枕頭壩一級(jí)水電站GIS及中控室隔振設(shè)計(jì)

陳丹燕，王 勇，金 建

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng)550081）

1 工程概況

枕頭壩一級(jí)水電站位于四川省樂山市金口河區(qū)境內(nèi)的大渡河中游干流上，電站采用堤壩式開發(fā)，工程樞紐建筑物由左岸非溢流壩段、河床廠房壩段、排污閘及泄洪閘壩段以及右岸非溢流壩段組成，攔河壩為常態(tài)混凝土閘壩。電站裝機(jī)容量720MW，多年平均發(fā)電量32.90億kW·h。

電站發(fā)電廠房為右岸河床式（長(zhǎng)196.40m，高78.10m，寬94m），為“一”字型布置，安裝4臺(tái)單機(jī)容量180MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，由主機(jī)間、左端安裝間、下游副廠房（主變室及GIS開關(guān)站）、下游尾水閘墩、尾水渠、左岸進(jìn)廠公路等建筑物組成。主機(jī)間從下到上分別為蝸殼、水輪機(jī)層、母線層、發(fā)電機(jī)層，共分4個(gè)機(jī)組段，右端接排污閘壩段，左端接安裝間；上游接進(jìn)水口，下游依次為下游副廠房（主變室及GIS開關(guān)站）、尾水閘墩、尾水渠等；安裝間上游為左岸非溢流壩段，下游為回車平臺(tái)和進(jìn)廠公路；左端有公路通過。進(jìn)廠公路由左岸公路接入，經(jīng)尾水渠左邊墻上部進(jìn)入安裝間前回車平臺(tái)。下游副廠房尾水平臺(tái)以上分別為主變層、高壓母線層、GIS層、高壓出線層。

2 問題的提出

GIS設(shè)備具有占地面積小，設(shè)備運(yùn)行安全、可靠，維護(hù)工作量小的優(yōu)點(diǎn)，已為國(guó)內(nèi)大多數(shù)大中型水電站所普遍采用，但其安裝和運(yùn)行環(huán)境條件要求相對(duì)較高，尤其應(yīng)避開較大振動(dòng)源的影響。GIS設(shè)備的所有帶電元件均由金屬外殼包圍封閉組成1個(gè)剛性整體，金屬外殼內(nèi)部充有一定壓力的SF6絕緣氣體。

枕頭壩一級(jí)廠房GIS開關(guān)站布置在尾水平臺(tái)上部，由于廠房尾水壓力脈動(dòng)引起的廠房振動(dòng)、機(jī)組運(yùn)行導(dǎo)致的廠房振動(dòng)會(huì)直接傳遞到下游副廠房GIS層，使GIS振動(dòng)較大，長(zhǎng)期運(yùn)行易造成GIS金屬封閉管件連接部位疲勞松動(dòng)、連接螺栓松動(dòng)脫落，造成密封失效從而可能導(dǎo)致重大電氣事故。如某水電站，GIS開關(guān)站布置在尾水平臺(tái)上部副廠房?jī)?nèi)，自上世紀(jì)70年代末投產(chǎn)以來，出現(xiàn)了許多問題，和振動(dòng)影響是有一定關(guān)系的[1]。

由于GIS設(shè)備自身避振措施非常有限，只能通過研究副廠房結(jié)構(gòu)來探索避振措施。本工程中控室與GIS開關(guān)站布置在同一層副廠房?jī)?nèi)，是電站運(yùn)行人員集中和長(zhǎng)期工作的地方，同樣受到廠房振動(dòng)和尾水脈動(dòng)的影響，達(dá)不到國(guó)標(biāo)GB10070振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。為改善運(yùn)行人員的工作環(huán)境，有必要進(jìn)行中控室避振措施研究。

3 廠房振動(dòng)分析

安裝水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組和各種輔助設(shè)備的水電站廠房由主廠房和副廠房?jī)刹糠纸M成。它是水工建筑物、機(jī)械和電氣設(shè)備的綜合體，又是運(yùn)行人員進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的場(chǎng)所。水電站運(yùn)行時(shí)廠房中的動(dòng)荷載種類多，包括水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，水力運(yùn)行，輔機(jī)中起吊設(shè)備、空壓機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)、空調(diào)等，其中前2項(xiàng)為引起振動(dòng)的主要振動(dòng)源，輔機(jī)因其質(zhì)量相對(duì)較小，對(duì)其一定范圍以外影響很小。廠房振動(dòng)主要考慮機(jī)組運(yùn)行以及相應(yīng)的脈動(dòng)壓力。

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)荷載主要有以下3種：

（1）垂直動(dòng)荷載：包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶軸重、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪帶軸重、軸向水推力、各種事故工況的豎向振動(dòng)分力等。

（2）水平動(dòng)荷載：包括不均勻磁拉力和機(jī)組偏心離心力等。

（3）發(fā)電機(jī)扭矩：發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于電磁感應(yīng)引起而作用在定子基礎(chǔ)及機(jī)架上，分正常扭矩和短路扭矩兩種。

機(jī)組振動(dòng)荷載可以分解成豎向、徑向和環(huán)向3個(gè)方向。機(jī)組振動(dòng)荷載中，數(shù)值較大、對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)影響較大的機(jī)組振動(dòng)荷載主要是作用在各基礎(chǔ)上的豎向（軸向）荷載。

4 隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 GIS結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

GIS是由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成，這些設(shè)備或部件全部封閉在接地的金屬外殼中，在其內(nèi)部充有一定壓力的SF6絕緣氣體。GIS設(shè)備基礎(chǔ)分布比較分散，布置范圍長(zhǎng)55.5m，寬17.3m，設(shè)備總重175.8t。

4.2 GIS隔振形式選擇

（1）水電站廠房振動(dòng)主要為機(jī)組運(yùn)行、水流壓力脈動(dòng)引起振動(dòng)，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組采取主動(dòng)隔振措施，即將機(jī)組基礎(chǔ)與廠房結(jié)構(gòu)之間采用彈性連接，結(jié)構(gòu)會(huì)異常復(fù)雜，成功的可能性非常小，代價(jià)非常大，幾乎不可能對(duì)機(jī)組采取主動(dòng)隔振。另一個(gè)振動(dòng)的主要因素為水流壓力脈動(dòng)，流道周邊混凝土結(jié)構(gòu)和廠房連為一體，不可能進(jìn)行主動(dòng)隔振。因此，GIS設(shè)備的隔振只能選擇被動(dòng)隔振，即將設(shè)備及其基礎(chǔ)與周邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離，采用彈性支座支撐。

與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合類型的隔振設(shè)計(jì)可分為：

1）支撐式隔振：為普遍使用的一種形式。隔振臺(tái)座用鋼筋混凝土、型鋼混凝土、石料、型鋼或鑄鋼制作，臺(tái)座應(yīng)具有足夠的剛度。

2）懸掛式隔振，包括以下2種：

①剛性吊桿懸掛式隔振：采用兩端鉸接的剛性吊桿懸掛隔振臺(tái)座及設(shè)備，此種形式僅用于減弱水平向振動(dòng)。

②懸掛支撐式隔振：兩端鉸接的剛性吊桿一端連接隔振臺(tái)座，另一端連接隔振器。隔振器一般為受壓狀態(tài)，此種形式用于減弱垂直向及水平向振動(dòng)。支撐式隔振為常用的隔振方案。

3）地板（樓板）整體式隔振：當(dāng)儀器、設(shè)備布置較密集時(shí)，采用此種形式，將大面積地板（樓板）置于隔振器上，這種形式常用于電子計(jì)算機(jī)機(jī)房。

（2）由GIS設(shè)備基礎(chǔ)布置情況可知，其基礎(chǔ)較多，設(shè)備之間由母線（充填SF6氣體的金屬氣室）連接，不宜單個(gè)進(jìn)行隔振，適合采用樓板整體式隔振。因此將GIS樓板考慮為GIS設(shè)備的整個(gè)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)布置長(zhǎng)55.5m，寬17.3m?；A(chǔ)下部布置隔振器，GIS設(shè)備+基礎(chǔ)+隔振器組成隔振體系?；A(chǔ)可布置無梁板結(jié)構(gòu)和板梁結(jié)構(gòu)。

1）無梁板結(jié)構(gòu)：樓板采用無梁板，與周邊結(jié)構(gòu)脫離，隔振器作為無梁板支撐點(diǎn)，隔振器布置在下部粱格交叉點(diǎn)上，粱格間距離控制在4m以下。

2）板梁結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成板梁結(jié)構(gòu)形式，與周邊結(jié)構(gòu)脫離，隔振器布置在上、下游側(cè)混凝土連續(xù)牛腿上，中間布置在柱頂部。

2種隔振體系比較：無梁板式隔振器下部梁格和上下游墻及中間構(gòu)架柱剛性連接，有利于加強(qiáng)副廠房的順河向剛度。板梁式結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)跨度較大，且結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，隔振器布置不對(duì)稱，單個(gè)隔振器承載能力要求較高。因此，采用無梁板式結(jié)構(gòu)隔振體系，可保證副廠房水平剛度，具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱，隔振器布置限制條件較少等優(yōu)點(diǎn)。

（3）根據(jù)GIS隔振體系固有頻率選擇要求，橡膠隔振器、橡膠墊等因最低固有頻率較高，不適合本工程；海綿乳膠因承載能力低、易老化，也不宜選擇；空氣彈簧隔振器價(jià)格昂貴，需要配置高度控制閥、控制柜、管道及接頭、空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、除塵器、出油器等輔助系統(tǒng)，不便于維護(hù)管理，一般用于隔振精度要求非常高的精密儀器，本工程沒有必要選擇。

彈簧隔振器構(gòu)造簡(jiǎn)單，承載范圍廣，免維護(hù)，頻率范圍2.1～3.5Hz，適合本工程。其缺點(diǎn)是阻尼小，對(duì)于固有頻率附近的干擾振動(dòng)，有發(fā)生共振風(fēng)險(xiǎn)，一般配合阻尼器進(jìn)行使用，目前市場(chǎng)上有廠家能提供彈簧阻尼隔振器，其阻尼能提高到0.05，這是避免共振擴(kuò)大的較佳阻尼值。

彈簧隔振器還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

彈簧隔振器由螺旋鋼彈簧、粘滯阻尼器和鋼結(jié)構(gòu)箱體組成，彈簧放在鋼板或者鋼套之間，彈簧的數(shù)量可增、可減，也可以采用不同剛度的彈簧組合而成；彈簧在整個(gè)荷載范圍內(nèi)有很好的荷載-壓縮線性關(guān)系。

彈簧具有高承載能力，彈簧隔振器可以按需設(shè)計(jì)，在垂直方向和水平方向上都有彈性，阻尼器在三維方向上同時(shí)具有阻尼耗能作用。

彈簧隔振器在出廠前經(jīng)過預(yù)壓縮，預(yù)壓量約為彈簧設(shè)計(jì)壓縮量的110%，從而在設(shè)備基礎(chǔ)施工以及設(shè)備安裝期間，彈簧隔振器始終為剛性支承。當(dāng)基礎(chǔ)施工完畢且設(shè)備安裝完成后，才利用專用設(shè)備將彈簧釋放。釋放后，彈簧的彈性才起作用。正是彈簧隔振器的可預(yù)壓縮性，才使方便地調(diào)整彈簧的高度成為可能，甚至在必要時(shí)，更換整個(gè)彈簧隔振器。

彈簧隔振系統(tǒng)不僅可以隔振，而且可以抵抗基礎(chǔ)的沉降和不均勻沉降。當(dāng)設(shè)備基礎(chǔ)發(fā)生少量的沉降或者不均勻沉降時(shí)，彈簧隔振系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)地調(diào)整各組彈簧的應(yīng)力，如果沉降過大，則可以采用在隔振器上增加（或者減少）調(diào)平墊片的方法來進(jìn)行補(bǔ)償，從而使設(shè)備基礎(chǔ)永遠(yuǎn)保持水平與穩(wěn)定。

由于彈簧隔振系統(tǒng)所有的參數(shù)都是確定的，很容易控制與修改，系統(tǒng)的各種特性很穩(wěn)定，隔振器使用壽命長(zhǎng)，達(dá)50年以上，且無易損件，基本無需日常維護(hù)和維修。

根據(jù)以上分析，參照其他行業(yè)類似隔振措施，絕大多數(shù)采用彈簧阻尼隔振器，本工程采用彈簧阻尼隔振器是合適的[1]。

4.3 GIS隔振器布置

根據(jù)GIS設(shè)備基礎(chǔ)布置情況，確定將彈簧隔振器布置在GIS設(shè)備基礎(chǔ)與設(shè)備下井字格梁之間， 彈簧隔振器通過專用防滑墊片與GIS設(shè)備基礎(chǔ)以及井字梁連接，避免了螺栓連接，簡(jiǎn)單方便。在進(jìn)行彈簧隔振器布置時(shí)，需要考慮以下幾條原則：

為了避免耦合振動(dòng)，彈簧隔振器布置間距不宜過大，一般＜5m，這樣在進(jìn)行彈簧隔振體系動(dòng)力分析時(shí)可不考慮隔振器下梁的變形。

設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮到彈簧隔振器的安裝空間以及上部結(jié)構(gòu)的荷載分布，根據(jù)隔振器上的荷載分布圖，選用不同承載能力的彈簧隔振器。盡量保證所有彈簧隔振器的彈簧壓縮量均勻一致。盡量保證所有彈簧隔振器的剛度中心與GIS設(shè)備和基礎(chǔ)的重心一致，這樣整個(gè)隔振系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生重心偏移，從而避免產(chǎn)生偏心荷載。

根據(jù)以上原則，結(jié)合GIS基礎(chǔ)布置，調(diào)整好梁格布置，在梁格上布置了90組隔振器。

4.4 中控室隔振設(shè)計(jì)

3、4號(hào)機(jī)組段GIS層布置中控室和其他電氣設(shè)備，是運(yùn)行人員主要活動(dòng)場(chǎng)所，分別布置了中控室、計(jì)算機(jī)室、通信設(shè)備室、蓄電池室、繼電保護(hù)室、交接班室和資料室等房間。根據(jù)相關(guān)資料所做的研究，本層振動(dòng)加速度級(jí)一般不滿足人體健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和《建筑物內(nèi)人體舒適度振動(dòng)容許值》標(biāo)準(zhǔn)，有必要采取隔振措施。

若采用GIS類似的隔振系統(tǒng)，即整個(gè)進(jìn)行基礎(chǔ)板隔振，因其柱子、隔墻、設(shè)備等布置很不均勻，板上開孔開洞較多，隔振器剛度中心較難控制和結(jié)構(gòu)中心重合，多數(shù)房間進(jìn)行隔振的必要性也不大。因此，主要對(duì)人員長(zhǎng)期工作的中控室進(jìn)行隔振處理。

目前，對(duì)于儀器設(shè)備室的隔振已經(jīng)比較成熟，絕大多數(shù)采用浮置地板技術(shù)，浮置樓板隔振器采用彈簧內(nèi)置式，浮置樓板隔振系統(tǒng)是針對(duì)某一個(gè)特定房間，在該房間的結(jié)構(gòu)樓板上，再做一層混凝土樓板，新做的混凝土樓板利用彈簧隔振器支撐在原來的結(jié)構(gòu)樓板上，從而切斷了振動(dòng)傳遞的路徑，避免設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)以及振動(dòng)引起的固體傳聲向室內(nèi)傳遞。彈簧隔振器的布置按照樓板上的荷載分布確定。每個(gè)彈簧隔振器由外套桶，內(nèi)套桶和配套的調(diào)平鋼板組成，內(nèi)套桶包括螺旋鋼彈簧和阻尼材料，是主要的隔振元件。

5 隔振效果評(píng)價(jià)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的相關(guān)研究，機(jī)組振動(dòng)荷載和低頻脈動(dòng)壓力作用下，設(shè)置了隔振方案后，GIS室和中控室的振動(dòng)略有增加，但上述荷載作用下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)比較小，尤其是振動(dòng)速度和加速度數(shù)值很小，因此即使略有放大也不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本身和人體健康造成影響。而脈動(dòng)頻率較高的工況隔振方案，樓板的振動(dòng)響應(yīng)普遍小于非隔振方案，從隔振方案振動(dòng)響應(yīng)和非隔振方案相比的減小比例看出對(duì)高頻脈動(dòng)壓力，隔振措施有明顯的隔振效果，對(duì)豎向振動(dòng)位移的減小比例可達(dá)70%以上，對(duì)速度和加速度的減小比例普遍在60%以上，隨脈動(dòng)壓力頻率的增加，其減小幅度越大，工況隔振方案樓板位移、速度和加速度最大可分別減小78%、98%和99%。采用隔振措施后，GIS室和中控室振動(dòng)加速度均能滿足關(guān)于人體舒適度的控制標(biāo)準(zhǔn)。

總體而言，隔振方案對(duì)高頻脈動(dòng)壓力有較好的隔振效果，除了減小振動(dòng)位移外，更能有效降低因高頻引起的高振動(dòng)速度和加速度；對(duì)低頻荷載引起的振動(dòng)雖然有所放大，但影響很小。

6 結(jié)語(yǔ)

水電工程經(jīng)過多年的建設(shè)發(fā)展，各類關(guān)于工程經(jīng)濟(jì)、安全的研究已經(jīng)日趨完善，保障了工程的順利建設(shè)及安全運(yùn)行。水電站廠房為大型的工業(yè)廠房，布置了眾多的設(shè)備，是運(yùn)行人員活動(dòng)的主要場(chǎng)所，廠房?jī)?nèi)多種設(shè)備都會(huì)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，引起廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)，其中起控制作用的主要為水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)及水力脈動(dòng)。隨著大型水電廠房的興建，其機(jī)組荷載大，水力脈動(dòng)更復(fù)雜，引起的廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)逐步得到關(guān)注。

水電站廠房?jī)?nèi)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行對(duì)環(huán)境要求相對(duì)較高，振動(dòng)、濕度、溫度等對(duì)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行及設(shè)備故障率都會(huì)產(chǎn)生影響，目前在電站廠房設(shè)計(jì)階段，對(duì)環(huán)境的設(shè)計(jì)考慮重視程度還不夠，尤其是微小振動(dòng)的影響。枕頭壩河床式廠房單機(jī)僅有180MW，但其因水頭低、引用流量大，采用的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組尺寸大、荷載大、廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)比其他廠房可能會(huì)突出些。因布置條件限制，廠房GIS開關(guān)站及人員較集中的中控室只能選擇布置在尾水平臺(tái)以上的副廠房?jī)?nèi)，機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)及水力脈動(dòng)引起GIS設(shè)備及副廠房的振動(dòng)會(huì)更加明顯，振動(dòng)環(huán)境對(duì)GIS設(shè)備的運(yùn)行不利，增加了設(shè)備發(fā)生故障的概率，而GIS設(shè)備的故障會(huì)帶來較大的停電損失，因此，我們主要研究其微小振動(dòng)，采取必要隔振措施，改善GIS設(shè)備運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行人員環(huán)境。

通過研究，GIS室及中控室結(jié)構(gòu)振動(dòng)量還在微小振動(dòng)范圍，結(jié)構(gòu)是安全的，但其振動(dòng)量超過了人體健康安全及人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)，有必要進(jìn)行隔振處理。目前隔振技術(shù)日趨成熟，在工業(yè)設(shè)備、精密儀器、軌道交通、火電核電動(dòng)力基礎(chǔ)、建筑減振等領(lǐng)域都已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，為本工程隔振措施提供了諸多借鑒。

研究采用的彈簧隔振技術(shù)，彈簧隔振系統(tǒng)所有的參數(shù)都是確定的，很容易控制與修改，系統(tǒng)的各種特性很穩(wěn)定，隔振器使用壽命長(zhǎng)，達(dá)50年以上，且無易損件，基本無需日常維護(hù)和維修。隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，投資較小，施工簡(jiǎn)單。隔振性能計(jì)算和動(dòng)力分析表明，隔振效果明顯，極大的降低了GIS副廠房振動(dòng)能量，改善了GIS運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行人員工作環(huán)境。