抽水蓄能電站廠房振動(dòng)和噪聲的實(shí)證研究

周開(kāi)濤，鞏泉泉，謝連科，王　坤，竇丹丹

(國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761)

0　引　言

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中主要起到調(diào)峰填谷、緊急事故備用等作用，能夠有效提升企業(yè)的效益。抽水蓄能電站是一種特殊的電源，目前，在我國(guó)發(fā)電總裝機(jī)中所占比例較少，不過(guò)，抽水蓄能電站卻是電力系統(tǒng)中日益重要的一部分。本文主要研究抽水蓄能電站廠房振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，旨在了解其原理，促進(jìn)抽水蓄能電站發(fā)揮出更好的作用。

1　工程概況

本文以某地區(qū)抽水蓄能電站為例，該電站有8臺(tái)可逆式抽水蓄能發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)到2 000 MW以上，年運(yùn)行4 000 h，規(guī)劃發(fā)電年利用1 900.8 h，是一座周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站。該工程2004年開(kāi)工，2011年后投入使用。抽水蓄能電站的廠房結(jié)構(gòu)會(huì)因其啟動(dòng)頻繁、雙向運(yùn)轉(zhuǎn)而存在不可避免的振動(dòng)和噪聲。為了找到引起電站廠房振動(dòng)和噪聲異常的原因，本文進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。

2　振源測(cè)試

對(duì)抽水蓄能電站進(jìn)行振源測(cè)試的目的是了解振源的頻率分布規(guī)律和振源能量的大小，評(píng)估機(jī)組的振動(dòng)特性。通常振源分為水力、機(jī)械、電磁三種。通過(guò)測(cè)試機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和機(jī)組開(kāi)關(guān)機(jī)過(guò)程中機(jī)械和水力脈動(dòng)等振源的幅值特性和頻率特征，能夠進(jìn)一步了解該電站廠房結(jié)構(gòu)的振源情況，從而更好地分析廠房結(jié)構(gòu)，找到引起其振動(dòng)的原因。本抽水蓄能電站共有8個(gè)機(jī)組，測(cè)試隨機(jī)選擇了3個(gè)機(jī)組，這樣就可以更好地對(duì)振源的特性進(jìn)行測(cè)試。

(1)幅值特性

通過(guò)測(cè)試可知，這3個(gè)機(jī)組的加速度有效值是隨機(jī)的，沒(méi)有出現(xiàn)某一機(jī)組的值偏大現(xiàn)象。每一組的加速度沒(méi)有太多差異，最大值的產(chǎn)生具有隨機(jī)性。加速度在水輪機(jī)頂蓋部位處的值較大，尾隨其后的值從大到小分別是尾水管和發(fā)電機(jī)上機(jī)架的加速度值。這三個(gè)位置的振源會(huì)隨著高度的變化而出現(xiàn)差異，這樣就可以進(jìn)一步分析機(jī)組振動(dòng)能量情況。

分析機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)能量大小，主要是選擇同種類(lèi)型的機(jī)組運(yùn)行時(shí)振源所產(chǎn)生的最大加速度進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在運(yùn)行時(shí)的最大加速度并沒(méi)有太大差別，幾乎一致，這說(shuō)明振動(dòng)能量的大小沒(méi)有太大差異。

(2)頻率特性

通過(guò)3組隨機(jī)測(cè)試的機(jī)組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在穩(wěn)定狀態(tài)下，發(fā)電工況和抽水工況的振源各測(cè)點(diǎn)都存在75 Hz的頻率成分，而且其所蘊(yùn)含的能量大小也比其他頻率成分要高出很多。機(jī)組的主要振源是水力，轉(zhuǎn)輪葉片與水力干涉形成的振源就是該機(jī)組運(yùn)行時(shí)的主要振動(dòng)源頭。還有一個(gè)出現(xiàn)較頻繁的頻率成分是8.25 Hz，雖然整體能量大小與前者的頻率成分能量無(wú)法相提并論，但是在2、4倍頻的狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生較大的能量，這說(shuō)明機(jī)組運(yùn)行也是主要振源之一。還有其他的一些頻率成分，由于頻率低，而且頻率成分的能量小，并沒(méi)有對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)造成太明顯的影響。

3　廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)

廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)又被稱(chēng)為模態(tài)試驗(yàn)，側(cè)重了解廠房結(jié)構(gòu)的頻率分布，將其與振源特性進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步了解廠房結(jié)構(gòu)的薄弱部分。該試驗(yàn)的測(cè)試點(diǎn)主要布置在廠房上下游邊墻和廠房?jī)?nèi)的一些部位，因?yàn)槠渲饕獪y(cè)試廠房結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性，模態(tài)參數(shù)也要全面。

(1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與有限元計(jì)算比較

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與有限元計(jì)算相結(jié)合，可以使二者更加有對(duì)比性，還能夠真實(shí)反映廠房的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)結(jié)果能夠客觀反映廠房結(jié)構(gòu)的實(shí)際邊界條件，而有限元計(jì)算則較為理想化，不能僅憑一些假設(shè)的邊界條件就可以真實(shí)反映廠房的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，這就需要將實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比。通過(guò)對(duì)比可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與有限元計(jì)算結(jié)果沒(méi)有太大差異。

(2)廠房共振分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，廠房的整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)40 Hz以上頻率的模態(tài)己經(jīng)是10階以上高階模態(tài)，結(jié)合建筑抗震理論可以了解到，該模態(tài)的振型參數(shù)可以忽略不計(jì)。該電站的廠房結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的情況下，其基礎(chǔ)是混凝土材質(zhì)，能將機(jī)組產(chǎn)生的高頻振動(dòng)分量充分過(guò)濾，因此，這種情況下，基本不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

但是在開(kāi)機(jī)或者關(guān)機(jī)的情況下，機(jī)組會(huì)有一定的轉(zhuǎn)速，水輪機(jī)葉片與水流產(chǎn)生的水力會(huì)產(chǎn)生一定頻率的振動(dòng)振頻，大小在30 Hz左右徘徊，其與廠房結(jié)構(gòu)的低階頻率一致，此時(shí)就可能會(huì)產(chǎn)生共振。不過(guò)，在各工況的測(cè)試過(guò)程中，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象，這說(shuō)明不利頻率的振動(dòng)沒(méi)有得到廠房結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。即使如此，還是要注意開(kāi)機(jī)或者關(guān)機(jī)時(shí)可能產(chǎn)生的不良影響，避免共振現(xiàn)象。

(3)廠房動(dòng)力特性分析

根據(jù)頻率測(cè)試可以了解到，沿著廠房軸線方向的頻率有較大的差異。這主要是因?yàn)闄C(jī)組沿著軸線方向長(zhǎng)度的增加，剪力墻尺寸也會(huì)增加，進(jìn)一步提高了該方向的剛度。廠房軸線方向整體呈現(xiàn)彎剪振動(dòng)，邊墻以剪切振型為主，厚板一梁一柱構(gòu)成的廠房框架結(jié)構(gòu)沿廠房軸線方向以彎曲振動(dòng)為主。電站地下廠房結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別，上下游不僅各有邊墻和厚板，剪力墻還采用了剪切形式的振型，采用彎曲振型的框架結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)決定了該電站廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，也使電站測(cè)試機(jī)組的剛度有所提升。鑒于電站的地下廠房結(jié)構(gòu)超大，在低頻率的影響下，該結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)會(huì)更加明顯，充分說(shuō)明該廠房的結(jié)構(gòu)頻率提升后，大大提高了廠房結(jié)構(gòu)抗振能力。

4　廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)

廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)的目的是監(jiān)測(cè)廠房的抗振能力，該實(shí)驗(yàn)主要包括穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)與瞬態(tài)試驗(yàn)。隨機(jī)抽取3個(gè)機(jī)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，目的是使數(shù)據(jù)更加客觀，可以全面反映廠房結(jié)構(gòu)和抗振能力。實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)布置在局部振動(dòng)較大的地方和機(jī)組段各樓層，分別在這些測(cè)試點(diǎn)的廠房軸線方向、上下游方向、垂直方向布置加速度傳感器和動(dòng)位移傳感器，用來(lái)測(cè)定各不同方向的最大振動(dòng)位移。測(cè)試是在兩個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行，一是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，二是瞬時(shí)運(yùn)行。

在第一種狀態(tài)下，各機(jī)組的不同方向最大振動(dòng)位移各自得出測(cè)試結(jié)果。電站廠房的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移頻率也要進(jìn)行測(cè)定，這些頻率大多是低頻，小于1 Hz頻率成分主要是由尾水管或蝸殼內(nèi)水流脈動(dòng)壓力產(chǎn)生的，然后再由混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)經(jīng)過(guò)不斷過(guò)濾進(jìn)一步降低了振動(dòng)頻率。10 Hz以下的頻率成分基本是通過(guò)轉(zhuǎn)化頻率形成的振動(dòng)能量，也經(jīng)過(guò)了層層過(guò)濾。頻譜分析表明，電站廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)位移響應(yīng)原因是低頻振動(dòng)，振源的產(chǎn)生主要是由水流脈動(dòng)和機(jī)組轉(zhuǎn)頻產(chǎn)生。由于本工程的廠房結(jié)構(gòu)位于地下，在國(guó)內(nèi)沒(méi)有關(guān)于此類(lèi)廠房結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和體系，因此，其安全性的評(píng)測(cè)可參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。建筑結(jié)構(gòu)的安全極限振動(dòng)位移允許值是在0.76 mm上下，其與振動(dòng)頻率有關(guān)，而且測(cè)得振動(dòng)頻率小于10 Hz，充分說(shuō)明該電站廠房結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)安全系數(shù)較高。在第二種狀態(tài)下，各機(jī)組的不同方向最大振動(dòng)位移各自得出測(cè)試結(jié)果，這些結(jié)果都小于安全允許值0. 76 mm，因此，在瞬時(shí)運(yùn)行下的廠房結(jié)構(gòu)也不會(huì)受到太大影響，安全系數(shù)較高。

振動(dòng)大小沿樓層的分布規(guī)律為水泵水輪機(jī)層振動(dòng)位移更大，發(fā)電機(jī)層、中間層的振動(dòng)位移水平無(wú)明顯差異。

5　噪聲測(cè)試

電站投入使用初期所產(chǎn)生的噪聲比較大。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的檢查之后發(fā)現(xiàn)，一些噪聲的產(chǎn)生主要是因?yàn)椴糠纸Y(jié)構(gòu)不牢固，比如，樓梯的扶手、鋼結(jié)構(gòu)蓋板及圍欄不夠固定。針對(duì)這些部分采取了相應(yīng)的措施，對(duì)需要固定的地方進(jìn)行固定，對(duì)振動(dòng)較明顯的部位鋪設(shè)防震墊，再加設(shè)噪聲屏蔽門(mén)。采用防范措施后，廠房的噪聲得到了一定的控制。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該電站廠房的每個(gè)作業(yè)場(chǎng)的噪聲都大幅度降低，不會(huì)對(duì)作業(yè)造成較大的影響。不過(guò)，廠房樓梯間的噪聲較大，原因可能是封閉的樓道產(chǎn)生了聲腔共振。

6　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文在實(shí)際測(cè)試中找到了影響抽水蓄能電站廠房的振動(dòng)與噪聲的因素。針對(duì)這些因素采取相應(yīng)的解決措施，可以有效改善現(xiàn)狀，提升廠房結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，降低噪聲。不過(guò)，局部的噪聲依然很大，因此，建議對(duì)兩機(jī)組之間的樓道進(jìn)行改造，或者采取一些有效的隔音措施，才能確保電站安全運(yùn)行，充分為電力系統(tǒng)發(fā)揮作用。

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