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大型河床式电站厂房结构振动分析
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摘要：为复核某大型河床式电站厂房结构设计的合理性，通过建立厂房三维有限元模型对厂房结构进行自振频率分析和共振复核。依据相关研究提出振动控制标准，并基于Abaqus平台采用谐响应分析方法计算厂房结构在机组振动荷载作用下的响应。研究结果表明：厂房基频与各激振频率错开度较大，基本上排除了共振发生的可能性。机组飞逸以及不均匀磁拉力引起的激振频率与厂房自振频率比较接近，应引起重视并采取工程措施。振动荷载作用下，竖向速度水平超出振动控制标准建议值，设计中应采取措施降低机组对厂房的竖向激励；厂房结构最大动拉应力出现在左侧上游侧定子基础板处竖向，满足钢筋混凝土结构的动强度控制标准。
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水轮发电机组是水电站实现效益的核心设备，厂房作为保障机组运行的重要建筑，受振动影响可能发生共振，甚至导致局部构件损坏[1-3],这直接关系到电站的安全运行[4-6]。因此，对电站厂房结构进行振动分析十分必要。马震岳等[7]对三峡水电站厂房结构进行了动力分析，发现厂房振动频率较低且密集，机组转频和水轮机尾水管涡带频率接近厂房结构的基频和第二阶频率。高朦伟等发现机组振动对机墩、风罩、楼板等部位作用较明显，而动应力水平较大的部位主要集中在流道附近。袁寿其等对现场实测的脉动压力数据进行分析，表明机组在满负荷下顶盖结构与无叶区传播过来的压力脉动出现了水力结构共振，机组的设计具有发生相位共振的条件。
本文针对某大型河床式电站厂房结构，进行自振特性分析及共振校核，计算机组振动荷载作用下厂房结构的动响应，为厂房结构设计优化提供参考。
1、数值模型及参数
1.1工程概况
某电站总装机容量360 MW,厂内共安装3台轴流式水轮发电机组。厂房坝段布置在河床基岩上，共分5个坝段，总长156.35 m,由主机间坝段和安装间坝段组成。最大坝高83 m,一机一缝布置。中控室楼位于主厂房与挡水坝间，一二次副厂房、主变及GIS室均布置于主厂房下游侧。进水口及压力流道断面均为矩形，每孔净宽5.20 m,高度11.30 m;尾水管孔口尺寸为5.60 m×9.60 m(宽×高)。单机引用流量为402.50 m3/s。
1.2计算模型
计算的整体模型取单个标准机组段(2号机组段),其半剖视图如图1所示。上游取至进水口，下游取至尾水闸墩出口，竖向方向顶部取至混凝土结构最高部位即取水口顶部高程，底部取至混凝土底板高程，厂房结构模型沿厂房纵轴线方向总长为31.98 m,沿厂房上下游方向宽度为105 m。厂房基础范围取上游、下游及深度方向均165 m,即1.5倍厂房上下游方向宽度，左右岸方向均48 m,即1.5倍厂房纵轴线方向宽度。
模型均采用实体单元，模拟尾水管操作廊道、锥管进人廊道、检修排水廊道、灌浆廊道以及机墩上的开孔等结构。计算针对正常运行工况，上游水深63.00 m,下游水深40.72 m。
模型基岩底面为全约束，上下游及左右岸为法向约束，其他面取为自由面，机组段底板与基岩通过设置绑定约束连接，座环与支墩通过设置绑定约束连接。
1.3计算参数
2号机组建基面基岩为Ⅲ2类岩，变形模量为4 GPa,泊松比为0.28。混凝土标号C25,弹性模量28 GPa,泊松比0.167,重度25 kN/m3。
2、结构自振特性分析及共振校核
2.1自振特性
正常运行工况下，厂房整体结构自振频率计算结果见表1,其中前4阶振型如图2所示。
2.2厂房结构振源和频率
引起机组振动的原因主要有机械、电磁和水流脉动3个方面，已知本工程机组额定转速n=99 r/min,飞逸转速np=319 r/min,结合工程实际，初步得出由于机械、电磁和水流脉动形成的强迫振动振源和频率(见表2)。
图1厂房结构计算模型(半剖视)
图2厂房结构前4阶振型(变形缩放系数为20)
表1厂房结构前10阶自振频率及振型
2.3共振校核
根据相关文献，机墩自振频率和强迫振动频率之差与自振频率之比值大于20%,即满足|(f自-f激)/f自|>20%时，可以避免共振发生[8]。根据厂房结构振源和激振频率预测，以及厂房结构的自振频率，对厂房结构是否发生共振进行校核，部分成果如表3所列。从表3中可知：
(1)厂房基频与各激振频率错开度较大，基本上排除了共振发生的可能性。
(2)机组飞逸转频(5.32 Hz)与厂房振动的6～7阶频率较为接近，因此应尽量使机组少进入飞逸状态。当然，即使进入飞逸状态，由于时间很短，加上机组振源远离副厂房框架，且与之接近的是厂房较高阶振频，出现共振的概率很小。
表2厂房结构振源和频率预测
表3共振校核
(3)不均匀磁拉力引起的激振频率(3.30、4.95、6.60 Hz)与较多的厂房结构的自振频率比较接近，这对厂房结构的抗振是不利的，对此应引起重视。厂房结构体系进行针对性优化时，力求避开相关频率带。安装过程中要注意机械装配精度，保证转子轴线与磁场中心线重合。同时，也要注意在后续运行中加强维护和检修，保证设备的正常运行和长期稳定性。
3、厂房结构振动分析
3.1振动参考标准
参考国内外类似工程及已有研究提出的振动控制标准[9-11],本文以表4所列的厂房振动控制标准建议值作为依据，评价厂房结构在机组振动荷载作用下的响应值。
表4水电站主厂房振动控制标准建议值
3.2机组振动荷载作用下厂房结构动力响应分析
机组额定运行工况下，振动荷载作用下厂房结构动力响应如表5所列。由表5可知，定子基础、下机架基础、风罩和发电机层楼板的水平向合位移及竖向位移均未超过表4列出的振动控制标准建议值。
表5机组额定运行工况下典型部位最大动响应
由于机墩竖向荷载较大，各典型部位的竖向最大振动速度较大，均在19～22 mm/s之间，超出振动控制标准建议值，主要原因为厂房是对机组起支承作用的土建结构，故设计中应考虑降低机组对厂房的竖向激励。定子基础、下机架基础、风罩的径向和切向振动速度均在3.0～4.1 mm/s之间，未超出振动控制标准建议值。发电机层楼板顺河向振动速度较大，为5.5 mm/s,略微超出振动控制标准建议值5 mm/s;而横河向振动速度仅为1.386 mm/s,未超出振动控制标准建议值。振动加速度规律性与振动速度基本一致。
机墩的各向动应力数值均小于0.1 MPa,说明机墩结构有较大的强度，从动应力的角度评价，其设计是合理的。发电机层楼板的动应力相对较大，但仍远小于混凝土抗拉强度设计值，说明楼板在机组振动荷载的作用下其强度是能够保证的。上游侧边墙以及水轮机安装高程以下大体积混凝土各向应力基本小于0.1 MPa,动应力水平普遍较低。
4、结 论
采用谐响应分析方法，基于Abaqus平台对某电站厂房整体结构(包括风罩、机墩、蜗壳、板梁柱系统等)进行了自振特性分析，并与厂房机组振源频率进行共振校核，在其基础上开展了振动响应分析，研究在机组振动荷载作用下的结构动力响应，并根据相关控制指标进行复核比较，得到初步结论如下：
(1)该电站厂房整体结构的基频为2.09 Hz,表现为厂房整体横河向振动。经共振校核发现厂房基频与激振频率错开度较大，基本上排除了共振发生的可能性。
(2)机组飞逸转频与厂房较高阶振频较为接近，应尽量使机组少进入飞逸状态，但经分析可知出现共振的概率很小。不均匀磁拉力引起的激振频率与较多的厂房结构自振频率比较接近，需采取针对性措施处理。
(3)机组额定运行工况的振动荷载作用下，由于机墩竖向荷载较大，竖向速度水平略微超出了振动控制标准建议值，设计中应考虑降低机组对厂房的竖向激励；水平向振动响应水平较低，均小于振动控制标准建议值。
(4)厂房混凝土结构动应力水平普遍较低，仅在发电机层楼板与主厂房下游侧边墙相接处出现应力集中，但也远小于混凝土的抗拉强度设计值。从动应力的角度评价，厂房整体的设计是合理的，其强度在机组振动荷载作用下能够满足规范要求。
参考文献:
[1]袁寿其,方玉建,袁建平,等.我国已建抽水蓄能电站机组振动问题综述[J].水力发电学报,2015,34(11):1-15.
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[3]罗洪震.试析水电站厂房振动和裂缝问题的研究与治理[J].低碳世界,2014(2):138-139.
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[7]马震岳,董毓新,郭永刚,等.三峡水电站厂房结构动力分析与优化[J].水电能源科学,2000,18(3):26-28,53.
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[9]廖俊.抽水蓄能电厂地下厂房的振动性能评定研究[D].广州:广州大学,2011.
[10]机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价:GB/T 13441.1—2007[S].北京:中国标准出版社,2007.
[11]张宏战,相昆山,马震岳.机组振动荷载作用下大型水电站厂房振动反应分析[J].水利与建筑工程学报,2011,9(5):41-44,53.
文章来源:赖长江,幸享林.大型河床式电站厂房结构振动分析[J].水电站设计,2024,40(03):20-23+35.
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期刊名称：水电站机电技术
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主管单位：中华人民共和国水利部
主办单位：中国水利水电科学研究院
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