2021-4-9 | 水利设施论文
本文结合某抽水蓄能电站在运行过程中厂房出现的高频振动问题,对引起该厂房振动的水力振源位置、振动的传递方式及产生激振频率的原因进行深入的分析,以期对抽水蓄能电站设计和振动特性分析提供一些合理建议。
工程概述
某抽水蓄能电站,电站安装4台单机250MW的机组,额定水头305m,额定流量94.1m3/s,额定转速333.3r/min,地下厂房位于水道系统尾部的微风化变质安山岩内,围岩以II类为主。地下厂房洞室内自左至右依次为副厂房、主机间、安装场,主机间发电机层以上为桥机工作空间,桥机安装在牛腿上,牛腿和围岩锚固,牛腿受力向围岩进行传递。发电机层以下结构为现浇混凝土整体结构,包括机组周围混凝土结构、四周边墙结构和结构柱与楼板结构。蜗壳四周外包混凝土三面临空,在下游侧与岩石和边墙联成一体,四周边墙结构为混凝土连续墙结构,紧贴岩石面浇筑,并用锚杆连接。2号机组段与3号机组段之间、主机间与安装场和副厂房之间均设有结构缝。电站机组采用悬式发电机和可逆式水轮机,拆卸方式为上拆,蜗壳采用充水保压的方式浇筑,金属蜗壳和外围混凝土联合受力。目前,该抽水蓄能电站在运行过程中出现了强烈的振动,为此对机组和厂房进行了一系列的现场试验,包括变负荷试验、变转速试验、变励磁试验、空载、抽水等。经过对试验结果的分析,认为:(1)该抽水蓄能电站厂房振动主频为100Hz明显,杂波含量很低;(2)已检测到的最大加速响应发生在发电机层楼板上,大小为2.5g;(3)振源为水力因素引起的厂房振动。
研究思路与方法
1.研究思路
本文利用三维有限元分析方法,对某抽水蓄能电站主厂房两台机组进行了动力特性及动力响应仿真分析研究。思路如下:首先运用自振特性分析方法对整体结构进行了自振特性分析和共振复核,针对薄弱构件运用/无质量0分析方法[5]将除分析外的构件作为无质量处理,仅提供刚度进行自振特性计算和共振复核;进而采用谐响应分析方法,由位移幅值进一步确定共振构件共振频率范围;同时将外荷载假定为简谐荷载,运用时间历程分析方法[6]分析结构在高频荷载下的振动响应分布规律;最后结合水轮机参数和现场试验结果,进行动力特性和现场测试的综合分析。
2.基本理论
1）自振特性分析方法
根据最小势能原理可以导出结构动力学基本运动方程为（略）:式中:K、C、M分别为结构的刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵;a(t)、a(t)、(t)分别为位移向量、速度向量和加速度向量;Q(t)为结构的外荷载矩阵。一般结构系统的阻尼对自振频率和振型的影响很小,因此,可略去阻尼影响来确定系统的自由振动频率和振型,即（略）:其中:<是n阶向量,X是向量<的振动频率,t是时间变量,t0是由初始条件确定的时间常数。将式(3)代入式(2),就可以得到一个广义特征值问题,即（略）:对以上方程采用以反幂法为基础的直接虑频法进行求解,得到n个特征解:(X12,<1),(X22,<2),,,(Xn2,<n)其中特征值X1,X2,,,Xn代表系统的n个固有频率;特征向量<1,<2,,,<n代表系统的n个固有振型。
2）谐响应分析方法当
式(1)中的Q(t)为简谐激振荷载时,根据微分方程理论,可求得式(1)非其次方程的解包含两部分内容:自由振动部分和稳态响应部分,其中自由振动部分由于阻尼的存在迅速的衰减消失,而稳态振动则是以激振频率持续振动。故在进行谐响应分析时式(1)中激振力Q(t)和方程的解a(t)可以表达为（略）:式中:Qmax、Amax分别为激振力和位移幅值;7为激振力相位角;U为位移相位角;Q1、Q2分别为激振力实部和虚部;A1,A2分别为位移实部和虚部。将式(5)、(6)代入式(1),可得谐响应分析的运动方程为（略）:通过对模型的原始方程直接积分进行求解,无需提取结构的特征频率,较基于模态的分析方法更为精确。
3.仿真计算模型
某抽水蓄能电站主厂房4台机组结构形式相同,采用两机一组的形式,选取厂房的1号、2号机组段进行有限元计算。计算模型范围取为:顺河向,厂上0+014.200m至厂下0+020.000m;横河向,厂左0+016.00m至厂左0+033.20m。模型高度从尾水管层402.70m高程至发电机层430.70m高程。计算模型模拟了集水井、尾水管外围混凝土、座环、蜗壳外围混凝土、机墩、风罩、各层楼板、厂房边墙和结构柱等结构。由于某抽蓄电站在运行过程中出现了强烈的振动情况,且大都主要表现在楼板和各楼层的结构柱,对于一些并不会对楼板,结构柱等振动强烈部位产生较大影响的廊道和机墩进人孔进行了适当的简化,所有混凝土结构及其它开孔均按实际体型尺寸进行模拟,厂房结构有限元网格见图1。计算模型的整体坐标系:垂直向上为Z轴正方向、垂直水流为X轴方向,正方向指向左侧;顺河向为Y轴方向,正方向指向上游。厂房结构整体计算模型的结点数为75169,单元数为70752。
计算参数及实测压力脉动特征
1.计算参数
根据地址勘测资料,岩石、混凝土、座环等相关力学参数见表1,其中岩石的单位弹性抗力系数取为。
2.机组参数及实测压力脉动特征频率
某抽水蓄能电站的水泵水轮机的额定转速为333.3r/min,最大飞逸转速为535.0r/min,固定导叶及活动导叶均20个,转轮叶片9个。根据所提供的现场测试资料分析认为,在单机运行过程中,随着负荷的增加振动逐渐增大,因此本文选择试验单机满负荷为250MW发电工况下的测试数据作为动力响应计算的动荷载输入依据,试验结果见表2。
动力特性分析
1.厂房整体自振特性
根据已经产生振动的实际情况,充分分析厂房振动整体振动的可能性,本文根据对三峡、岩滩、红石等水电站所做的分析手段,选取四种边界条件进行自振特性的分析:(1)上下自由;(2)上下游全部连杆约束;(3)水轮机层以下固定约束,以上弹性连杆约束;(4)上下游固定约束。前20阶自振频率的计算结果为:整体结构在边界1的约束作用下前4阶振型主要为上下游方向的振动,从第5阶开始表现为结构上部的楼板和结构柱的振动。整体结构在边界2、3的约束作用下除第1阶表现为厂房上部的横河向振动外,其余振型均表现为厂房上部楼板和结构柱的振动。整体结构在边界4的约束作用下均表现为上部楼板带动结构柱等薄弱构件的振动。自振频率见表3。由表3可知,上下游边界的约束条件对主厂房自振频率的影响较大,对厂房整体结构上下游向和横河向约束越严格,自振频率越大。若不考虑整体厂房的振动,发电机层楼板的起振频率均为24~25Hz之间,可见上下游边界约束的严格对厂房局部构件自振频率的影响较小。根据厂房实测振动频率特性进行共振复核,依据20%~30%的错开度评价标准[7],厂房的实测振动主频和四种边界条件下的整体自振频率错开度均大于30%,则厂房整体结构并未在100Hz时发生共振,100Hz的振动频率应为迫振频率。