探討水電站廠房設計中的振動問題

【摘要】隨著現代水輪發電機組的容量和尺寸設計也逐漸增大，轉速也相應隨之提高，使得某些水電站廠房出現振動過大的現象，這種振動不僅會對機組自身穩定性帶來影響，有時還會給水電站的經濟運行帶來安全威脅。本文將對水電站廠房振動問題進行研究分析，并提出廠房在設計中應采用的相關抗振措施。

【關鍵詞】振動；分析；原因；措施

1. 前言

由于水電機組規模日益擴大，機組運行產生的激勵荷載也較大，水電站廠房作為機組的支承結構，勢必會受其影響而產生振動，特別是大型混流式水輪機的水力共振，這種共振不僅對自身機組穩定性產生影響，還使廠房產生整體或者局部的振動，并可對人體產生巨大的影響。因此，水電站廠房在設計時應充分考慮到機組振動問題，采取有效措施對抗機組振動，使廠房受到機組振動影響降到最低。

2.水電站廠房結構概況分析

水電站廠房是水電站中裝設了水輪發電機、水輪機以及各類輔助設備的建筑物，又是運行人員進行生產活動的場所，是各種型式水電站中必不可少的建筑物，水輪發電機以及水輪機的運行工作就是在水電站廠房中進行的。水電站廠房形式和布置等都不一樣，按其結構設計和布置特點來看，其可分為壩內式、地下式、壩后廠房頂溢流式以及地面式等形式，壩內式通常設計于壩體空腔內，地下式大部分均設計于地下洞室內，壩后廠房頂溢流式位于溢流壩壩趾，地面式廠房中，從其位置布置特點來看又分為河床式廠房、岸邊式廠房以及壩后式廠房，地下式廠房有時有些會露出地而，但大部分均設計于地下洞室中。雖然水電站廠房形式不一、規模大小也各不相同，然而從它生產以及輸送電能的角度來看，水電站廠房樞紐建筑物又可分為四部分，即主廠房、副廠房、主變壓器場和高壓開關站。主廠房是水電站廠房樞紐的主要部分，發電機以及輔助設備均安裝于主廠房內，主廠房在高度上又分為數層，最高層安裝有發電機，最下層是蝸殼層，中間一層安裝水輪機，人們習慣將最高層稱為上部結構，中間和最底層稱為下部結構即支承結構，水輪機組荷載直接作用于此結構中。副廠房通常是緊挨著主廠房的，它主要是為主廠房服務而設的，相關的電氣設備、中央控制設備以及必要的生活設施等就布設于副廠房中。

3.水電站廠房結構振動研究

3.1振動評價標準

（1）對儀器設備造成影響的評價標準。《水電站廠房設計》提出水電站廠房下部結構機墩的振幅應在0.20mm范圍內；《動力機器基礎設計規范》要求基礎頂面允許的振動在轉速低于500r/min時，以振動線位移0.16mm為控制限制[2]。另外，《動力機器基礎設計規范》還規定，當廠房安裝有不大于10Hz的低頻率器時，廠房設計最好遠離機器的共振區。《隔振設計規范》提出允許振動位移4.8μm時，振動速度應為0.50mm/s。《多層廠房樓蓋抗微振設計規范》規定，允許機床豎向振動為，位移為10μm時，速度為1·0 mm/s。

（2）對人體保健的影響。本文主要是對人體浸在振動環境中的情況對振動進行評價。《人體全身振動暴露的舒適性降低界限和評價標準》指出，振動頻率、暴露時間以及振動作用方向都會影響人體的舒適度，使舒適度有所降低；《水利水電工程勞動安全與工業衛生設計規范》指出，取振動主頻率為10Hz、且暴露時間8h，人體的疲勞和工作能力在振動垂直向加速度0.4m/S2和水平加速度1.12m/s2時下降到極限；《水力發電廠機電技術設計規范》要求發電站廠房工作區域的標準噪音為，通信室和中控室最大65 dB-A，發電機層工作場所最大80 dB-A；《水利水電工程勞動安全與工業衛生設計規范》規定相關場所噪音限制值是，機組段內外的中控室分別為60 dB-A和70 dB-A，主機間各層為80 dB-A。

（3）不同地域不同環境，水電站廠房等各方面設計也不一樣，振動限值的提出要充分考慮到受振種類、振動頻率等方面的因素，根據我國水電站廠房設計的特點，提出以下建議值（表1所示）。

表1 水電站主廠房振動控制標準建議值

3.2水電站廠方結構振動原因分析

（1）水輪機組動荷載相對增大。大型水輪機由于流量大、容易受到干擾的原因，其壓力相對于中小型機組要大得多。大型水輪機組用以承受壓力動脈部件的面積越大，其產生的動荷載也隨之變大。因此，當大型水輪機組的壓力動脈幅值相同時，其動荷載也必然會變大。

（2）振動體固有頻率降低，而共振可能性增大。水輪發電機組的轉速屬于十低轉速旋轉，其各種激發力的頻率都比較低。大型水輪機組振動部件的固有頻率也相對較低，易十被低頻激振力激發時，則會產生共振，共振體可以是水體也可以使固體。如普遍存在于水電站發電過程中的引水管路水體共振情況，其可能會引起個別發電機組在停機過程中產生劇烈的振動現象。

（3）振動體剛度相對降低。在保持靜應力和幾何相似相等的情況下，機組部件及廠房結構的剛度會隨著其線性尺寸的增大而減小。所以，可以定性的說，中小型機組的的支持部件及轉輪葉片的剛度要比大型機組高。在相同的激振荷載下，大型機組的振動相對于中、小型機組大很多。此外，還應注意到，單純以強度作為設計的目標、簡單的幾何放大，且不采取有效的預防措施，可能是致使某些大型水力機組穩定性不好的根本原因。

4. 水電站廠房抗振設計研究

（1）振動傳遞途徑的優化。水輪機組振動的傳遞主要是通過兩個方面進行傳遞的，一是通過風罩傳到電機層樓板上，另一種是通過蝸殼頂板上的立柱往上方向傳遞。因此，想要廠房結構的振動有所降低，那么首先就要切斷或延長水輪機組振動的傳遞途徑 。由于廠房剛度、強度以及抗振的需要，大、中型水電站的風罩的設計要求是，不采用有利于垂直抗振的設彈性墊層簡支的連接方式，而應使風罩整體連接發電機層樓板。電機層樓板下的立柱可以增強樓板的剛度，但在蝸殼頂板上一般要盡量避免布置，因此，對于立柱的設置問題要進行充分的考慮。對于水電站廠房的構架柱，則應將力直接傳到廠房一期混凝土上，同時不宜設計在尾水管的頂板上，最合適的方式是恰好落在尾水管的分流墩上。

（2）鋼蝸殼外圍混凝土澆筑方式的選擇。為提高水輪機組的基礎剛性，應采用“充水保壓”蝸殼外圍混凝澆筑方式進行澆筑，我國三峽水電站就是采用了這一方式。其原理是，鋼蝸殼外圍二期混凝土的建立采用了彈性墊層方案，蝸殼外圍不能有效的嵌固蝸殼中可能存在的水壓脈動，如果采用“充水保壓”的澆筑方式，有利于鋼蝸殼與其外圍鋼筋混凝土緊密接合而成為一個整體，從而使外圍混凝土有效嵌固座環和蝸殼，提高水輪發電機機組運行時的穩定性。

（3）廠房結構布置通常水電站廠房的上、下游邊墻適宜采用實體墻結構進行建造，且應和發電機層的樓板固結，現澆鋼筋混凝土肋形樓蓋應用于發電機層樓板的建造。對于根據相關參數計算得出可能較容易發生較大振動的部位，應對其加大板厚，而后在其板內連續配筋。此外，在發電機層樓板上不應鑿設過多的用于通風等的孔口，預防割裂發電機層樓板的整體性，如三峽水電站只設有2個孔口，其樓梯孔轉移設在副廠房中，這樣的設計可以使得發電機層樓板整體性增強，且廠房的上、下游邊墻采用的是實體墻結構設計，使三峽最大動荷載超出平常其他中小型水電站一倍時，其振幅與中小型水電站相比卻剛剛持平。

5.結束語

隨著我國經濟和科技的飛速發展，工廠、企業以及人民用電的需求量也隨之增大，使得水電站的建設規模越來越大，促使了大型水輪發動機的普遍使用，這就勢必給廠房造成更大的振動問題，為減少振動對人體、儀器設備以及廠房結構的影響，廠房在設計時應充分考慮到振動的問題。

【參考文獻】

[1]郭磊，劉德輝，李志紅.智能診斷技術在水電機組振動故障診斷中的應用[J]. 水電能源科學.2009，15（04）：543-545

[2]張存慧.大型水電站廠房及蝸殼結構靜動力分析[D].大連理工大學，2010，17（08）：650-653

[3]王曉強，賈麗麗.水電站廠房設計中振動問題研究[J].水利科技與經濟. 2009，20（11）：672-675