蒲石河抽水蓄能電站機墩結構剛度分析

張宏戰,譚杰驥,馬震岳

(大連理工大學建設工程學部水利工程學院,遼寧 大連116024)

機墩結構作為承受水輪發電機組設備荷載的主要受力部位,承受了機組、樓板等傳遞過來的巨大荷載(包括水流、機械及電氣等產生的振動荷載),同時機墩又與各層樓板、風罩、蝸殼及尾水管等相互連接成整體復雜的空間組合結構。機墩的邊界條件和受力情況都比較復雜,其剛度對于機組的運行穩定性有重要的控制作用,因此機墩結構的剛度保證一直是設計中極為關注的問題[1]。

而抽水蓄能電站水頭高,轉速高,運行工況復雜,振動問題尤為突出[2]。我國抽水蓄能電站建設起步雖晚,但起點較高,發展很快。隨著常規水電站建設速度放緩,核電、風電、太陽能等清潔能源建設速度的加快,為抽水蓄能電站建設提供了新的契機,在我國抽水蓄能電站又將迎來新一輪的建設高峰[3]。因此針對抽水蓄能電站的振動穩定性開展深入研究顯得尤為必要。

自十三陵和廣州抽水蓄能電站開始,科研人員已就抽水蓄能電站振動穩定性問題開展研究,并取得了一定的研究成果[4～7]。王俊紅等[4]結合廣蓄二期工程研究了不同的邊界條件對機墩組合結構靜力剛度的影響,認為機墩組合結構的邊界約束條件非常重要,約束條件越多,對組合結構越有利。楊靜等[5]結合張河灣抽水蓄能電站,分別復核了機墩組合結構的靜力剛度和動力剛度,認為動力剛度存在與荷載頻率的相關性,其結果更為可靠。本文即結合我國在建的抽水蓄能電站-蒲石河水電站的數值分析,對機墩結構的靜力剛度和動力剛度分別進行復核,以保證機組的安全穩定運行,以期對其他抽水蓄能電站設計提供參考。

1 計算模型及方案

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內,距丹東市約60 km,該電站是我國東北的第一座大型純抽水蓄能電站,總裝機容量為1 200MW,單機容量為300MW,共4臺機組。

1.1 有限元計算模型

選取3#機組段進行模擬計算。模型上下游方向取至與圍巖連接的邊墻,高度從尾水管底板至發電機層。上下游邊界與圍巖之間考慮為三向彈性支撐,尾水管底部與基礎剛性連接,上部為自由端。水輪機坑內徑6.90 m,機墩厚度2.90 m～4.00 m。

模型中,混凝土實體結構采用八節點六面體單元,樓板、邊墻和風罩結構采用板殼單元,立柱采用三維梁單元。計算模型共28 229個節點,36 412個單元。廠房單機組段有限元模型和機墩的單體模型分別見圖1和圖2。計算模型的總體坐標系取Z軸為垂直豎向,以機組的安裝高程-2.00 m為原點,向上為正。X軸和Y軸為水平坐標,以機組中心為原點,X軸為縱向,正方向指向左側;Y軸為橫向,正方向指向上游側。混凝土材料采用C20,靜態彈模25.5GPa,泊松比為0.167。動力計算時,混凝土的動態彈性模量取為靜態彈性模量的1.3倍,結構的阻尼系數取0.05。

圖1 廠房整體模型網格圖

圖2 機墩結構模型網格圖

1.2 計算方案和組合

機墩剛度設計要求,在定子基礎截面7.28 m高程和下機架基礎截面6.07 m高程分別作用P=10 MN荷載時,結構相應截面的最大水平位移≤1.00 mm。

定子基礎和下機架基礎各有8個基礎板,編號為1～8,見圖3。對定子基礎截面水平剛度(靜剛度和動剛度)復核時考慮了支撐荷載分布的不均勻性,假設8個基礎板只有6個承受水平向荷載,其中中間2個基礎板承擔P/4,另外4個基礎板各承擔P/8,因此當荷載向量水平旋轉一周時,便有8種荷載工況組合,如圖3和表1所示。同樣,進行下機架基礎截面水平剛度計算時也有類似于圖3所示的8種荷載組合。

圖3 定子和下機架基礎板編號和荷載組合

2 計算結果分析

2.1 三維有限元靜力剛度分析

各工況下機墩定子基礎截面和下機架基礎截面上沿力的作用方向最大位移值及相應的水平最小剛度見表1、表2。

表1 定子基礎截面水平最大位移和最小剛度

表2 下機架基礎截面水平最大位移和最小剛度

從計算結果中可以看出:①各荷載組合下定子基礎截面及下機架基礎截面處沿力的作用方向的水平最大位移值均位于荷載值較大荷載作用點處,且均小于允許值1 mm。②沿力的作用方向,定子基礎截面最大水平位移值為0.350 mm,產生于荷載組合Ⅱ,其次為荷載組合Ⅶ和荷載組合Ⅵ;而荷載組合Ⅷ下最大位移最小,為0.289 mm,其次為荷載組合Ⅳ和荷載組合Ⅴ。對照圖3可以發現機墩定子基礎截面的橫向剛度相對較大,縱向剛度相對較小。③下機架基礎截面在荷載組合Ⅲ下沿力的作用方向位移值最大,位移值為0.648 mm,其次為荷載組合Ⅱ。而荷載組合Ⅳ的最大位移最小,位移值為0.596 mm,其次為荷載組合Ⅴ。同樣說明機墩結構的橫向剛度較縱向剛度大。機墩結構的橫向剛度比縱向剛度大的原因在于,機墩結構的上下游側通過樓板與圍巖連接,圍巖對其有一定的約束作用,而左右側位機組分縫,對機墩約束較弱。④當水平力作用時,定子基礎、下機架基礎截面位移分布隨荷載變化而變化的規律相同,即隨荷載的旋轉而旋轉。

2.2 三維有限元動力剛度分析

以上計算是假定作用力為靜力。而機墩剛度設計和復核的目的在于確保水輪發電機軸系統的穩定運行,因此分析機墩結構在運行工況下的動力剛度具有更為重要的實際意義。下面將采用諧響應法對機墩的動態剛度進行復核,假定機組動荷載為簡諧荷載,荷載幅值為廠家提供的動荷載標準值(同靜力剛度計算荷載標準值)。取與靜力剛度分析相同的荷載組合,計算不同頻率(1 Hz～50 Hz,頻率間隔為1 Hz)的機組荷載作用下,定子基礎截面和下機架基礎截面沿力的方向最大振動位移。

表3給出了各工況下,機墩結構定子基礎截面和下機架基礎截面的最大動位移(振幅)值。計算結果表明,在各工況下,機墩結構的頻率響應曲線在頻率為18.0 Hz時均有明顯的峰值,在更高頻率范圍,雖存在其他的共振點,但位移反應幅值較小。圖4給出了集中荷載作用在定子基礎截面工況Ⅱ下和下機架基礎截面工況Ⅲ下,相應截面上最大振動位移隨頻率的變化關系。

圖4 頻率響應曲線

表3 各工況下上、下機架基礎沿力的作用方向最大位移mm

由表3和圖4可以看出,

(1)當荷載的振動頻率為轉頻(5.55 Hz)、飛逸轉速頻率(8.05 Hz)以及電磁振動頻率(50 Hz)時,集中力分別作用在定子基礎截面和下機架基礎截面上,機墩對應高程沿力的作用方向最大動位移(振幅)均未超過允許值1.0 mm。且動態位移小于靜態位移,說明在這些頻率的荷載作用下,機墩的動態剛度高于靜態剛度。

(2)當荷載頻率為共振頻率18.0 Hz時,定子基礎截面上的最大水平振動位移發生在工況Ⅵ,動位移幅值為1.168 mm,其次為工況Ⅱ,動位移幅值為1.101 mm,均超過了1.00 mm的允許值。其他工況下,定子基礎截面的振動位移均未超過允許值。下機架基礎截面上的最大水平振動位移均未超過允許值,最大值發生在工況Ⅶ,動位移幅值為為0.905 mm,其次為工況Ⅲ,動位移幅值為0.822 mm。

由廠房的整體模態分析可知[8],18.44 Hz為廠房結構的第一階自振頻率,對應的振型為廠房蝸殼層以上部分縱向振動。當機組振動荷載的頻率為18 Hz時,荷載激勵頻率與廠房結構的第一階自振頻率接近,因此結構的動力反應幅值較大。特別是在荷載作用方向與廠房第一階振型振動方向接近的工況下,共振效應非常明顯,振動位移均超過了對應工況的靜態位移。但機組以18 Hz的頻率運行,僅出現在瞬時過渡過程,可不作為問題考慮。

(3)定子基礎截面剛度復核結果表明,當機組荷載的頻率為轉頻(5.55 Hz)和飛逸轉頻(8.05 Hz)時,定子基礎截面最大振動位移產生于工況Ⅱ,與靜力剛度計算結果一致。而當荷載頻率為共振頻率18.0 Hz和電磁振動頻率時,最大值出現在工況Ⅵ。荷載頻率的變化導致最大動位移出現的工況發生了變化。

下機架基礎截面剛度復核結果表明,各特征頻率下,最大動位移出現的工況均不同于靜力剛度的計算結果。當機組荷載的頻率為轉頻(5.55 Hz)、飛逸轉頻(8.05 Hz)和共振頻率18.0 Hz時,下機架基礎截面最大振動位移產生于工況Ⅶ。當荷載頻率電磁振動頻率時,最大動位移出現在工況Ⅱ。

以上分析結果表明,機墩的動力剛度與荷載頻率密切相關,復核在不同頻率荷載作用下機墩的動力剛度是必要的。

3 結 語

(1)機墩定子基礎截面及下機架基礎截面的水平靜力剛度和動力剛度均滿足設計要求。無論是在定子基礎截面還是在下機架基礎截面,機墩的水平剛度均表現為橫向剛度大于縱向剛度。其原因在于,機墩結構的上下游側通過樓板與圍巖連接,圍巖對其有一定的約束作用,而左右側位機組分縫,對機墩約束較弱。

(2)當荷載的振動頻率為轉頻(5.55 Hz)、飛逸轉速頻率(8.05 Hz)以及電磁振動頻率(50 Hz)時,定子基礎截面和下機架基礎截面上最大動位移(振幅)動態位移小于靜態位移。說明在這些頻率的荷載作用下,動態剛度高于靜態剛度。而在共振頻率18.0 Hz時,荷載頻率與廠房結構的第一階自振頻率接近,特別是在荷載作用方向與廠房第一階振型振動方向接近的工況下,振動位移均超過了對應工況的靜態位移,機墩的動態剛度小于靜態剛度。

(3)動態剛度復核時,定子基礎截面和下機架基礎截面上最大水平動位移出現的工況,與最大水平靜位移出現的工況并不完全一致。并且最大動位移出現的工況隨著荷載頻率的變化而改變。

(4)隨著振動頻率的變化,機墩的動力剛度,動力剛度和靜力剛度的大小關系,最大動位移(或最小動力剛度)出現的荷載組合均出現了變化,說明機墩的動力剛度與荷載頻率密切相關,因此復核在不同頻率荷載作用下機墩的動力剛度是必要的。

[1] 宋志強,馬震岳,張運良,等.小灣水電站機墩結構剛度分析[J].水電能源科學,2008,26(1):119-122.

[2] 馬震岳,董毓新.水電站機組及廠房振動的研究與治理[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

[3] 王婷婷,邱彬如,靳亞東.應積極鼓勵支持抽水蓄能電站的發展[J].水力發電學報,2010,29(1):62-65.

[4] 王俊紅.廣蓄二期工程地下廠房機墩組合結構整體剛度分析[J].廣東水利水電,1998,(2):9-13.

[5] 楊靜,馬震岳,陳 婧,等.張河灣抽水蓄能電站廠房機墩組合結構剛度復核[J].水力發電,2006,32(12):33-35.

[6] 李小進,申燕,蔣逵超,等.白蓮河抽水蓄能電站機墩結構剛度分析[J].水電能源科學,2007,25(2):53-56.

[7] 陳婧,馬震岳,趙鳳遙,等.抽水蓄能電站地下廠房機墩結構剛度分析與設計優化[J].武漢大學學報(工學版),2009,42(4):456-460.

[8] 張宏戰,陳婧,等.蒲石河抽水蓄能電站機組振動對廠房結構影響靜動力計算[R].大連:大連理工大學,2008.