中低水頭水電站廠房結構振動響應分析研究

郭德昌，劉加進

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，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，機組本體和支承結構剛度、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，對振動的預測和控制就變得十分困難[1-3]。即便機組設備制造廠家在設計制造時會結合理論和模型研究，對振動加以預測和預防，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，重要結構（尤其是機墩風罩結構）振動情況十分復雜，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]。

目前水電站廠房結構振動性能相關研究多集中于高轉速、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構的抗振性能研究較少，本文就依托龍開口水電站廠房結構振動響應分析對中低水頭大型機組電站廠房結構抗振性能進行研究。

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，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?。龍開口水電站共安裝5 臺360 MW 的混流式水輪機組，總裝機容量1 800 MW，設計水頭85 m，屬于中低水頭大型機組電站，電站機組額定轉速83.3 r/min，最大飛逸轉速170 r/min。下面采用三維有限元動力計算方法，分析廠房結構在不同運行工況及事故工況下，結構相應的振動動力響應特性。從結構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準，校核并判別廠房結構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構優(yōu)化措施。

2 廠房振動特性及共振復核

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構采用六面體單元（Solid45）模擬；發(fā)電機層和中間層的梁結構采用空間梁單元（Beam188）模擬；蝸殼和座環(huán)采用殼單元模擬；網(wǎng)架結構采用桿單元（Link8）模擬。

2.2 自振特性與共振復核

廠房結構前10 階自振頻率計算結果見表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)電機層樓板結構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)架結構平面外剛度比發(fā)電機層樓板平面外剛度小的緣故。

表1 廠房結構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。廠房結構第一、二階自振頻率與飛逸轉速頻率分別具有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。因此需重點關注飛逸工況下廠房結構與飛逸轉動發(fā)生共振的可能性。

表2 龍開口電站機組振源頻率Hz

3 結構振動控制分析

3.1 計算分析說明

采用動力法進行龍開口電站廠房結構的結構振幅與動力強度復核。根據(jù)機組振動荷載同頻率、同相位、周期性的特點，采用諧響應分析法進行計算。結構振幅與動力強度復核考慮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頻1.39 Hz，短路工況為電磁頻率50 Hz，飛逸工況為飛逸轉頻2.83 Hz。根據(jù)廠房結構自振特性和共振復核分析成果，本文僅對額定運行工況和飛逸工程結果進行分析研究。

3.2 結構振動控制

目前水電站廠房結構振動控制標準還比較少，僅規(guī)范[12]對機墩振幅給出了控制標準，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準也可參考以上規(guī)范及研究成果。本文參考國內外對建筑結構、動力機械基礎，以及人體健康等的振動控制標準，結合大型水電站廠房的結構特點、運行環(huán)境和設計要求，提出對龍開口水電站廠房振動控制標準的建議，見表3。

表3 龍開口水電站主廠房振動控制標準建議值

龍開口水電站廠房額定運行與飛逸工況的振動響應結果見表4。

表4 典型部位振動幅值

從表4 結果可以看：

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

2）豎向振幅多處超標的原因主要是由于常規(guī)大型發(fā)電機組自重較大，各荷載作用基礎處的垂直動荷載相應較大，有限元計算存在明顯的應力與應變集中現(xiàn)象，這在其它工程分析結論中也普遍存在[9-11，14]；由于下機架基礎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，是針對機墩結構的結構力學法結果給出的，龍開口廠房機墩結構振幅按照結構力學法計算的結果分別為垂直向0.013 mm 和水平向0.064 mm，可以看出兩種計算方法的位移結果存在較大差異。當按照規(guī)范進行機墩結構的振幅控制時，建議采用結構力學法計算，動力法計算結果作為參考并可用于振動位移響應分布規(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，為盡量避免不可預測的水力振動引起的結構振動破壞，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)接方式對結構自振特性的影響見表5。

表5 聯(lián)接方式對結構自振特性影響對比

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

依據(jù)動力響應分析結果，整澆聯(lián)接方式下結構典型部位的位移響應結果普遍較簡支支撐方式有所減小，說明了發(fā)電機層等板梁結構與上下游墻體結構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；水平位移響應值減小的幅度較豎向位移響應值明顯，反映出整澆支撐形式對發(fā)電機層等板梁結構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構與上下游墻結構盡量整澆施工，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一定的插筋，保證結構連接的整體性，以提高水電站廠房結構的抗振安全性，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，經實地調研，發(fā)電機層、中間層樓板結構無明顯振感，運行環(huán)境良好，廠房結構未出現(xiàn)振動破壞，整體安全穩(wěn)定。

5 結論

1）必須重視中低水頭大型水電站廠房結構的振動預測與控制，對機組振源特性及振動響應規(guī)律進行研究，實現(xiàn)廠房結構抗振優(yōu)化設計。

2）常規(guī)中低水頭水電站廠房振動控制標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)水電站主廠房的結構特點、運行環(huán)境和設計要求，提出廠房振動控制標準建議值，作為廠房結構振動預測和控制的依據(jù)。對重要結構（機墩風罩）振動控制還需采用結構力學法計算進行復核評價。

3）通過對龍開口水電站主廠房整體結構振動響應分析，基本驗證了廠房結構設計的合理性，若無其他不可遇見的振源（水力激振）將不會發(fā)生共振，廠房機墩風罩結構結構力學法計算振幅結果滿足規(guī)范要求，振動響應速度與加速度響應均滿足建筑結構抗振和人體衛(wèi)生保健標準。

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