抽水蓄能电站厂房振动和噪声的实证研究

周开涛，巩泉泉，谢连科，王　坤，窦丹丹

(国网新源控股有限公司，北京 100761)

0　引　言

抽水蓄能电站在电网中主要起到调峰填谷、紧急事故备用等作用，能够有效提升企业的效益。抽水蓄能电站是一种特殊的电源，目前，在我国发电总装机中所占比例较少，不过，抽水蓄能电站却是电力系统中日益重要的一部分。本文主要研究抽水蓄能电站厂房振动和噪声问题，旨在了解其原理，促进抽水蓄能电站发挥出更好的作用。

1　工程概况

本文以某地区抽水蓄能电站为例，该电站有8台可逆式抽水蓄能发电机组，总装机容量达到2 000 MW以上，年运行4 000 h，规划发电年利用1 900.8 h，是一座周调节抽水蓄能电站。该工程2004年开工，2011年后投入使用。抽水蓄能电站的厂房结构会因其启动频繁、双向运转而存在不可避免的振动和噪声。为了找到引起电站厂房振动和噪声异常的原因，本文进行了相关实验和测试。

2　振源测试

对抽水蓄能电站进行振源测试的目的是了解振源的频率分布规律和振源能量的大小，评估机组的振动特性。通常振源分为水力、机械、电磁三种。通过测试机组稳态运行和机组开关机过程中机械和水力脉动等振源的幅值特性和频率特征，能够进一步了解该电站厂房结构的振源情况，从而更好地分析厂房结构，找到引起其振动的原因。本抽水蓄能电站共有8个机组，测试随机选择了3个机组，这样就可以更好地对振源的特性进行测试。

(1)幅值特性

通过测试可知，这3个机组的加速度有效值是随机的，没有出现某一机组的值偏大现象。每一组的加速度没有太多差异，最大值的产生具有随机性。加速度在水轮机顶盖部位处的值较大，尾随其后的值从大到小分别是尾水管和发电机上机架的加速度值。这三个位置的振源会随着高度的变化而出现差异，这样就可以进一步分析机组振动能量情况。

分析机组运行时产生的振动能量大小，主要是选择同种类型的机组运行时振源所产生的最大加速度进行对比。经比较发现，机组在运行时的最大加速度并没有太大差别，几乎一致，这说明振动能量的大小没有太大差异。

(2)频率特性

通过3组随机测试的机组实验结果可知，在稳定状态下，发电工况和抽水工况的振源各测点都存在75 Hz的频率成分，而且其所蕴含的能量大小也比其他频率成分要高出很多。机组的主要振源是水力，转轮叶片与水力干涉形成的振源就是该机组运行时的主要振动源头。还有一个出现较频繁的频率成分是8.25 Hz，虽然整体能量大小与前者的频率成分能量无法相提并论，但是在2、4倍频的状态下会产生较大的能量，这说明机组运行也是主要振源之一。还有其他的一些频率成分，由于频率低，而且频率成分的能量小，并没有对厂房结构的振动造成太明显的影响。

3　厂房结构动力特性试验

厂房结构动力特性试验又被称为模态试验，侧重了解厂房结构的频率分布，将其与振源特性进行对比，进一步了解厂房结构的薄弱部分。该试验的测试点主要布置在厂房上下游边墙和厂房内的一些部位，因为其主要测试厂房结构整体动力特性，模态参数也要全面。

(1)现场实测与有限元计算比较

将现场实测与有限元计算相结合，可以使二者更加有对比性，还能够真实反映厂房的结构动力特性。现场原型试验结果能够客观反映厂房结构的实际边界条件，而有限元计算则较为理想化，不能仅凭一些假设的边界条件就可以真实反映厂房的结构动力特性，这就需要将实际试验结果和有限元计算结果对比。通过对比可知，现场实测与有限元计算结果没有太大差异。

(2)厂房共振分析

根据试验结果可知，厂房的整体结构出现40 Hz以上频率的模态己经是10阶以上高阶模态，结合建筑抗震理论可以了解到，该模态的振型参数可以忽略不计。该电站的厂房结构在稳态运行的情况下，其基础是混凝土材质，能将机组产生的高频振动分量充分过滤，因此，这种情况下，基本不会出现共振现象。

但是在开机或者关机的情况下，机组会有一定的转速，水轮机叶片与水流产生的水力会产生一定频率的振动振频，大小在30 Hz左右徘徊，其与厂房结构的低阶频率一致，此时就可能会产生共振。不过，在各工况的测试过程中，并没有发现明显的共振现象，这说明不利频率的振动没有得到厂房结构的响应。即使如此，还是要注意开机或者关机时可能产生的不良影响，避免共振现象。

(3)厂房动力特性分析

根据频率测试可以了解到，沿着厂房轴线方向的频率有较大的差异。这主要是因为机组沿着轴线方向长度的增加，剪力墙尺寸也会增加，进一步提高了该方向的刚度。厂房轴线方向整体呈现弯剪振动，边墙以剪切振型为主，厚板一梁一柱构成的厂房框架结构沿厂房轴线方向以弯曲振动为主。电站地下厂房结构与传统的结构有很大区别，上下游不仅各有边墙和厚板，剪力墙还采用了剪切形式的振型，采用弯曲振型的框架结构，此结构决定了该电站厂房结构动力特性，也使电站测试机组的刚度有所提升。鉴于电站的地下厂房结构超大，在低频率的影响下，该结构的动力响应会更加明显，充分说明该厂房的结构频率提升后，大大提高了厂房结构抗振能力。

4　厂房结构动力响应试验

厂房结构动力响应试验的目的是监测厂房的抗振能力，该实验主要包括稳态试验与瞬态试验。随机抽取3个机组进行实验，目的是使数据更加客观，可以全面反映厂房结构和抗振能力。实验测试点布置在局部振动较大的地方和机组段各楼层，分别在这些测试点的厂房轴线方向、上下游方向、垂直方向布置加速度传感器和动位移传感器，用来测定各不同方向的最大振动位移。测试是在两个状态下进行，一是稳态运行，二是瞬时运行。

在第一种状态下，各机组的不同方向最大振动位移各自得出测试结果。电站厂房的结构振动位移频率也要进行测定，这些频率大多是低频，小于1 Hz频率成分主要是由尾水管或蜗壳内水流脉动压力产生的，然后再由混凝土结构的基础经过不断过滤进一步降低了振动频率。10 Hz以下的频率成分基本是通过转化频率形成的振动能量，也经过了层层过滤。频谱分析表明，电站厂房结构的动位移响应原因是低频振动，振源的产生主要是由水流脉动和机组转频产生。由于本工程的厂房结构位于地下，在国内没有关于此类厂房结构的统一评估标准和体系，因此，其安全性的评测可参考美国标准。建筑结构的安全极限振动位移允许值是在0.76 mm上下，其与振动频率有关，而且测得振动频率小于10 Hz，充分说明该电站厂房结构在稳态运行时安全系数较高。在第二种状态下，各机组的不同方向最大振动位移各自得出测试结果，这些结果都小于安全允许值0. 76 mm，因此，在瞬时运行下的厂房结构也不会受到太大影响，安全系数较高。

振动大小沿楼层的分布规律为水泵水轮机层振动位移更大，发电机层、中间层的振动位移水平无明显差异。

5　噪声测试

电站投入使用初期所产生的噪声比较大。经过详细的检查之后发现，一些噪声的产生主要是因为部分结构不牢固，比如，楼梯的扶手、钢结构盖板及围栏不够固定。针对这些部分采取了相应的措施，对需要固定的地方进行固定，对振动较明显的部位铺设防震垫，再加设噪声屏蔽门。采用防范措施后，厂房的噪声得到了一定的控制。通过现场测试，该电站厂房的每个作业场的噪声都大幅度降低，不会对作业造成较大的影响。不过，厂房楼梯间的噪声较大，原因可能是封闭的楼道产生了声腔共振。

6　结束语

综上所述，本文在实际测试中找到了影响抽水蓄能电站厂房的振动与噪声的因素。针对这些因素采取相应的解决措施，可以有效改善现状，提升厂房结构的安全系数，降低噪声。不过，局部的噪声依然很大，因此，建议对两机组之间的楼道进行改造，或者采取一些有效的隔音措施，才能确保电站安全运行，充分为电力系统发挥作用。

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