广州抽水蓄能电站A厂振动测试与分析

徐 丽，廖 俊，陈建秋，蒋寅军

（1.广州大学，广东省广州市 510006；2.江西中余建筑设计研究院有限公司，江西省新余市 338099；3.武汉大学，湖北省武汉市 430072）

广州抽水蓄能电站A厂振动测试与分析

徐 丽1，廖 俊2，陈建秋1，蒋寅军3

（1.广州大学，广东省广州市 510006；2.江西中余建筑设计研究院有限公司，江西省新余市 338099；3.武汉大学，湖北省武汉市 430072）

对广州蓄能水电厂A厂的地下厂房进行振源测试及整体结构环境激励下的模态测试，分析了振源频率成分及来源，模态分析得到厂房结构的多阶模态频率及振型，并与有限元计算结果进行了对比。测试分析结果显示了结构当前振动性能状态，为结构计算模型修正及结构的安全性能评定提供了依据。

地下厂房；模态测试；振源测试

0 引言

水电站厂房由于其结构特点和功能需要，运行中的振动问题非常普遍[1]，尤其是抽水蓄能电站因为具有高水头、高转速、双向运转、过渡过程复杂等特点，与常规水电站相比，机组支撑的厂房结构承受的机械离心力、电磁不平衡力矩以及流道压力脉动产生的振动都大得多。机组周围混凝土支撑厂房结构的受力和振动问题已受到水电站设计者和运行者的重视[2][3]，机组在运行过程中诱发厂房振动，在运行实践中时有发生，甚至引起被迫停机[4-6]。近年来国内研究者对多座抽水蓄能电站地下厂房进行了动力分析研究，为地下厂房的动力特性优化及抗振设计提供了理论依据与参考实例[7-11]。原型现场测试更是直观有效地反映出振动原因以及振动对结构的影响[12-14]。

由于水电厂厂房一般规模庞大，现场测试多以水轮发电机组的振动测试为主[15-17]，厂房的振动测试则相对缺乏实测资料。但对厂房结构进行现场振动测试，虽然实施难度较大，但一方面可以直接获得结构的动力特性，是了解厂房结构性能现状的第一手资料；另一方面可以为假定的理论计算模型提供修正依据，建立符合厂房结构现状的结构模型，也会为今后水电厂厂房的现场振动测试积累经验。本文介绍了对广州抽水蓄能电厂地下厂房结构进行的一系列振动测试工作，为结构计算模型修正及结构的安全性能评定提供依据。

1 工程概况

广州蓄能水电厂是我国第一座高水头、大容量纯抽水蓄能电站，装机容量2400MW。A厂厂房于1994年全面竣工投产，厂内共有4台320MW立轴单级可逆混流式水泵水轮机发电电动机组，主机间长92.5m、宽21m。厂房主体结构为钢筋混凝土梁、柱、楼板组成的框架结构，由上到下分为电动发电机层、中间层、水泵水轮机层、蜗壳层以及底部的管廊道层、集水廊道层等。A厂主机间结构为两机一缝，施工图设计阶段为满足各台机组先后投产需要，在1～2号、3～4号机组之间的楼板、梁各增设一条施工缝。施工缝处的板和梁分别搭在梁伸出的挑耳或柱牛腿上。

A厂结构在长期的振动与噪声工作环境中出现了裂缝和损伤。虽然已对厂房损伤结构进行了加固处理，但裂缝损伤是由何种振动引起的，目前厂房结构在工作中是否安全，存在的问题对未来使用有何影响等问题，是需要进一步考查的内容。本文拟通过现场振源测试及厂房结构自振特性测试分析工作，考查振源情况和当前结构的振动情况，为结构计算模型提供修正依据，从而可以进行全面的结构的安全性能评估。

2 振源测试及分析

2.1 测点布置及测试工况

抽水蓄能电站造成振动比较显著的可能来源有：电车不平衡引起的振动、水流道压力脉动引起的振动以及机组不平衡存在偏心产生的振动。这些振动由其支撑结构传至厂房各相关钢筋混凝土受力构件。因此，将传感器布置在机组以及与机组直接相关的支撑结构处，在机组不同运行状况下，测量足够长时间的加速度时程信号，以获取快速运转时电车不平衡振动、机组不平衡振动及水流道压力脉动引起的振动。

振动测试仪器包括B&K PULSE OMA分析软件，48通道PULSE 3560D数据采集系统，B&K NEXUS 2692-014型电荷放大器和4381V型电荷加速度计。

选择3号机组作为振源测试对象。在水轮发动机组上的振源测点自上而下分别布置，共4个测点。机墩混凝土和蜗壳外包混凝土上共6个测点。每测点各布置3个方向的传感器，共30个传感器。具体测点布置图及部分测点照片如图1所示。

测试工况：为3号机组单机运行的不同状态：3号机组发电开机、发电稳态及发电停机各状态；3号机组抽水稳态、抽水开机及抽水停机各状态。

图1 振源测试加速度测点布置示意图及照片Fig.1 The layout and photo of acceleration measurement points for vibration source test

2.2 振源测试结果分析

通过对在现场不同高程上不同振源部位的加速度时程信号进行峰值确定、频谱分析，确定振源成分。部分频谱测试结果见图2和图3。抽水稳态运行时各测点频率分布见表1和表2。

图2 抽水稳态运行时测点1的频谱结果Fig.2 Auto-spectrum functions of point 1 in steady-state pumping case

从频谱图和频率分布表可以得知：

（1）机组本身在不同高程上固定含有频率8.3Hz以及它的倍频，其中7倍倍频58.3Hz比较突出；并且包含一个2.3Hz的频率成分；混凝土墩上各测点也含有8.3Hz以及它的倍频，靠近蜗壳的混凝土墩处偶尔含有一个2.3Hz的频率成分；蜗壳上的测点频谱显示其主要有一个2.3Hz的频率成分；表明这个2.3Hz的频率成分与涡带压力脉动有关。

（2）发电机组工作转速500r/m，计算可得到机组转速基本频率为8.3Hz。因此测试得到的稳态运行时的振动频率为计算转动频率8.3Hz及其倍频。由于机组转轮叶片为7，故7倍转频58.3Hz显著。

图3 抽水稳态运行时测点6的频谱结果Fig.3 Auto-spectrum functions of point 6 in steady-state pumping case

表1 抽水稳态运行时各测点水平短轴向频率分布Tab.1 The frequency distribution of measurement points at short axis in steady-state pumping case

表2 抽水稳态运行时各测点水平长轴向频率分布Tab.2 The frequency distribution of measurement points at long axis in steady-state pumping case

3 整体厂房自振特性测试及分析

3.1 测点布置

主厂房结构为钢筋混凝土框架结构，平面基本规整，结构在短轴方向与岩石嵌固。在每层吊物孔、大块楼板及边梁处竖直方向布置低频加速度计。水平平动模态测试仅关注长轴方向，传感器水平向布置在各楼层边跨柱的楼板中心标高处。采用ENDEVCO 86型恒流源加速度计进行测试。

测试时在发电机层选取一个固定参考点，布置三向加速度传感器，共分7次进行结构整体脉动测试。发电机层竖向测点37个，长轴水平向测点4个，短轴水平向测点4个；中间层竖向测点37个，长轴水平向测点4个，短轴水平向测点4个；水泵水轮机层布置1点3个方向的加速度传感器。采用环境激励下的模态测试方法进行厂房结构的自振特性测试，在机组停机状态时进行结构的长时间脉动测试。部分测点布置图及测点照片见图4与图5。

图4 结构整体动力特性测试加速度测点照片Fig.4 Photos of acceleration measurement points for structural dynamic properties test

3.2 厂房自振特性测试结果及分析

对实测的加速度脉动信号进行模态分析，得到结构自振频率见表3，对应的各阶振型图见图6。

表3 实测结构整体自振频率表Tab.3 The measured frequencies of the whole structure

图5 结构整体动力特性测试发动机层测点布置图Fig.5 The layout of measurement points on the generator floor for structural dynamic properties test

与前期对厂房结构的有限元分析结果对比显示：

（1）有限元分析得到结构整体第一阶模态也为长轴方向平动模态，计算频率为12.951Hz，比实测的基频略低。这是由于有限元模型将结构在上下游边柱的切向简单地假设为无约束，而实测结果表明存在一定的约束刚度，不能忽略。

测试中在水平向沿短轴和长轴向均布置有传感器，但未得到结构水平短轴方向的平动模态，说明厂房结构上下游边界与岩石的实际法向约束比较强。计算模型需充分考虑短轴方向部分梁、柱体与岩体相连的约束程度。

（2）由于厂房结构中大体积混凝土机墩的存在，以及周边岩洞对结构的约束作用，厂房结构的振动模态大多基本表现为板、梁构件的局部竖向振动，且频率密集，主要集中在20.0～25.0Hz，与有限元计算结果相似。

（3）由振源测试分析可知，机组振动频率主要为8.3Hz及其倍频，7倍转频58.3Hz比较显著，并有一与涡带压力脉动有关的2.3Hz频率成分。而结构整体基频测得为16.49Hz，结构整体的局部振动模态频率集中于20～28Hz。参照关于厂房结构的共振校核标准，结构自振频率和荷载频率之差与结构自振频率之比大于20%～30%，机组与厂房结构间没有发生共振。

4 结束语

通过对广州蓄能水电厂A厂进行振源测试及厂房整体结构模态测试及分析，可以得出以下几点结论：

（1）振源振动主要表现为发电机组工作转速引起的8.3Hz及其倍频振动，7倍转频58.3Hz显著；并有一与涡带压力脉动有关的2.3Hz频率成分。

（2）实测整体厂房结构的模态与ANSYS有限元模型计算所得结果基本一致：一阶模态为长轴向的整体平动；板、梁构件的局部竖向振动模态较多；测得厂房扭转模态，但短轴方向没有振型发生。

第一阶实测频率结果比有限元计算结果偏高，表明实际结构比有限元分析模型的整体刚度要大，主要来自厂房结构上下游边界上存在的部分切向刚度。这有待于对有限元模型进行修正，使得计算的结果更好地与实测结果相符合，以保证后续对结构整体安全性能做出正确评估。

（3）对于像抽水蓄能电厂这样的大型复杂结构，运营过程中的动力测试数据具有较强的保存价值。可以据此全面了解厂房结构当前动力性能状态，并可用于修正厂房结构的初始有限元模型，对于校核设计，长期性能监测，以及做出实时的性能评估具有重要的意义。

图6 结构各阶模态振型图Fig.6 The measured modes of the whole structure

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2017-06-15

2017-07-18

徐 丽（1971—），女，博士，副研究员，主要研究方向：消能减振及振动测试分析工作。

Vibration Test and Analysis of the Underground Powerhouse of A Plant in GPSPS

XU Li1，LIAO Jun2，CHEN Jianqiu1，JIANG Yinjun3
（1.Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Jiangxi Zhongyu Architectural Design & Research Institute Co.，Ltd.，Xinyu 338099，China；3.Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Vibration source tests and modal tests using ambient excitation of the underground powerhouse of A plant in GPSPS were carried out.The frequency components and sources of vibration were obtained by spectrum analysis.And the modal frequencies and mode shapes of the structure were obtained by modal analysis.The result was compared with that of FEM analysis.The test analysis provides a basis for the structural model updating and structural safety evaluation.

underground powerhouse; modal test; vibration source test

TV32

A学科代码：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.010