基于磁流變阻尼器的水電站廠房智能減振研究

蘇 超，楊 旸

(河海大學水利水電學院，江蘇南京210098)

0 引 言

抽水蓄能電站具有高水頭、高轉速、雙向運轉、過渡過程復雜等特點，機組振動誘發的廠房結構的振動問題較常規電站更為突出，已成為廠房結構設計的關鍵問題之一[1]。目前，我國建成運行的多座抽水蓄能電站，均出現了不同程度的振動問題[2-3]。激烈的振動會損害廠房結構，導致水電站不能完全發揮效益。磁流變阻尼器由于其耗能低、阻尼力大、響應快、可控性強等優點，已經成為新一代土木工程結構控制裝置，展現出了良好的運用前景。目前磁流變阻尼器在土木工程方面，如橋梁、建筑、海洋平臺等得到了初步的運用，取得了較好的減振效果[4- 6]；但目前還沒有被運用在水電站廠房結構的減振中。

本文針對抽水蓄能電站廠房振動特點，提出了一種基于磁流變阻尼器的廠房結構智能減振控制方法。通過對ABAQUS平臺進行二次開發，并以某已建抽水蓄能電站為研究對象，重點對廠房發電機層樓板進行被動控制和半主動控制研究；研究結果為利用磁流變阻尼器進行廠房結構的減振控制研究提供了新的方法和依據。

1 基于磁流變阻尼器智能減振方法

1.1 抽水蓄能電站廠房智能減振控制方法

與常規水電站相比，在抽水蓄能電站在運行過程中，水泵水輪機肩負著抽水和發電的功能；因此，抽水蓄能電站的水泵水輪機經常通過開關機來轉換工況。而在這個過渡過程中，機組變化劇烈，水流流態復雜，對機組運行的穩定性影響劇烈[7]。針對抽水蓄能電站廠房振動特點，本文提出了基于磁流變阻尼器的廠房結構智能減振控制方法(見圖1)。當傳感器監測到振動響應大于響應閥值時，該方法通過控制器打開磁流變阻尼器對廠房進行減振控制。當振動響應小于響應閥值時，控制器關閉磁流變阻尼器電流，從而讓廠房結構度過振動劇烈時段。

圖1 磁流變阻尼器廠房智能振動控制方法

1.2 磁流變阻尼器及其力學模型

磁流變阻尼器是利用磁流變效應工作的新型智能減振元件。其裝置簡單、耗能低、響應快、阻尼大、動態范圍廣，可以通過電流來控制阻尼力；因此可以良好地與控制系統結合。即使在控制系統失效的情況下也可作為被動控制器，具有較強的可靠性。

Bouc-Wen模型[8]能夠準確地反映磁流變阻尼器在低速時的非線性性能和模擬磁流變阻尼器的滯回特性，且通用性強，易于數字化建模。因此，本文選用Bouc-Wen模型(見圖2)來建立磁流變阻尼器力學模型。

該模型阻尼力

(1)

(2)

圖2 Bouc-Wen模型示意

式中，α為與磁流變屈服應力相關的模型參數；k0為彈簧剛度；F為磁流變減振器阻尼力；c0為磁流變材料屈服后黏性系數；x為磁流變阻尼器活塞和缸體的相對位移；z為滯變位移；n為曲線圓滑系數；x0為彈簧的初始變形；A，β，γ為常數，由磁流變阻尼器結構特性決定。

本文選用文獻[9]中美國LORD公司生產的RD- 8041-1MRD型磁流變阻尼器進行減振控制研究，其Bouc-Wen模型

(3)

(4)

其中，α=143.80+14 37I；c0=0.85+2.79I。I為電流。因此，可以通過控制I來改變F的大小。本次選用的磁流變阻尼器最大輸入電流為1.0 A。

1.3 磁流變阻尼器減振控制方法實現

目前，對于磁流變阻尼器減振控制的理論研究，一般需要建立結構的運動微分方程和狀態方程，進而對其進行數值求解。對于結構較復雜的系統，其控制系統的微分方程和狀態方程難以建立；因此無法對真實復雜的環境進行有效模擬仿真。而采用ABAQUS對控制系統進行數值仿真不需要建立系統的微分方程狀態方程；并且采用瞬態動力學方法對復雜系統的振動控制計算時，可以同時考慮材料非線性、幾何大變形等影響。因此，本文采用Bouc-Wen模型對磁流變阻尼器進行建模，通過對大型有限元通用軟件ABAQUS進行了二次開發，實現了磁流變阻尼器的被動控制和半主動控制。

圖3 基于ABAQUS的磁流變阻尼器減振控制計算流程

(3)將控制力F通過全局變量COMMON塊傳入到子程序DLOAD中，從而將控制力F施加到相應的控制區域。

(4)對每個增量步重復上述過程，直到程序結束。

1.4 磁流變阻尼器半主動控制策略

半主動控制兼主動控制優良的控制效果和被動控制的簡單易行的優點，同時克服了主動控制需要大量能量和被動控制調諧范圍窄的缺點。因此，半主動控制具有較大的研究和運用開發前景[10]。本文結合常用的簡單Bang-Bang 控制算法[11]，對廠房進行半主動控制研究。 即

(5)

簡單Bang-Bang算法主要操作為：當結構背離平衡位置振動時，磁流變阻尼器向結構施加最大的阻尼，即采用最大的電流；當結構向平衡位置振動時，磁流變阻尼器向結構施加最小阻尼力，即關閉電流。因此，簡單Bang-Bang相當于Passive-off和Passive-on控制，控制算法實際的主動變阻尼力跳動于這兩者之間。亦即，過大阻尼力的變化，會導致加速度的突變，但可以通過提高施加最小阻尼系數的電流來改善該情況。

2 工程實例

2.1 廠房模型及邊界條件

已知某已建抽水蓄能電站總裝機1 800 MW，安裝6臺單機容量為300 MW的立軸單級混流可逆式水輪發動機組；發電機機額定轉速是500 r/min，飛逸轉速是725 r/min。本文選取4號機組段建立有限元計算模型(見圖4)來進行地下廠房的模態分析和動力響應分析。模擬尾水管及其周圍混凝土、蝸殼及其周圍混凝土、座環、機墩、橫梁、上下游邊墻和立柱等。坐標原點定在發電機層中心位置，坐標系x方向為廠房縱軸線方向；y方向為上下游方向；z方向為豎直向上。廠房結構材料參數見表1。其中，廠房樓板、梁、柱子、機墩、風罩、蝸殼外圍混凝土強度等級為C30，其余部分混凝土強度等級為C25。本文進行廠房結構減振控制時，邊界條件設置上下游圍巖與混凝土接觸面假定為彈性支撐，在接觸結點上施加彈性水平約束，圍巖彈模取E=10 GPa，相應的單位彈性抗力系數為80 MPa/cm計算模型底部施加固端約束。

圖4 廠房整體網格模型

材料名稱靜彈性模量E/104 MPa重度γ/kN·m-3泊松比μ鋼20.610 078.00.300C25混凝土2.801 025.00.167C30混凝土3.001 025.00.167

2.2 廠房振動標準

國內外學者對水電站廠房的振動問題進行了分析研究，對廠房結構振動中所涉相關的建筑、設備、儀器以及人體健康等的振動控制標準進行了論證，提出了廠房結構振動控制標準建議值[12-13]。本文根據國內相關文獻，并參照有關行業規范，擬以表2作為廠房建筑物允許振動的標準參考值。

表2 廠房結構振動控制標準

表4 廠房結構各部位最大響應

2.3 廠房結構響應分析

本節重點對廠房結構進行響應分析，機組設備荷載見表3。通過計算各部位的振動規律和強度，為采用磁流變阻尼器對廠房結構進行減振研究提供依據。表4給出了廠房結構各部位的最大響應結果，從表中可以看出，主廠房結構的整體位移響應較小，各部位振幅均小于0.2 mm。主廠房主要構件各部位動響應均表現為豎直方向較大，水平方向較小。發電機層豎直向速度響應值大于3.2 mm/s，且豎向加速度大于0.64 m/s2，在該短暫時間內上述部位人體可能會有不舒適感。機墩豎向加速度大于1.0 m/s2，其余各部位速度、加速度響應均滿足振動控制標準的要求。因此發電機層樓板振動較為明顯，其豎向速度和加速度均超過了廠房抗振標準值。

表3 機組設備荷載標準值 kN

2.4 發電機層樓板智能減振控制研究

磁流變阻尼器一般安裝在梁、柱上去控制結構的振動響應。為了獲得更好的減振效果，磁流變阻尼器應安裝在結構響應較大的區域；同時應考慮使質心和剛心盡量對稱原則，以及結構空間使用的要求[15]。通過廠房結構響應分析，可知發電機層樓板在機組荷載作用下豎向振動明顯，速度和加速度響應超過了廠房振動標準。因此，基于磁流變阻尼器的安裝布置經驗，結合發電機層樓板的結構特點，選取12個磁流變阻尼器對廠房發電機層樓板進行減振研究，具體安裝位置如圖5所示。

圖5 磁流變阻尼器安裝位置示意

本節采用本文提出的抽蓄蓄能電站廠房智能減振控制方法，通過被動控制Passive-off、Passive-on(I=0.5 A)和半主動控制三種方法，對發電機層樓板進行減振控制研究。表5給出了發電機層樓板整體最大響應值，對于豎向位移，Passive-off、Passive-on、半主動控制的響應分別減小了0.27%、1.05%、1.39%；對于豎向速度，分別減小了3.75%和14.81%、15.43%；對于豎向加速度，分別減小了2.26%、11.71%、14.81%。可見，采用磁流變阻尼

表5 發電機層樓板整體最大響應值

注：括號內為減振效果，即(無控情況-有控情況)/無控情況。

器可以明顯減小發電機層樓板整體最大響應。其中，采用Passive-on和半主動控制進行減振時，發電機層樓板的整體響應減小到振動標準值以下。

為了更好地展現磁流變阻尼器的減振效果，本文選取了發電機層樓板的3個典型點。即，無控情況下的最大豎向位移響應點、最大豎向速度響應點和最大豎向加速度響應點。表6給出了發電機層樓板典型點的最大響應值，對于豎向位移最大響應點，Passive-off、Passive-on、半主動控制的響應分別減小了0.27%、1.58%、2.34%；對于最大豎向速度響應點，分別減小了3.75%和19.30%、31.15%；對于最大豎向加速度響應點，分別減小了2.26%、11.85%、17.49%。圖6～8給出了3個典型點的時程曲線，從圖中可以看出，本文提出的磁流變阻尼

表6 發電機層樓板典型點的最大響應值

注：括號內為減振效果，即(無控情況-有控情況)/無控情況。

圖6 豎向最大位移響應點時程

圖7 豎向最大速度響應點時程

圖8 豎向最大加速度響應點時程

器智能減振方法能有效減小結構峰值區域的響應。3種控制算法中，半主動控制算法的減振效果最優，被動控制中Passive-on的減振效果優于Passive-off。

3 結 論

(1)本文基于Bouc-Wen模型，提出了基于ABAQUS平臺的磁流變阻尼器減振的計算方法，該方法簡單易行，只需通過控制磁流變阻尼器的電流和大小就能實現磁流變阻尼器的被動控制和半主動控制。

(2)本文基于抽水蓄能電站廠房振動特點，提出了基于磁流變阻尼器的智能減振方法。該方法能夠有效減小廠房結構的峰值響應，發電機層的豎向速度和加速響應有效減小到標準值以下。

(3)3種控制算法中，半主動控制算法的減振效果最優，被動控制中Passive-on的減振效果優于Passive-off。