郭德昌，張宏戰(zhàn)，薛石平，馬震岳

(1.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；2.大連理工大學 建設(shè)工程學部 水利工程學院， 遼寧 大連 116024)

抽水蓄能以其經(jīng)濟、清潔的優(yōu)點，成為目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最成熟的一種儲能技術(shù)。隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國的抽蓄電站建設(shè)也進入了蓬勃發(fā)展期。至2018年年底國內(nèi)抽水蓄能電站在運裝機規(guī)模約3 002.5 萬kW，在建裝機規(guī)模約4 321.0 萬kW，在建和在運容量均居世界第一[1]。抽水蓄能電站因為水頭高、容量大、機組轉(zhuǎn)速高和雙向運行等特點，振動能量較為突出，廠房結(jié)構(gòu)的抗振設(shè)計必須予以更多的關(guān)注[2-4]，我國已建成的十三陵[5]、廣州[6]、惠州[7]和張河灣[8]等抽蓄電站均出現(xiàn)了不同程度的廠房振動和噪音異常問題。為適應(yīng)經(jīng)濟性、高效率和快速調(diào)節(jié)等要求，高水頭化、大容量化、高轉(zhuǎn)速化和可調(diào)速化已成為抽水蓄能機組的發(fā)展趨勢[9]，這也為抽水蓄能電站廠房結(jié)構(gòu)的抗振設(shè)計提出了更高的要求。

目前圍繞抽水蓄能電站廠房結(jié)構(gòu)振動問題已有不少研究成果。孫萬泉等[10]基于振動實測數(shù)據(jù)有限元計算分析，考察了抽水蓄能電站廠房結(jié)構(gòu)的主要振源和傳遞路徑，并對蝸殼內(nèi)脈動壓力的加載方式進行了對比。陳婧等[11]采用數(shù)值分析考察了某抽蓄電站廠房內(nèi)振動和噪聲問題突出的原因，結(jié)果認為壓力脈動幅值大，頻率高且與母線層和水輪機層立柱結(jié)構(gòu)的自振頻率遇合是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈振動的主要原因。曹璽等[12]在總結(jié)國內(nèi)外控制標準的基礎(chǔ)上，提出了抽水蓄能電站廠房的振動控制標準建議值，并對仙居抽水蓄能電站廠房的振動進行了復(fù)核和評價。歐陽金惠等[13]開展了現(xiàn)場振動測試和三維有限元分析，考察了某抽蓄電站廠房的主要振源，并提出了擴大立柱截面尺寸的減振措施。但這些研究成果著重研究的都是單臺機組振動荷載和流道內(nèi)水力脈動作用下的廠房結(jié)構(gòu)振動問題，均未考慮廠房相鄰機組段間的振動影響。

隨著我國抽水蓄能電站的快速發(fā)展，不同轉(zhuǎn)速的機組以及定速機組和變速機組布置在同一廠房內(nèi)工程項目已經(jīng)開工建設(shè)。如長龍山抽水蓄能電站采用500 r/min和600 r/min兩種高轉(zhuǎn)速機組，而豐寧抽水蓄能電站即有定轉(zhuǎn)速機組又有變轉(zhuǎn)速機組。評價廠房相鄰機組段間的振動影響和明確振動的傳遞規(guī)律已成為工程建設(shè)的迫切要求。目前僅王海軍等[14]基于振動實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬研究了常規(guī)電站地下廠房相鄰機組段間的振動傳播規(guī)律，分析認為地基是相鄰機組段相互振動傳遞的主要路徑之一，中頻激振力對相鄰機組段振動影響較低頻和高頻激振力更加明顯。

國內(nèi)某大型抽水蓄能電站采用500 r/min和600 r/min兩種高轉(zhuǎn)速機組相鄰布置，由于不同轉(zhuǎn)速相鄰機組段的振動是否存在顯著的相互影響尚不明確，兩機組段間設(shè)有5 cm的防振縫。本文以該電站地下廠房為研究對象，建立了包含兩個相鄰機組段廠房結(jié)構(gòu)的整體有限元模型，系統(tǒng)地考察了機組流道脈動壓力作用下相鄰機組段間振動的相互影響，研究結(jié)論為電站廠房的抗振設(shè)計提供了必要的技術(shù)支持和依據(jù)。

1 計算模型和工況

1.1 計算模型

以4#與5#機組段為研究對象，建立雙機組段廠房結(jié)構(gòu)有限元模型。兩機組段間有5 cm寬的防振縫，4#機組段位于左側(cè)，上下游側(cè)為立柱結(jié)構(gòu)，5#機組段位于右側(cè)，上下游側(cè)為實體墻結(jié)構(gòu)。模型頂部取至發(fā)電機層樓板高程，上下游實體墻結(jié)構(gòu)、底部大體積混凝土和圍巖緊密貼合，廠房結(jié)構(gòu)底部及四周取90 m范圍的圍巖，圍巖四周和底部采用黏彈性人工邊界進行模擬，黏彈性人工邊界具有較好的精度[15]。計算模型的總體坐標系以4#機組水輪機安裝高程處機組中心為原點，垂直豎向為Z軸，向上為正；水平縱向為X軸，向左為正；水平橫向為Y軸，向上游為正。廠房混凝土結(jié)構(gòu)單元剖分見圖1。表1給出了模型中的材料參數(shù)，其中蝸殼層以下采用C25混凝土，其余部位采用C30混凝土。

圖1 廠房混凝土結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分圖

表1 材料力學參數(shù)

1.2 計算荷載和工況組合

計算中僅考慮了水輪機流道內(nèi)的脈動壓力，根據(jù)水輪機模型試驗資料，4#和5#機組各選一個幅值較大的工況作為水輪機運行和水泵運行的代表工況。由于沒有壓力脈動的時間歷程曲線，近似假設(shè)各測點處壓力脈動為主頻率(其中5#機組考慮了第1和第2主頻)下的簡諧振動。經(jīng)換算到的原型各測點的脈動壓力幅值和頻率如表2所示。

根據(jù)4#和5#機組的運行工況組合，計算考慮了表3所示的5種計算工況。

1.3 計算方法

計算采用時間歷程分析法，假定各振動荷載均為簡諧荷載，計算時間步長為5.68×10-4s，計算時長為0.63 s，結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.02。

2 計算結(jié)果分析

由于有限元網(wǎng)格剖分的單元和結(jié)點數(shù)較多，輸出結(jié)果數(shù)據(jù)龐大，為節(jié)省工作量，本文重點分析了廠房結(jié)構(gòu)抗振薄弱部位——各層樓板在流道脈動壓力作用下的振動反應(yīng)。

2.1 5#機組振動荷載對4#機組段廠房結(jié)構(gòu)的影響

以振動位移和均方根加速度為指標，系統(tǒng)考察了5#機組水輪機工況和水泵工況下的流道脈動壓力對4#機組段各層樓板振動的影響。表4對各工況下4#機組段各層樓板結(jié)構(gòu)的各向動位移幅值進行了對比。

由表4可以看出：

(1) 工況2下，4#機組段各層樓板的振動位移幅值很小，最大值僅為1.599 μm，發(fā)生發(fā)電機層樓板右邊中部豎向；工況5下，4#機組段各層樓板的振動位移幅值均未超過0.5 μm，均遠小于水電站廠房結(jié)構(gòu)樓板振動位移的控制標準0.2 mm[12]。計算結(jié)果表明，4#機組停機時，5#機組無論是以水輪機工況還是以水泵工況運行，流道內(nèi)的脈動壓力均不會使4#機組段各層樓板產(chǎn)生明顯的振動。

(2) 與工況1相比，工況3下4#機組段各層樓板的振動位移增幅很小，最大值僅為7.18%，其余部位各向位移增幅均為超過3%；與工況4相比，工況6下4#機組段各層樓板和立柱的振動位移增幅最大值僅為0.56%。圖2給出了工況1和工況3下4#機組段發(fā)電機層樓板豎向位移幅值分布圖，由圖可見，兩種工況下，發(fā)電機層樓板豎向位移分布規(guī)律十分接近，僅是工況3下對應(yīng)的位移幅值略大。以上分析表明，無論是以水輪機工況還是以水泵工況運行，5#機組流道內(nèi)的脈動壓力均不會對4#機組段各層樓板的振動產(chǎn)生明顯的干擾。

(3) 與工況4相比，工況6下4#機組段各層樓板多個方向的振動位移出現(xiàn)了下降；與工況1與工況3對比時，水輪機層樓板也可發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。其主要原因是，4#機組和5#機組同時運行時，兩臺機組流道內(nèi)脈動壓力的頻率成份復(fù)雜，且最高頻率達到220 Hz，計算時間步長即使小于0.001 s，但仍然存在一定的計算誤差。

表4 4#機組段各層樓板動位移幅值

圖2 4#機組段發(fā)電機層樓板豎向振動位移幅值分布圖

表5給出了各工況下4#機組段各層樓板結(jié)構(gòu)的各向均方根加速度最大值，并進行了對比。

由表5可以看出：

(1) 工況2下，4#機組段各層樓板的均方根加速度最大值很小，最大值僅為0.085 m/s2，發(fā)生在水輪機層樓板右邊下游側(cè)拐角處橫向；工況5下，4#機組段各層樓板均方根加速度最大值僅為0.051 m/s2。計算結(jié)果表明，4#機組停機時，5#機組無論是以水輪機工況還是以水泵工況運行，流道內(nèi)的脈動壓力均不會使4#機組段各層樓板產(chǎn)生明顯的振動。

(2) 與工況1相比，工況3下4#機組段各層樓板的均方根加速度增幅很小，最大值僅為0.08%；而工況6下4#機組段各層樓板均方根加速度最大值與工況4也基本相同。圖3給出了工況1和工況3下4#機組段發(fā)電機層樓板豎向均方根加速度的分布圖。

圖3 4#機組段發(fā)電機層樓板豎向均方根加速度分布圖

由圖3可見，兩種工況下，發(fā)電機層樓板豎向均方根加速度分布規(guī)律基本相同，最大值的數(shù)值和出現(xiàn)的位置也相同。以上分析表明，無論是以水輪機工況還是以水泵工況運行，5#機組流道內(nèi)的脈動壓力均不會對4#機組段各層樓板的振動產(chǎn)生明顯的干擾。

2.2 4#機組振動荷載對5#機組段廠房結(jié)構(gòu)的影響

以振動位移和均方根加速度為指標，系統(tǒng)考察了4#機組水輪機工況和水泵工況下的流道脈動壓力對5#機組段樓板結(jié)構(gòu)振動的影響。表6對各工況下5#機組段各層樓板結(jié)構(gòu)的各向動位移幅值進行了對比。

表5 4#機組段各樓板均方根加速度最大值

表6 5#機組段各層樓板動位移幅值

由表6可以看出：

(1) 工況1下，5#機組段各層樓板的振動位移幅值不大，最大值為4.016 μm，位于發(fā)電機層樓梯板左側(cè)邊緣中部豎向；工況4下，5#機組段各層樓板振動位移幅值的最大值為1.500 μm，位于母線層樓板左偏下游跨中豎向，均遠小于水電站廠房結(jié)構(gòu)樓板振動位移的控制標準0.2 mm。計算結(jié)果表明，5#機組停機時，4#機組無論是以水輪機工況還是以水泵工況運行，流道內(nèi)的脈動壓力均不會使5#機組段各層樓板產(chǎn)生明顯的振動。

(2) 與工況2相比，工況3下5#機組段各層樓板的振動位移增幅較大，最大值為71.05%，平均增幅為35.53%；與工況5相比，工況6下5#機組段各層樓板的振動位移增幅最大值為51.05%，平均增幅為20.59%。圖4給出了工況2和工況3下5#機組段發(fā)電機層樓板橫向位移幅值的分布圖，由圖可見，兩種工況下，發(fā)電機層樓板橫向位移幅值分布規(guī)律基本相近，但最大值出現(xiàn)的位置有所不同，工況3下橫向位移最大值較工況2有所增大。圖5給出了工況3下5#機組段發(fā)電機層樓板橫向位移最大結(jié)點橫向位移時程曲線和頻譜曲線，圖中可以看出橫向位移的第1、2、4主頻分別為5#機組蝸殼、錐管和無葉區(qū)壓力脈動的主頻，而第3、5主頻分別為4#機組蝸殼和無葉區(qū)壓力脈動的主頻。說明4#機組流道內(nèi)的壓力脈動對5#機組樓板結(jié)構(gòu)的振動存在一定的干擾。

圖4 5#機組段發(fā)電機層樓板橫向位移幅值分布圖

圖5 5#機組段發(fā)電機層樓板典型結(jié)點橫向位移時程曲線及頻譜曲線(工況3)

但從位移增量來看，與工況2相比，工況3下各部位位移增量最大值僅為2.393 μm；與工況5相比，工況6下各部位位移增量最大值僅為0.643 μm，均遠小于水電站廠房結(jié)構(gòu)樓板振動位移的控制標準0.2 mm。以上分析表明，無論是以水輪機工況還是以水泵工況運行，4#機組流道內(nèi)的脈動壓力均不會對5#機組段各層樓板的振動產(chǎn)生明顯的干擾。

表7給出了各工況下5#機組段各層樓板結(jié)構(gòu)的各向均方根加速度最大值，并進行了對比。

表7 5#機組段各層樓板均方根加速度最大值

由表7可以看出：

(1) 工況1下，5#機組段各層樓板的均方根加速度最大值均很小，最大值僅為0.133 m/s2，位于左側(cè)邊緣上游側(cè)豎向；工況4下，5#機組段各層樓板的均方根加速度最大值均未超過0.06 m/s2。計算結(jié)果表明，5#機組停機時，4#機組無論是以水輪機工況還是以水泵工況運行，流道內(nèi)的脈動壓力均不會使5#機組段各層樓板產(chǎn)生明顯的振動。

(2) 與工況2相比，工況3下5#機組段各層樓板的均方根加速度增幅很小，最大值僅為0.35%；與工況5相比，工況6下5#機組段各層樓板的均方根加速度增幅也很小，最大值僅為0.21%。圖6給出了工況2和工況3下5#機組段發(fā)電機層樓板豎向均方根加速度的分布圖，由圖可見，兩種工況下，發(fā)電機層樓板豎向均方根加速度分布規(guī)律基本相同，最大值的數(shù)值和出現(xiàn)的位置也相同。以上分析表明，無論是以水輪機工況還是以水泵工況運行，4#機組流道內(nèi)的脈動壓力均不會對5#機組段各層樓板的振動產(chǎn)生明顯的干擾。

圖6 5#機組段發(fā)電機層樓板豎向均方根加速度分布圖

3 結(jié) 論

(1) 單臺機組運行時，流道脈動壓力在相鄰機組段樓板上激發(fā)的振動位移最大值為4.016 μm。雙臺機組運行時，單臺機組流道脈動壓力造成的相鄰機組段樓板振動位移最大值的增量為2.393 μm。均遠小于水電站廠房結(jié)構(gòu)樓板振動位移的控制標準0.2 mm，從振動位移的角度而言，機組流道內(nèi)的脈動壓力不會對相鄰機組段的結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生明顯的干擾。

(2) 單臺機組運行時，流道脈動壓力在相鄰機組段樓板上激發(fā)的均方根加速度最大值為0.133 m/s2。雙臺機組運行時，單臺機組流道脈動壓力造成的相鄰機組段樓板均方根加速度最大值的增量為0.003 m/s2，均方根加速度增幅最大值僅為0.35%。從振動加速度的角度而言，機組流道內(nèi)的脈動壓力也不會對相鄰機組段的結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生明顯的干擾。

綜上所述，合理設(shè)置結(jié)構(gòu)縫后，機組流道內(nèi)的脈動壓力不會對相鄰機組段廠房結(jié)構(gòu)的振動產(chǎn)生明顯的干擾和顯著的不利影響。