郭德昌，劉加進(jìn)

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122）

1 概述

隨著水電站機(jī)組單機(jī)容量增大，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的尺寸亦顯著增加。相比而言，機(jī)組本體和支承結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度相對(duì)降低，作用在機(jī)組上的各種激振力將急劇增加，因此，對(duì)振動(dòng)的預(yù)測(cè)和控制就變得十分困難[1-3]。即便機(jī)組設(shè)備制造廠家在設(shè)計(jì)制造時(shí)會(huì)結(jié)合理論和模型研究，對(duì)振動(dòng)加以預(yù)測(cè)和預(yù)防，但實(shí)際運(yùn)行中的振動(dòng)仍然難于完全避免。電站運(yùn)行過(guò)程中，各種因素誘發(fā)的振動(dòng)能量巨大，在多源振動(dòng)作用下，重要結(jié)構(gòu)（尤其是機(jī)墩風(fēng)罩結(jié)構(gòu)）振動(dòng)情況十分復(fù)雜，強(qiáng)烈的振動(dòng)或噪聲將對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和操作環(huán)境的職業(yè)健康帶來(lái)極大的不利影響[4-11]。

目前水電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能相關(guān)研究多集中于高轉(zhuǎn)速、高水頭的抽水蓄能電站，對(duì)常規(guī)中低水頭大型機(jī)組電站廠房結(jié)構(gòu)的抗振性能研究較少，本文就依托龍開(kāi)口水電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分析對(duì)中低水頭大型機(jī)組電站廠房結(jié)構(gòu)抗振性能進(jìn)行研究。

龍開(kāi)口水電站樞紐位于云南省大理州鶴慶縣朵美鄉(xiāng)境內(nèi)，是金沙江中游河段規(guī)劃8 個(gè)梯級(jí)電站的第六級(jí)電站。上接金安橋水電站，下鄰魯?shù)乩娬?。龍開(kāi)口水電站共安裝5 臺(tái)360 MW 的混流式水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量1 800 MW，設(shè)計(jì)水頭85 m，屬于中低水頭大型機(jī)組電站，電站機(jī)組額定轉(zhuǎn)速83.3 r/min，最大飛逸轉(zhuǎn)速170 r/min。下面采用三維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算方法，分析廠房結(jié)構(gòu)在不同運(yùn)行工況及事故工況下，結(jié)構(gòu)相應(yīng)的振動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)特性。從結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全和人體保健兩方面進(jìn)行研究，建立針對(duì)工程的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，校核并判別廠房結(jié)構(gòu)的抗振安全性及電站振動(dòng)環(huán)境健康性，最終提出行之有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。

2 廠房振動(dòng)特性及共振復(fù)核

2.1 分析模型

該電站采用一機(jī)一縫布置，即選取單個(gè)機(jī)組段為目標(biāo)分析對(duì)象，利用大型通用有限元軟件ANSYS 進(jìn)行數(shù)值模擬。其中上下游墻體、機(jī)墩、樓板、層間柱及下部大體積混凝土結(jié)構(gòu)采用六面體單元（Solid45）模擬；發(fā)電機(jī)層和中間層的梁結(jié)構(gòu)采用空間梁?jiǎn)卧˙eam188）模擬；蝸殼和座環(huán)采用殼單元模擬；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用桿單元（Link8）模擬。

2.2 自振特性與共振復(fù)核

廠房結(jié)構(gòu)前10 階自振頻率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。低階振型以廠房上下游墻及廠頂網(wǎng)架的振動(dòng)為主，發(fā)電機(jī)層樓板結(jié)構(gòu)的自振均為較高頻率振動(dòng)，振動(dòng)頻率在20 Hz 以上。主要是由于廠房上下游墻及廠頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面外剛度比發(fā)電機(jī)層樓板平面外剛度小的緣故。

表1 廠房結(jié)構(gòu)固有頻率及振型說(shuō)明

水輪發(fā)電機(jī)組振源較多，研究成果[1]表明主要分為機(jī)械、電磁和水力三類。龍開(kāi)口電站機(jī)組的主要振源頻率特性見(jiàn)表2。廠房結(jié)構(gòu)第一、二階自振頻率與飛逸轉(zhuǎn)速頻率分別具有21.7%和19.1%的錯(cuò)開(kāi)度，自振頻率與其他振源頻率均具有30%以上的錯(cuò)開(kāi)度。因此需重點(diǎn)關(guān)注飛逸工況下廠房結(jié)構(gòu)與飛逸轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生共振的可能性。

表2 龍開(kāi)口電站機(jī)組振源頻率Hz

3 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制分析

3.1 計(jì)算分析說(shuō)明

采用動(dòng)力法進(jìn)行龍開(kāi)口電站廠房結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)振幅與動(dòng)力強(qiáng)度復(fù)核。根據(jù)機(jī)組振動(dòng)荷載同頻率、同相位、周期性的特點(diǎn)，采用諧響應(yīng)分析法進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)振幅與動(dòng)力強(qiáng)度復(fù)核考慮5 種工況：額定運(yùn)行工況、兩相短路工況、半數(shù)磁極短路工況、三相短路工況及飛逸工況，額定運(yùn)行工況荷載作用頻率為轉(zhuǎn)頻1.39 Hz，短路工況為電磁頻率50 Hz，飛逸工況為飛逸轉(zhuǎn)頻2.83 Hz。根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)自振特性和共振復(fù)核分析成果，本文僅對(duì)額定運(yùn)行工況和飛逸工程結(jié)果進(jìn)行分析研究。

3.2 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制

目前水電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)還比較少，僅規(guī)范[12]對(duì)機(jī)墩振幅給出了控制標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)［13］對(duì)廠房抗振減振成果進(jìn)行了梳理。常規(guī)中低水頭大型水電站廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)也可參考以上規(guī)范及研究成果。本文參考國(guó)內(nèi)外對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)械基礎(chǔ)，以及人體健康等的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合大型水電站廠房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，提出對(duì)龍開(kāi)口水電站廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的建議，見(jiàn)表3。

表3 龍開(kāi)口水電站主廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值

龍開(kāi)口水電站廠房額定運(yùn)行與飛逸工況的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 典型部位振動(dòng)幅值

從表4 結(jié)果可以看：

1）兩種工況的豎向振幅多處超出振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值，水平振幅、均方根速度及均方根加速度均小于振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值。

2）豎向振幅多處超標(biāo)的原因主要是由于常規(guī)大型發(fā)電機(jī)組自重較大，各荷載作用基礎(chǔ)處的垂直動(dòng)荷載相應(yīng)較大，有限元計(jì)算存在明顯的應(yīng)力與應(yīng)變集中現(xiàn)象，這在其它工程分析結(jié)論中也普遍存在[9-11，14]；由于下機(jī)架基礎(chǔ)處的豎向動(dòng)位移較大，引起機(jī)墩底部截面的最大豎向動(dòng)位移也超出了規(guī)范規(guī)定的允許值。規(guī)范[12]給出的機(jī)墩的限值，是針對(duì)機(jī)墩結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)力學(xué)法結(jié)果給出的，龍開(kāi)口廠房機(jī)墩結(jié)構(gòu)振幅按照結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算的結(jié)果分別為垂直向0.013 mm 和水平向0.064 mm，可以看出兩種計(jì)算方法的位移結(jié)果存在較大差異。當(dāng)按照規(guī)范進(jìn)行機(jī)墩結(jié)構(gòu)的振幅控制時(shí)，建議采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算，動(dòng)力法計(jì)算結(jié)果作為參考并可用于振動(dòng)位移響應(yīng)分布規(guī)律的了解。

4 發(fā)電機(jī)層樓板聯(lián)接方式對(duì)抗振性能影響分析

發(fā)電機(jī)層是電站運(yùn)行人員較為集中的場(chǎng)所，福建水口電站廠房近年來(lái)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)研究為水力激振引起的發(fā)電機(jī)層板梁振動(dòng)，主梁與上下游墻體簡(jiǎn)支牛腿也出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象[15]。鑒于水口水電站也為常規(guī)中低水頭大型發(fā)電站，為盡量避免不可預(yù)測(cè)的水力振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)破壞，龍開(kāi)口水電站進(jìn)行發(fā)電機(jī)層和中間層板梁與上下游墻體間支撐方式的比較研究，聯(lián)接方式分別為簡(jiǎn)支與整澆，計(jì)算工況取額定運(yùn)行工況。聯(lián)接方式對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響見(jiàn)表5。

表5 聯(lián)接方式對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性影響對(duì)比

由上述對(duì)比成果可見(jiàn)，整澆聯(lián)接的結(jié)構(gòu)自振頻率均高于簡(jiǎn)支邊界的結(jié)果，這說(shuō)明發(fā)電機(jī)層及中間層板梁結(jié)構(gòu)支撐邊界條件由簡(jiǎn)支改為整澆之后，板梁結(jié)構(gòu)對(duì)上、下游墻結(jié)構(gòu)的支撐剛度有所提高，提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，從而引起結(jié)構(gòu)自振頻率有所增加。

依據(jù)動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果，整澆聯(lián)接方式下結(jié)構(gòu)典型部位的位移響應(yīng)結(jié)果普遍較簡(jiǎn)支支撐方式有所減小，說(shuō)明了發(fā)電機(jī)層等板梁結(jié)構(gòu)與上下游墻體結(jié)構(gòu)整澆連接時(shí)會(huì)具有比簡(jiǎn)支連接形式更優(yōu)的減振效果。水平位移最大減小幅度為46.31%，位于發(fā)電機(jī)層樓板部位；豎向位移最大減小幅度為7.29%，也位于發(fā)電機(jī)層樓板部位；水平位移響應(yīng)值減小的幅度較豎向位移響應(yīng)值明顯，反映出整澆支撐形式對(duì)發(fā)電機(jī)層等板梁結(jié)構(gòu)的水平剛度增強(qiáng)效果較明顯。

基于以上分析，建議龍開(kāi)口水電站廠房發(fā)電機(jī)層及中間層板梁結(jié)構(gòu)與上下游墻結(jié)構(gòu)盡量整澆施工，若考慮一二期混凝土澆筑進(jìn)度錯(cuò)位的問(wèn)題，可在梁與牛腿接觸部位增設(shè)一定的插筋，保證結(jié)構(gòu)連接的整體性，以提高水電站廠房結(jié)構(gòu)的抗振安全性，改善運(yùn)行人員的工作環(huán)境。

2013 年11 月底電站5 臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)，經(jīng)實(shí)地調(diào)研，發(fā)電機(jī)層、中間層樓板結(jié)構(gòu)無(wú)明顯振感，運(yùn)行環(huán)境良好，廠房結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)振動(dòng)破壞，整體安全穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1）必須重視中低水頭大型水電站廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)預(yù)測(cè)與控制，對(duì)機(jī)組振源特性及振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)廠房結(jié)構(gòu)抗振優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）常規(guī)中低水頭水電站廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)及減振措施可參考抽水蓄能電站廠房抗振減振成果，并根據(jù)常規(guī)水電站主廠房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，提出廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值，作為廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)預(yù)測(cè)和控制的依據(jù)。對(duì)重要結(jié)構(gòu)（機(jī)墩風(fēng)罩）振動(dòng)控制還需采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算進(jìn)行復(fù)核評(píng)價(jià)。

3）通過(guò)對(duì)龍開(kāi)口水電站主廠房整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分析，基本驗(yàn)證了廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，若無(wú)其他不可遇見(jiàn)的振源（水力激振）將不會(huì)發(fā)生共振，廠房機(jī)墩風(fēng)罩結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算振幅結(jié)果滿足規(guī)范要求，振動(dòng)響應(yīng)速度與加速度響應(yīng)均滿足建筑結(jié)構(gòu)抗振和人體衛(wèi)生保健標(biāo)準(zhǔn)。

4）為提高廠房結(jié)構(gòu)抗振安全性，建議蝸殼層以上一、二期結(jié)構(gòu)采用“整體澆筑”聯(lián)接。