陜西鎮安抽水蓄能電站地下廠房動力響應分析

摘要：

抽水蓄能電站水頭高，地下廠房結構振動問題突出，啟停頻繁，地下廠房動力響應分析作為廠房設計研究中的重點問題受到更多關注。以陜西鎮安抽水蓄能電站為例，利用ANSYS有限元軟件建立地下廠房實體模型，通過進行廠房自振特性及共振分析和對機組荷載及壓力脈動作用下地下廠房動力響應進行研究，分析了不同工況下廠房整體、局部結構自振特性和動力響應。結果表明：鎮安抽水蓄能電站廠房抗振設計基本合理，樓梯和立柱作為廠房薄弱環節需重點關注；電站在低水頭運行時，廠房結構動力響應明顯增大，在實際運行中應合理調度，盡量減少低水頭運行時長。研究結果可為類似工程設計提供參考。

關鍵詞：

廠房振動； 動力響應； 自振特性； 壓力脈動； 鎮安抽水蓄能電站

中圖法分類號：TV743；TV731.6

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.016

文章編號：1006-0081（2025）01-0092-04

0 引 言

自“雙碳”目標設立以來，中國大力發展新能源，全面推進風電、太陽能大規模開發和高質量發展。由于新能源發電出力具有隨機性、間歇性和波動性，需要具有儲能調節能力的電源與之配合運行。抽水蓄能電站作為技術成熟、經濟性優的大容量儲能技術，成為了新型電力系統配套儲能的首選技術。

抽水蓄能電站水頭高、轉速快，可逆式機組雙向運行，荷載工況轉換頻繁，廠房結構振動問題比常規水電站更加突出，在設計過程中應予以更多關注［1-4］。目前已有多個抽水蓄能電站項目針對地下廠房結構振動問題進行研究。張捷等［5］根據西龍池抽水蓄能電站實際情況，通過正分析計算與實測響應分析，對廠房抗振設計進行評價；陳婧等［6］針對宜興電站水力激勵振動反應進行分析，對廠房振動位移、速度、加速度等進行復核評價；劉建峰等［7］以仙居抽水蓄能電站進行結構動力特性分析和振動分析，提出抗振優化設計；童恩飛等［8］結合瓊中抽水蓄能電站廠房有限元分析結果，提出了適用該電站地下廠房振動的控制標準。

鎮安抽水蓄能電站安裝4臺可逆式機組，兩臺為定速機組，兩臺為變速機組，機組間設置2 cm寬結構縫。鑒于部分已建電站在運行過程中存在較強的振動和噪音情況，為研究鎮安電站振動情況，降低電站運行期可能存在的振動機噪音影響，本文以ANSYS有限元軟件為基礎，建立了鎮安地下廠房三維有限元模型，分析廠房自振特性并進行共振復核，同時分析各種動力荷載作用下廠房振動響應情況并予以評價，為工程設計提供理論依據。

1 工程概況

鎮安抽水蓄能電站位于陜西省鎮安縣月河鎮，電站承擔陜西省電力系統調峰、填谷、調頻、調相、緊急事故備用等任務。電站裝機容量1 400 MW，安裝4臺單機容量為350 MW可逆式水泵水輪機組。機組額定水頭440 m，額定轉速375 r/min，飛逸轉速544 r/min，轉輪葉片數9個，固定導葉22個。機組鋼蝸殼采用保壓蝸殼型式，蝸殼保壓值3.8 MPa，金屬蝸殼與外圍混凝土共同承擔內水壓力。主機間蝸殼層高程以下為大體積混凝土，以上為蝸殼外包混凝土、機墩、風罩等機組支承結構與周邊墻為主的結構形成，各層樓板采用厚板+柱結構型式。各機組間設2 cm寬結構縫，用聚乙烯閉孔泡沫板進行充填。

2 計算模型與荷載施加

本文以2號機組段為研究對象，計算模型沿廠房上下游方向總長共25.50 m，沿廠房縱軸線方向為一個機組段寬度26.50 m，高度從高程817.5 m到851.0 m，共33.5 m。

計算模型采用笛卡爾直角坐標系，其X軸為上下游方向，指向上游為正；Y軸為水平方向，沿廠房縱軸線指向右端為正（面向下游）；Z軸為鉛直方向，以向上為正；坐標系原點取在水輪機安裝高程（835.0 m）與機組軸線相交處。對廠房混凝土結構、鋼蝸殼、座環、吊物孔、機坑進人門、風罩進人門、主出線孔洞等按照實際尺寸模擬。鋼蝸殼、尾水管等鋼結構采用四節點殼單元模擬，混凝土采用八節點六面體單元模擬。整個計算模型共88 592個結點，144 859個單元，其中鋼蝸殼1 025個單元，尾水管1 224個單元，混凝土130 746個單元，基巖10 786個單元。廠房三維有限元模型及網格劃分見圖1～2。

3 自振特性及共振分析

3.1 研究方案

圍巖約束條件將直接影響地下廠房結構的整體振動特性。考慮地下廠房上下游墻柱與圍巖之間接觸的不確定性，本文采用彈簧單元對上下游墻與圍巖接觸節點進行約束，同時采用不同的單位彈性抗力系數模擬圍巖約束強度。考慮機組軸系及支承體系對廠房自振特性影響較小，機組荷載直接在上機架基礎、定子基礎及下機架基礎對應部位，機組荷載采用附加質量單元進行模擬［9］，共設置5種方案進行對比分析，見表1。鑒于廠房下部結構及立柱剛度較大，一般在低階陣型中不會表現，因此采用“無質量地基”法［10］對廠房樓板和立柱進行局部結構自振特性分析，其他結構僅提供邊界約束。

3.2 自振特性分析

5種方案地下廠房整體振動前20階自振頻率如圖3所示。結合各方案前20階振型圖分析，可以得出以下結果。

圍巖對結構的約束條件是廠房自振特性的重要影響因素，隨著上下游約束的不斷加強，廠房結構起振頻率不斷提高，振型也不斷變化。對比3種方案，隨著法向約束不斷加強，各階自振頻率不斷提高，且由于無順水流方向約束，方案1的廠房第一階振型為順水流方向振動，方案2，3的廠房第一階振型則表現為沿縱軸線方向振動。方案2，3中，圍巖單位彈性抗力系數由60 MPa/cm提升至120 MPa/cm，約束增強后，第一階自振頻率由10.935 Hz提高到11.929 Hz，增幅為9.1%，其他各階自振頻率升高值也基本維持在10%以內，說明廠房自振特性對圍巖彈性模量不敏感。方案4，5較方案3增加了切向彈性約束，廠房整體振動消失，廠房第一階振動頻率提升較高。由于方案5上下游采用三向固定約束，第一階振動頻率較方案4提高了4.181 Hz，增幅為18.0%，切向約束對廠房整體振動影響明顯。考慮到上下游墻柱等結構與圍巖間存在噴混凝土，連接面可承受壓力并且在振動過程中存在一定的摩擦力，不能承受拉力，方案4可以較好地模擬廠房約束情況，因此廠房共振復核采用方案4進行對比。

3.3 共振分析

抽水蓄能電站水泵水輪機組振源分為機械振源、電磁振源、水力振源3種。鎮安抽水蓄能電站機組額定轉速n=375 r/min，飛逸轉速np=544 r/min，轉輪葉片數9個，固定導葉22個，由此得出主要振源頻率特性見表2。

根據NB 35011-2016《水電站廠房設計規范》，水電站廠房是否發生共振的校核標準如下：結構自振頻率（f自）與強迫振動頻率（f激）之差的絕對值與自振頻率之比應大于20%，即|（f自-f激）/f自|≥20%時，便認為不會產生共振。經對比：① 機組額定轉頻、2倍額定轉頻、飛逸轉頻、尾水管內低頻、中頻渦帶與廠房自振頻率具有足夠的錯開度，引起廠房強烈振動的可能性較小；② 對局部結構自振進行分析可知，發電機層樓板、母線層樓板、機墩和樓梯等結構高階局部自振頻率轉輪葉片數頻率56.25 Hz及其2倍頻率112.5 Hz流道脈動壓力錯開度不夠，但結構1～3階自振頻率均有較大錯開度，局部結構高階自振頻率與振源頻率大都無法完全錯開，為確定廠房結構是否會共振，將進一步開展脈動壓力作用下的動力響應分析，具體對位移、加速度、動力加速度進行計算和評價，以論證廠房結構抗振設計合理性。

4 廠房動力分析

4.1 廠房振動控制標準

現行規范中對廠房振動控制標準尚無明確規定，結合現有關于抽水蓄能電站廠房振動的研究［11］，從建筑結構、人體衛生保健等方面提出鎮安主廠房振動建議控制標準值，見表3。

4.2 機組動荷載作用下廠房動力響應分析

水輪發電機組運行時產生的振動荷載主要分為垂直荷載、水平荷載和徑向荷載。根據上、下機架基礎和定子基礎受力分析，上機架基礎主要受力為水輪發電機組水平動荷載和徑向荷載，定子基礎和下機架基礎主要受力為水輪發電機組水平荷載、垂直荷載以及徑向荷載，機組重量作為靜荷載，以質量單元形式平均分配至支承部位。根據機組運行的不同工況，分別計算正常運行工況（C1）、飛逸工況（C2）、兩相短路工況（C3）、半數磁極短路工況（C4）等4種工況。考慮到機組動荷載在機組轉動過程中呈周期性重復，故機組動荷載以兩個相位差為90°的簡諧荷載進行模擬，其中C1、C3、C4工況下機組動荷載頻率為機組轉頻，C2工況下機組動荷載轉頻為機組飛逸頻率。

根據計算結果，不同工況下廠房結構振動反應最大值見表4。

機組動荷載作用下廠房各部位振幅均滿足小于0.2 mm的要求，最大振幅發生在半數磁極短路工況時下機架基礎板內側，為0.145 mm，對應拉應力2.580 MPa。機組飛逸工況下下機架基礎板處最大振動速度4.558 mm/s，加速度0.260 m/s2，均滿足表3中控制標準要求。

5 流道脈動壓力作用下廠房動力響應

水輪機流道脈動壓力經蝸殼和尾水管，通過外包混凝土、機墩等支承結構傳遞至廠房樓板、樓梯等構件。根據水輪機廠家壓力脈動試驗成果，從資料中選取4種工況進行分析，分別計算了機組最大運行水頭和最小運行水頭下，機組不同出力時，廠房結構動力響應情況，見表5。

動力響應計算將流道分為5個區域加載，加載數據根據水輪機廠家提供相應部位壓力脈動試驗結果進行。1區為蝸殼內表面，激振頻率主要包括1倍轉頻6.25 Hz；2區為固定導葉、活動導葉及無葉區范圍，激振頻率包括9倍和18倍轉頻；3區為頂蓋范圍，激振頻率包括9倍和18倍轉頻；4區為尾水管直錐段，激振頻率包括1倍和2倍轉頻；5區為尾水管肘管段和擴散段，激振頻率包括1倍和2倍轉頻。脈動壓力作用下廠房各部位結構振動值見表6。

根據計算結果可知，廠房結構的振動響應主要由轉輪葉片數頻率及倍頻引起，水平向振動主要表現為蝸殼層立柱的響應較大，豎向則主要表現為母線層樓板上游側以及樓梯踏步的響應較大，主要原因為結構局部自振頻率與56 Hz比較接近。廠房結構最大豎向振幅為工況1母線層豎向振幅，為0.005 7 mm，對應均方根速度為1.531 7 mm/s，最大水平振幅為工況2蝸殼層立柱水平振幅，為0.042 6 mm，對應均方根速度為2.656 5 mm/s，均滿足表3所列控制標準，說明壓力脈動作用下廠房振動不會影響結構安全。

6 結 論

通過對鎮安抽水蓄能電站2號機組段進行三維有限元分析，經過共振復核、廠房動力分析、脈動壓力作用下廠房動力響應分析，得到以下結論。

（1） 隨著約束增強，廠房自振頻率整體呈提高趨勢，但對于廠房局部結構自振頻率影響不大，廠房結構局部自振頻率主要取決于結構自身尺寸，在機組共振復核過程中，采用合理的方式模擬廠房結構與圍巖的聯系，可以更好地反映廠房動力特性。

（2） 機組動荷載作用下，廠房發電機層樓板和母線層樓板振幅均可以滿足要求，同時各工況下典型部位振幅、均方根速度、加速度滿足廠房控制標準。

（3） 流道壓力脈動作用時，廠房結構的振動響應主要由轉輪葉片數頻率及倍頻引起，主要原因為結構局部自振頻率與56 Hz比較接近。蝸殼層立柱水平振動，母線層樓板近吊物孔位置處豎向振動較大，最小水頭發電時廠房結構的振動響應明顯增大，應根據運行條件情況，盡量減少低水頭時電站運行時長。

參考文獻：

［1］ 袁壽其，方玉建，袁建平，等.我國已建抽水蓄能電站機組振動問題綜述［J］.水力發電學報，2015，34（11）：1-15.

［2］ 于鑫，陳婧，閆濱.大型抽水蓄能電站地下廠房結構振動反應分析［J］.沈陽農業大學學報，2019，50（4）：507-512.

［3］ 郭建強，許亮華，歐陽金惠，等.大型抽水蓄能電站廠房局部結構自振頻率特性研究分析［J］.水電與抽水蓄能，2023，9（1）：48-55.

［4］ 劉旸，袁靜，李成軍，等.寧海抽水蓄能電站機組相位共振風險評估［J］.水利水電快報，2024，45（3）：90-95.

［5］ 張捷，周長興.地下廠房結構振動響應分析［J］.四川水力發電，2017，36（5）：108-112.

［6］ 陳婧，馬震岳，戚海峰，等.宜興抽水蓄能電站廠房結構水力振動反應分析［J］.水力發電學報，2009，28（5）：195-199，91.

［7］ 劉建峰，鄭齊峰，楊經卿.仙居抽水蓄能電站廠房動力特性分析［C］∥抽水蓄能電站工程建設文集.北京：中國電力出版社，2016：5.

［8］ 童恩飛，張智敏，伍鶴皋，等.瓊中抽水蓄能電站地下廠房結構振動特性分析［J］.水利水電技術，2016，47（11）：29-35.

［9］ 屈海濤，馬震岳.水電站機組支承體系與廠房耦合振動分析［J］.水利水電技術，2018，49（9）：127-132.

［10］ 李靜，陳建云.動力相互作用分析中無質量地基的應用研究［J］.世界地震工程，2007（2）：58-62.

［11］ 張雷克，張金劍，王雪妮，等.水電機組轉子-轉輪彎扭耦合振動特性分析［J］.水力發電學報，2021，40（9）：102-112.

（編輯：高小雲）

Dynamic response analysis on powerhouse structure of Shaanxi Zhen′an Pumped Storage Power Station

QU Haitao1，WANG Yajun2，YANG Dongsheng1

（1.POWERCHINA Northwest Engineering Corporation limited，Xi′an 710065，China； 2.Shaanxi Zhen′an Pumped Storage Co.，Ltd.，Xi′an 710061，China）

Abstract：

Due to the high water head，prominent problems of structural vibration in underground powerhouses and frequent start-stop of pumped storage power stations，the dynamic response analysis of underground powerhouses had received more attention as a key issue in the design and research of powerhouses.Taking Shaanxi Zhen′an Pumped Storage Power Station as an example，a solid model of the underground powerhouse was established using ANSYS finite element software.The natural vibration characteristics and resonance analysis of the powerhouse，as well as the dynamic response of the underground powerhouse under the action of unit load and pressure pulsation were studied.The overall and local structural natural vibration characteristics and dynamic response of the powerhouse under different working conditions were analyzed.The results indicated that the anti-vibration design of the Zhen′an Pumped Storage Power Station building was basically reasonable，and the stairs and columns，as weak links in the building，need to be given special attention.When the power station operates at a low head，the dynamic response of the plant structure increases significantly.In actual operation，reasonable scheduling should be carried out to minimize the duration of low head operation.The research results can provide a reference for the design of similar engineering projects.

Key words：

vibration of powerhouse； dynamic response； self-vibration characteristics； pressure fluctuation； Zhen′an Pumped Storage Power Station