向 明，楊 恒，鄭建興，歐陽金惠，李金偉

(1.國(guó)網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200；

2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；

3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

0 前 言

我國(guó)抽水蓄能電站通過20多年的大規(guī)模興建，在科研、設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行等領(lǐng)域已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組設(shè)計(jì)制造技術(shù)得到了全面提升[1-3]，但仍然存在一些關(guān)鍵技術(shù)問題亟待解決。近期國(guó)內(nèi)外水電站先后出現(xiàn)機(jī)組、廠房振動(dòng)安全事故[4]，同時(shí)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(dòng)問題，從而影響電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并帶來一定的社會(huì)影響。研究其振源、傳遞路徑以及運(yùn)行規(guī)律，并提出改善機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的措施，對(duì)保障電站安全穩(wěn)定運(yùn)行和社會(huì)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(dòng)、擺度偏大以及過渡工況壓力脈動(dòng)劇烈等問題[5]，電站過渡工況及部分穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)問題，附近居民曾多次提出抗議。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘和實(shí)測(cè)，夜間機(jī)組運(yùn)行時(shí)，能感受到比較明顯的振感，嚴(yán)重影響居民的正常生活和社會(huì)安定。

鑒于此，開展了黑麋峰抽水蓄能電站機(jī)組[6]和廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)試及其對(duì)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(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動(dòng)問題奠定基礎(chǔ)，并有利于提高國(guó)內(nèi)外抽水蓄能電站設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究和運(yùn)行管理水平，并可將有益經(jīng)驗(yàn)推廣到存在類似問題的水電站項(xiàng)目，將產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。由于篇幅有限，本文重點(diǎn)介紹機(jī)組穩(wěn)定性測(cè)試試驗(yàn)和輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果[7]，以及機(jī)組穩(wěn)定性與區(qū)域環(huán)境振動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)性，闡明區(qū)域環(huán)境振動(dòng)的激振源及其傳遞路徑。

1 機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)

1.1 主要試驗(yàn)內(nèi)容

1.1.1 變負(fù)荷試驗(yàn)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(jī)組負(fù)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(fù)荷試驗(yàn)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(jī)組負(fù)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(yàn)結(jié)果

通過以上工況進(jìn)行的變轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)、變勵(lì)磁電流空轉(zhuǎn)、變負(fù)荷、抽水以及甩負(fù)荷工況下的機(jī)組穩(wěn)定性測(cè)試，機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，擺度主頻基本為轉(zhuǎn)頻，頂蓋振動(dòng)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(dòng)信號(hào)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(dòng)測(cè)試結(jié)果見圖1～6。

圖1 壓力脈動(dòng)相對(duì)幅值與負(fù)荷的關(guān)系曲線

圖2 球閥前壓力脈動(dòng)時(shí)域示意

圖3 球閥前壓力脈動(dòng)頻譜

圖4 球閥后壓力脈動(dòng)頻譜

圖5 無葉區(qū)+X向壓力脈動(dòng)頻譜

圖6 無葉區(qū)+Y向壓力脈動(dòng)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(dòng)信號(hào)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(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間動(dòng)靜干涉的影響向上游進(jìn)行了傳播。

2 輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)

2.1 概述

黑麋峰抽水蓄能電站全面開展了機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)及對(duì)策研究工作，本文重點(diǎn)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(dòng)問題，所進(jìn)行的環(huán)境振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)工作。測(cè)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(duì)2號(hào)機(jī)開展了環(huán)境振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)[7]。

2.2 高壓岔管上方山體區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)試分析

通過現(xiàn)場(chǎng)查勘，選定2座居民樓和1處裸露巖體開展測(cè)試，其中高壓叉管上方的居民樓為測(cè)試重點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)詳細(xì)布置及測(cè)試結(jié)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(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試3個(gè)方向振動(dòng)響應(yīng)，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(jī)組發(fā)電工況測(cè)試，機(jī)組有功為90 ～300 MW(間隔30 MW)，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 高壓岔管上方居民樓測(cè)點(diǎn)加速度幅值統(tǒng)計(jì)

2.2.2 山腰居民樓測(cè)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(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試3個(gè)方向振動(dòng)響應(yīng)，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(cè)試工況為機(jī)組發(fā)電工況下有功300 MW，測(cè)試結(jié)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(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)試工況為機(jī)組發(fā)電工況下有功300 MW，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 山腰居民樓與裸露基巖的測(cè)點(diǎn)加速度幅值統(tǒng)計(jì)

3 輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動(dòng)三維有限元計(jì)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(biāo)系選取如下：X軸為引水管道軸線，正向指向下游；Y軸為機(jī)組軸線；Z軸正向?yàn)榇怪毕蛏?。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(diǎn)總數(shù)達(dá)23 521 896個(gè)。

圖7 引水管道區(qū)域三維CAD模型

圖8 測(cè)試居民樓位置示意

3.2 計(jì)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(dòng)力分析計(jì)算規(guī)模，參照類似工程圍巖抗力試驗(yàn)成果以及國(guó)內(nèi)其他水電站廠房振動(dòng)研究成果[8]，計(jì)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(jì)算結(jié)果及分析

居民樓區(qū)域的振動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)于表3、4，三維有限元數(shù)值模擬主要結(jié)果見圖9～12。

表3 居民樓區(qū)域振動(dòng)響應(yīng)峰值統(tǒng)計(jì)

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(shí)輸水發(fā)電。

(2)工況2，引水管道P1輸水發(fā)電(僅1號(hào)和2號(hào)機(jī)組發(fā)電)。

(3)工況3，引水管道P2輸水發(fā)電(僅3號(hào)和4號(hào)機(jī)組發(fā)電)。

(4)工況4，引水管道P1和P2往-Y軸向移動(dòng)100 m，兩管道同時(shí)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(jì)算存儲(chǔ)容量與數(shù)據(jù)讀取速度，本次計(jì)算結(jié)果僅輸出和存儲(chǔ)高壓岔管上方居民樓區(qū)域的節(jié)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)，該區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)約122.3萬。

計(jì)算結(jié)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(jí)節(jié)點(diǎn)三維有限元模擬計(jì)算模型，通過“天河一號(hào)”超算中心開展大規(guī)模計(jì)算分析，計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果吻合。

(2)居民樓區(qū)域豎向振動(dòng)響應(yīng)大于水平向。

(3)通過對(duì)比工況1和工況4可以看出，當(dāng)高壓岔管及主廠房往-Y軸方向移動(dòng)100 m時(shí)，地表振動(dòng)較現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案有所降低，特別是所測(cè)試的居民樓振動(dòng)大幅降低(見表4)。

表4 測(cè)試居民樓振動(dòng)響應(yīng)峰值統(tǒng)計(jì)

(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(duì)于不影響地質(zhì)穩(wěn)定性和工程安全的詳細(xì)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(xì)地質(zhì)條件，而這些地質(zhì)條件對(duì)引水管道區(qū)域地表的振動(dòng)響應(yīng)影響不可忽略甚至較大。本次計(jì)算模型采用均質(zhì)圍巖，因此計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果存在不可避免的差異。

4 結(jié) 語

通過對(duì)抽水蓄能電站機(jī)組特性、土建結(jié)構(gòu)和輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動(dòng)的運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，機(jī)組發(fā)電工況下，無論是廠房局部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的加速度、速度和位移，還是區(qū)域環(huán)境振動(dòng)的加速度響應(yīng)，其主頻均為90.0 Hz，充分表明廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)和區(qū)域環(huán)境振動(dòng)的主要振源為機(jī)組流道內(nèi)的脈動(dòng)壓力，尤其是2倍葉片過流頻率成份的脈動(dòng)壓力。機(jī)組流道內(nèi)球閥前后以及活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間的壓力脈動(dòng)信號(hào)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(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間動(dòng)靜干涉引起的水力激振向上游進(jìn)行了傳播。

高壓岔管上方居民樓環(huán)境振動(dòng)三維有限元計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)引水系統(tǒng)高壓岔管(主廠房)往-Y軸方向移動(dòng)100 m時(shí)，地表振動(dòng)較現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案有所降低，特別是所測(cè)試的居民樓振動(dòng)將大幅降低。基于此，抽水蓄能電站機(jī)組選型及水力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)與活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)組合的動(dòng)靜干涉所引起的水力激振問題。同時(shí)，為避免新建抽水蓄能電站出現(xiàn)廠房振動(dòng)和輸水系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境振動(dòng)安全問題，建議在設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)振動(dòng)安全研究，應(yīng)針對(duì)機(jī)組特性、廠房與輸水系統(tǒng)的布置形式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，系統(tǒng)規(guī)劃、協(xié)同研究。