大型抽水蓄能電站機組與區(qū)域環(huán)境振動聯(lián)合測試研究初探

向 明，楊 恒，鄭建興，歐陽金惠，李金偉

(1.國網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長沙 410200；

2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；

3.中國水利水電科學研究院，北京 100048)

0 前 言

我國抽水蓄能電站通過20多年的大規(guī)模興建，在科研、設計、建設及運行等領域已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，機組設計制造技術得到了全面提升[1-3]，但仍然存在一些關鍵技術問題亟待解決。近期國內(nèi)外水電站先后出現(xiàn)機組、廠房振動安全事故[4]，同時還注意到部分抽水蓄能電站存在輸水系統(tǒng)區(qū)域周圍山體的環(huán)境振動問題，從而影響電站的安全穩(wěn)定運行，并帶來一定的社會影響。研究其振源、傳遞路徑以及運行規(guī)律，并提出改善機組穩(wěn)定運行的措施，對保障電站安全穩(wěn)定運行和社會安定均具有重要意義。

黑麋峰抽水蓄能電站投產(chǎn)以來，存在部分工況振動、擺度偏大以及過渡工況壓力脈動劇烈等問題[5]，電站過渡工況及部分穩(wěn)定運行工況下廠房局部有明顯的振感。尤其需要引起重視的，電站輸水系統(tǒng)高壓岔管上方山體存在區(qū)域環(huán)境振動問題，附近居民曾多次提出抗議。根據(jù)現(xiàn)場查勘和實測，夜間機組運行時，能感受到比較明顯的振感，嚴重影響居民的正常生活和社會安定。

鑒于此，開展了黑麋峰抽水蓄能電站機組[6]和廠房結構振動以及輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動測試及其對策研究工作，尋求上述問題的解決思路和方法，提出優(yōu)化方案和建議，不僅能為解決黑麋峰抽水蓄能電站機組和廠房結構振動以及輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動問題奠定基礎，并有利于提高國內(nèi)外抽水蓄能電站設計、試驗研究和運行管理水平，并可將有益經(jīng)驗推廣到存在類似問題的水電站項目，將產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟效益。由于篇幅有限，本文重點介紹機組穩(wěn)定性測試試驗和輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動測試試驗結果[7]，以及機組穩(wěn)定性與區(qū)域環(huán)境振動之間的關聯(lián)性，闡明區(qū)域環(huán)境振動的激振源及其傳遞路徑。

1 機組穩(wěn)定性試驗

1.1 主要試驗內(nèi)容

1.1.1 變負荷試驗1

上庫平均水位：391.84 m；下庫平均水位：85.18 m；平均毛水頭：306.66 m；機組負荷分別為：90.53、117.79、149.93、178.48、206.77、239.94、268.49、298.32 MW。

1.1.2 變負荷試驗2

上庫平均水位：397.45 m；下庫平均水位：73.85 m；平均毛水頭：323.60 m；機組負荷分別為：90.70、119.07、149.93、178.99、208.83、238.92、270.03、300.89 MW。

1.2 主要試驗結果

通過以上工況進行的變轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)、變勵磁電流空轉(zhuǎn)、變負荷、抽水以及甩負荷工況下的機組穩(wěn)定性測試，機組帶負荷運行時，擺度主頻基本為轉(zhuǎn)頻，頂蓋振動主頻為2倍葉片過流頻率(90 Hz)，球閥前、球閥后以及無葉區(qū)的壓力脈動信號中含有明顯的葉片過流頻率(45 Hz)和2倍葉片過流頻率，壓力脈動測試結果見圖1～6。

圖1 壓力脈動相對幅值與負荷的關系曲線

圖2 球閥前壓力脈動時域示意

圖3 球閥前壓力脈動頻譜

圖4 球閥后壓力脈動頻譜

圖5 無葉區(qū)+X向壓力脈動頻譜

圖6 無葉區(qū)+Y向壓力脈動頻譜

由圖1～6可以看出：球閥前、球閥后以及無葉區(qū)的壓力脈動信號中含有明顯的葉片過流頻率(45 Hz)和2倍葉片過流頻率(90 Hz)，充分表明活動導葉與轉(zhuǎn)輪間動靜干涉的影響向上游進行了傳播。

2 輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動測試試驗

2.1 概述

黑麋峰抽水蓄能電站全面開展了機組和廠房結構振動以及輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動測試試驗及對策研究工作，本文重點介紹基于輸水系統(tǒng)高壓岔管上方山體存在區(qū)域環(huán)境振動問題，所進行的環(huán)境振動測試試驗工作。測試區(qū)域主要包括高壓岔管上方山體居民樓、山腰居民樓以及一處裸露巖體，針對2號機開展了環(huán)境振動測試試驗[7]。

2.2 高壓岔管上方山體區(qū)域環(huán)境振動測試分析

通過現(xiàn)場查勘，選定2座居民樓和1處裸露巖體開展測試，其中高壓叉管上方的居民樓為測試重點，測點詳細布置及測試結果如下。

2.2.1 高壓叉管上方居民樓

高壓叉管上方居民樓為2層樓房，每層地面布置1個測點，每個測點測試3個方向振動響應，方向選取為：X軸平行于外墻，Y軸垂直于外墻，Z軸垂直向上。高壓叉管上方居民樓開展了機組發(fā)電工況測試，機組有功為90 ～300 MW(間隔30 MW)，測試結果見表1。

表1 高壓岔管上方居民樓測點加速度幅值統(tǒng)計

2.2.2 山腰居民樓測試

山腰居民樓為一層樓，在其大廳室內(nèi)和室外分別布置1個測點，每個測點測試3個方向振動響應，方向選取為：X軸平行于外墻，Y軸垂直于外墻，Z軸垂直向上。測試工況為機組發(fā)電工況下有功300 MW，測試結果見表2。

2.2.3 裸露基巖

裸露基巖位于距離上述山腰居民樓約150 m處的路邊，布置1個測點。測試工況為機組發(fā)電工況下有功300 MW，測試結果見表2。

表2 山腰居民樓與裸露基巖的測點加速度幅值統(tǒng)計

3 輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動三維有限元計算分析

3.1 引水管道區(qū)域有限元模型

引水管道區(qū)域有限元模型坐標系選取如下：X軸為引水管道軸線，正向指向下游；Y軸為機組軸線；Z軸正向為垂直向上。引水管道區(qū)域三維CAD模型和以及有限元網(wǎng)格模型見圖7、8，模型網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)達23 521 896個。

圖7 引水管道區(qū)域三維CAD模型

圖8 測試居民樓位置示意

3.2 計算模型邊界條件選取

黑麋峰電站圍巖巖性主要為Ⅱ類花崗巖，考慮到動力分析計算規(guī)模，參照類似工程圍巖抗力試驗成果以及國內(nèi)其他水電站廠房振動研究成果[8]，計算模型采用粘彈性邊界模擬周邊約束條件，具體如下：法向抗力系數(shù)K取80 kg/cm3，切向取法向的一半。

3.3 主要計算結果及分析

居民樓區(qū)域的振動響應統(tǒng)計于表3、4，三維有限元數(shù)值模擬主要結果見圖9～12。

表3 居民樓區(qū)域振動響應峰值統(tǒng)計

圖9 居民樓區(qū)域山體Z向加速度

圖10 居民樓區(qū)域地表Z向加速度

圖11 居民樓區(qū)域地表Y向速度

圖12 居民樓區(qū)域地表Z向位移

數(shù)值模擬工況如下：

(1)工況1，引水管道P1和P2同時輸水發(fā)電。

(2)工況2，引水管道P1輸水發(fā)電(僅1號和2號機組發(fā)電)。

(3)工況3，引水管道P2輸水發(fā)電(僅3號和4號機組發(fā)電)。

(4)工況4，引水管道P1和P2往-Y軸向移動100 m，兩管道同時輸水發(fā)電。

因引水管道區(qū)域有限元模型網(wǎng)格超過2 300萬，考慮到計算存儲容量與數(shù)據(jù)讀取速度，本次計算結果僅輸出和存儲高壓岔管上方居民樓區(qū)域的節(jié)點振動響應，該區(qū)域節(jié)點數(shù)約122.3萬。

計算結果表明：

(1)開創(chuàng)性的建立了輸水系統(tǒng)區(qū)域山體千萬級節(jié)點三維有限元模擬計算模型，通過“天河一號”超算中心開展大規(guī)模計算分析，計算與現(xiàn)場試驗結果吻合。

(2)居民樓區(qū)域豎向振動響應大于水平向。

(3)通過對比工況1和工況4可以看出，當高壓岔管及主廠房往-Y軸方向移動100 m時，地表振動較現(xiàn)有設計方案有所降低，特別是所測試的居民樓振動大幅降低(見表4)。

表4 測試居民樓振動響應峰值統(tǒng)計

(4)需要指出，根據(jù)現(xiàn)行水力發(fā)電工程地質(zhì)勘查規(guī)范，并未要求開展對于不影響地質(zhì)穩(wěn)定性和工程安全的詳細勘探工作，如施工階段引水管道區(qū)域巖體斷層、節(jié)理、巖性等詳細地質(zhì)條件，而這些地質(zhì)條件對引水管道區(qū)域地表的振動響應影響不可忽略甚至較大。本次計算模型采用均質(zhì)圍巖，因此計算結果與測試結果存在不可避免的差異。

4 結 語

通過對抽水蓄能電站機組特性、土建結構和輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動的運行規(guī)律進行系統(tǒng)研究，機組發(fā)電工況下，無論是廠房局部結構振動的加速度、速度和位移，還是區(qū)域環(huán)境振動的加速度響應，其主頻均為90.0 Hz，充分表明廠房結構振動和區(qū)域環(huán)境振動的主要振源為機組流道內(nèi)的脈動壓力，尤其是2倍葉片過流頻率成份的脈動壓力。機組流道內(nèi)球閥前后以及活動導葉與轉(zhuǎn)輪間的壓力脈動信號中含有明顯的1倍葉片過流頻率(45 Hz)和2倍葉片過流頻率(90 Hz)，充分表明活動導葉與轉(zhuǎn)輪間動靜干涉引起的水力激振向上游進行了傳播。

高壓岔管上方居民樓環(huán)境振動三維有限元計算結果表明，當引水系統(tǒng)高壓岔管(主廠房)往-Y軸方向移動100 m時，地表振動較現(xiàn)有設計方案有所降低，特別是所測試的居民樓振動將大幅降低。基于此，抽水蓄能電站機組選型及水力設計時，應重點關注轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)與活動導葉數(shù)組合的動靜干涉所引起的水力激振問題。同時，為避免新建抽水蓄能電站出現(xiàn)廠房振動和輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動安全問題，建議在設計階段加強振動安全研究，應針對機組特性、廠房與輸水系統(tǒng)的布置形式和結構特點，系統(tǒng)規(guī)劃、協(xié)同研究。