結構變形，設計上主要以滿足結構受力要求為主。副廠房上部主要布置GIS室和出線場，即使發生瞬時強烈振動也不至于引起結構破壞和電氣設備的運行故障，且因機組甩負荷運行在工程實際中屬短暫狀況，發生幾率較小且甩負荷后的運行時間很短，不宜按照水電站廠房設計規范和相關規范的一般性振動控制標準進行復核。

針對上述不利情況，在運行中可通過實時監測，掌握和控制振動狀態，從而合理地加以避免。同時，也可以考慮增加工程抗振、隔振(減振)措施，以進一步減小廠房振動對GIS等設備運行的影響。當前的工程應用中，可采用將GIS等設備與基礎進行振動隔離的被動控制(消極隔振)技術。一種方法是用隔振(減振)器，另一種是安裝阻尼橡膠板。該隔振裝置需進行專門的隔振設計，并根據廠房結構的實際振動狀態、裝置施工安裝難易程度及施工、維護成本進行合理選擇。

4 結 語

研究了大型燈泡貫流式機組廠房的振動安全評價方法，提出適合于某燈泡貫流式水電站廠房的振動安全控制標準，研究結果可作為貫流式水電站廠房振動預測與控制的定性或定量依據。

通過廠房結構自振頻率計算及共振復核，工程實例電站主、副廠房布置緊湊，整體結構剛度較大，自振頻率比較密集。雖然該工程機組額定轉頻與廠房結構自振頻率具有較大的錯開度，但考慮到機組動荷載較大，仍需要以電站正常運行工況為主進行廠房振動計算與復核。

動力安全分析表明：機組正常運行時，在機組動荷載作用下，對于廠房結構的不同構件和不同高程，廠房振動反應基本在允許范圍內。設計滿足電站安全運行要求，GIS開關站布置在尾水平臺上是可行的。機組甩負荷運行時，GIS設備層和屋面出線場樓板響應較大，需加強機組運行監測或采取合理的減振、消振措施。可考慮在GIS等重要機電設備與其基礎間增加隔振(減振)裝置進一步減小廠房振動的不利影響，從而提升電站的安全平穩運行性能。