大型燈泡貫流式水電站廠房振動(dòng)安全分析

王 婧， 田 建 海， 張 奕 澤， 王 剛， 馬 震 岳

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

0 引 言

燈泡貫流式水電站因其節(jié)省投資、水頭損失小、水力資源利用充分等優(yōu)點(diǎn)，已成為低水頭水力資源開發(fā)的優(yōu)選形式。從燈泡貫流式電站廠房的結(jié)構(gòu)特性而言，其空腔比大、自重較輕、管型座支承受力大且受力分布復(fù)雜，廠房振動(dòng)方面的問題需引起重視[1-2]。

結(jié)合某大型燈泡貫流式水電站廠房，進(jìn)行振動(dòng)安全研究。該電站機(jī)組單機(jī)容量為60 MW，是目前國內(nèi)單機(jī)容量最大的燈泡貫流式機(jī)組。同時(shí)，該電站受場地因素限制，GIS開關(guān)站布置在廠房的尾水平臺(tái)上方，GIS設(shè)備受電站運(yùn)行時(shí)機(jī)組的振動(dòng)、流道水流脈動(dòng)壓力[3]等的影響可能較為顯著。通過數(shù)值仿真分析廠房發(fā)生共振危險(xiǎn)的可能性，計(jì)算廠房結(jié)構(gòu)在受迫振動(dòng)下的振動(dòng)響應(yīng)，并以此對廠房振動(dòng)控制做出評價(jià)，討論GIS開關(guān)站布置在尾水平臺(tái)上方的可行性。

1 燈泡貫流式機(jī)組廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)

目前，在廠房動(dòng)力設(shè)計(jì)中，需對結(jié)構(gòu)共振問題進(jìn)行判斷以便在設(shè)計(jì)過程中通過結(jié)構(gòu)調(diào)整對其加以避免。關(guān)于共振復(fù)核，現(xiàn)行《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB35011-2016)只是要求機(jī)墩結(jié)構(gòu)自振頻率和干擾振源頻率的錯(cuò)開度大于20%。由于沒有關(guān)于廠房上部框架結(jié)構(gòu)共振復(fù)核等方面內(nèi)容的明確規(guī)定，僅憑自振頻率不能得出明確的廠房共振結(jié)論，需要進(jìn)一步結(jié)合廠房的動(dòng)力反應(yīng)幅值做出評價(jià)。

參考國內(nèi)外對建筑結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力機(jī)械基礎(chǔ)的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，提出了水電站廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值[4]，見表1。由于具體工程的振動(dòng)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)行環(huán)境條件的不同，控制標(biāo)準(zhǔn)可能不同，必須結(jié)合實(shí)際加以分析，制定出既考慮技術(shù)指標(biāo)和安全性又兼顧經(jīng)濟(jì)性的標(biāo)準(zhǔn)。對于GIS等電氣設(shè)備，若按照儀器設(shè)備的控制標(biāo)準(zhǔn)，振動(dòng)速度不應(yīng)超過1.5 mm/s，這對于水電站電氣設(shè)備過于嚴(yán)格。

表1 水電站廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值

2 廠房自振特性與共振復(fù)核

某大型燈泡貫流式水電站廠房共有三個(gè)機(jī)組段，每個(gè)機(jī)組段裝有兩臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組。在數(shù)值計(jì)算中，選取中間機(jī)組段建立有限元模型，機(jī)組段整體三維有限元網(wǎng)格見圖1。廠房基巖及大體積混凝土結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，廠房樓板采用殼單元進(jìn)行模擬，廠房各層梁及柱采用梁單元進(jìn)行模擬，網(wǎng)架采用二力桿單元(LINK8)進(jìn)行模擬，網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)及屋面板重量折算后用質(zhì)量單元(MASS21)進(jìn)行模擬。模型共劃分單元79 538個(gè)，節(jié)點(diǎn)91 440個(gè)。

圖1 機(jī)組段整體三維有限元網(wǎng)格

根據(jù)機(jī)組可能的振源頻率特性進(jìn)行共振復(fù)核[5]，依據(jù)20%的錯(cuò)開度評價(jià)，分析廠房結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)頻率與振源頻率匯總及頻率錯(cuò)開度表(表2)得出以下結(jié)論：機(jī)組額定轉(zhuǎn)頻、尾水管低頻渦帶及電氣高頻共振的危險(xiǎn)性基本不存在，頻率保持有足夠的錯(cuò)開度。頻率錯(cuò)開度低于20%的區(qū)段有：第1～2階自振頻率與甩負(fù)荷轉(zhuǎn)頻、第1～3階與2倍額定轉(zhuǎn)頻、第4～5階與飛逸轉(zhuǎn)速頻率和第7～14階與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)頻率的耦合。

表2 廠房結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)頻率與振源頻率匯總及頻率錯(cuò)開度表

鑒于機(jī)組運(yùn)行中的振源特性十分復(fù)雜，可能出現(xiàn)的振源很多，頻率從低頻(0.36 Hz)到高頻(100 Hz)的分布極廣，通常難以完全錯(cuò)開所有的共振區(qū)間。只能從可能出現(xiàn)的振源頻率和結(jié)構(gòu)基本頻率的共振復(fù)核著眼，結(jié)合水輪機(jī)模型試驗(yàn)成果和機(jī)組設(shè)計(jì)及運(yùn)行特性加以研究，解決主要矛盾。

雖然機(jī)組額定轉(zhuǎn)頻與廠房自振頻率具有較大的錯(cuò)開度，但考慮到機(jī)組動(dòng)荷載較大，仍需要以電站正常運(yùn)行工況為主進(jìn)行廠房振動(dòng)計(jì)算與復(fù)核。甩負(fù)荷工況雖屬偶然工況，設(shè)計(jì)上考慮將其作為負(fù)荷變化過程設(shè)備基礎(chǔ)受力的上限值，故對此工況也進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算。

3 廠房機(jī)組動(dòng)荷載振動(dòng)響應(yīng)研究

動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算中，假定振動(dòng)荷載(機(jī)組動(dòng)荷載)為單一頻率的周期性激勵(lì)荷載，利用諧響應(yīng)方法計(jì)算出振動(dòng)位移幅值，然后乘以圓頻率及其平方，即可得到振動(dòng)速度和加速度的幅值[6]。若考慮同時(shí)作用不同頻率振動(dòng)荷載，可以分別計(jì)算不同荷載的反應(yīng)，再進(jìn)行線性疊加。

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的不同，有限元計(jì)算分兩種工況：(1)正常運(yùn)行工況，兩臺(tái)機(jī)組均正常運(yùn)行，假設(shè)所有振動(dòng)荷載為簡諧力，頻率等于額定轉(zhuǎn)速頻率。(2)甩負(fù)荷工況，其中一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷，振動(dòng)荷載頻率為機(jī)組甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速頻率，另一臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，各關(guān)鍵部位的振動(dòng)位移、速度和加速度均小于廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值。廠房整體結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)位移發(fā)生在主廠房上游排架柱柱頂?shù)捻樅酉颍瑸?.176 mm。GIS層樓板在三個(gè)方向上的最大動(dòng)位移不突出，其中順河向和豎向振幅較大。廠房下部的管型座基礎(chǔ)在順河向的動(dòng)位移最大，為0.172 mm，遠(yuǎn)小于控制標(biāo)準(zhǔn)建議值，故機(jī)組基礎(chǔ)滿足振動(dòng)安全要求。

機(jī)組甩負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，廠房整體結(jié)構(gòu)順河向的位移和速度最大，最大動(dòng)位移為0.647 mm，最大速度達(dá)到9.245 mm/s，發(fā)生在副廠房屋頂，超過了相應(yīng)部位振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值。GIS層樓板在橫河向方向上的位移較大，為0.237 mm，作為建筑結(jié)構(gòu)考慮，其振動(dòng)位移允許值為0.2 mm，結(jié)構(gòu)順河向振幅不滿足位移控制標(biāo)準(zhǔn)要求。橫河向的振動(dòng)速度也較大，達(dá)到3.110 mm/s。若按照儀器設(shè)備基礎(chǔ)考慮，振動(dòng)允許值為1.5 mm/s，不滿足速度控制標(biāo)準(zhǔn)要求。廠房下部的機(jī)組基礎(chǔ)在順河向方向上動(dòng)位移最大，為0.300 mm，該方向上的速度也較大，達(dá)到4.222 mm/s，發(fā)生在管型座基礎(chǔ)附近，接近5 mm/s的振速控制要求。機(jī)組動(dòng)荷載作用下廠房振動(dòng)響應(yīng)幅值見表3。

表3 機(jī)組動(dòng)荷載作用下廠房振動(dòng)響應(yīng)幅值

通過共振復(fù)核分析可知，機(jī)組甩負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于副廠房上部框架的第1階自振頻率與機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速頻率接近，且機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)動(dòng)荷載較大，在副廠房GIS層樓板與頂板、管型座部位能夠引起較大的振動(dòng)位移和速度。對于管型座基礎(chǔ)而言，經(jīng)計(jì)算其振動(dòng)位移值小于靜力作用下的結(jié)構(gòu)變形，設(shè)計(jì)上主要以滿足結(jié)構(gòu)受力要求為主。副廠房上部主要布置GIS室和出線場，即使發(fā)生瞬時(shí)強(qiáng)烈振動(dòng)也不至于引起結(jié)構(gòu)破壞和電氣設(shè)備的運(yùn)行故障，且因機(jī)組甩負(fù)荷運(yùn)行在工程實(shí)際中屬短暫狀況，發(fā)生幾率較小且甩負(fù)荷后的運(yùn)行時(shí)間很短，不宜按照水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范和相關(guān)規(guī)范的一般性振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)核。

針對上述不利情況，在運(yùn)行中可通過實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握和控制振動(dòng)狀態(tài)，從而合理地加以避免。同時(shí)，也可以考慮增加工程抗振、隔振(減振)措施，以進(jìn)一步減小廠房振動(dòng)對GIS等設(shè)備運(yùn)行的影響。當(dāng)前的工程應(yīng)用中，可采用將GIS等設(shè)備與基礎(chǔ)進(jìn)行振動(dòng)隔離的被動(dòng)控制(消極隔振)技術(shù)。一種方法是用隔振(減振)器，另一種是安裝阻尼橡膠板。該隔振裝置需進(jìn)行專門的隔振設(shè)計(jì)，并根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)的實(shí)際振動(dòng)狀態(tài)、裝置施工安裝難易程度及施工、維護(hù)成本進(jìn)行合理選擇。

4 結(jié) 語

研究了大型燈泡貫流式機(jī)組廠房的振動(dòng)安全評價(jià)方法，提出適合于某燈泡貫流式水電站廠房的振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，研究結(jié)果可作為貫流式水電站廠房振動(dòng)預(yù)測與控制的定性或定量依據(jù)。

通過廠房結(jié)構(gòu)自振頻率計(jì)算及共振復(fù)核，工程實(shí)例電站主、副廠房布置緊湊，整體結(jié)構(gòu)剛度較大，自振頻率比較密集。雖然該工程機(jī)組額定轉(zhuǎn)頻與廠房結(jié)構(gòu)自振頻率具有較大的錯(cuò)開度，但考慮到機(jī)組動(dòng)荷載較大，仍需要以電站正常運(yùn)行工況為主進(jìn)行廠房振動(dòng)計(jì)算與復(fù)核。

動(dòng)力安全分析表明：機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，在機(jī)組動(dòng)荷載作用下，對于廠房結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)件和不同高程，廠房振動(dòng)反應(yīng)基本在允許范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)滿足電站安全運(yùn)行要求，GIS開關(guān)站布置在尾水平臺(tái)上是可行的。機(jī)組甩負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，GIS設(shè)備層和屋面出線場樓板響應(yīng)較大，需加強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測或采取合理的減振、消振措施。可考慮在GIS等重要機(jī)電設(shè)備與其基礎(chǔ)間增加隔振(減振)裝置進(jìn)一步減小廠房振動(dòng)的不利影響，從而提升電站的安全平穩(wěn)運(yùn)行性能。