荒沟地下厂房在机组动荷载作用下的动力特性分析

刘天鹏 ，鲁恩龙 ，崔志刚 ，刘 佳 ，谢宜静

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春 130061；3.黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龙江 牡丹江 157000）

抽水蓄能电站不同于一般的水电站，是利用电网的峰谷特点进行储能和发电的。在负荷低谷时水泵把水源抽送至上水库，从而把电能以水势能形式储存起来，当电网高峰负荷时利用水能发电机再将水的势能转变为电能，从而达到调峰的目的。与西方发达国家相比，我国抽水蓄能电站起步较晚，从20世纪90年代才开始进入快速发展时期，截止2017年底，我国抽水蓄能电站总装机容量为67675.5 MW（其中运行容量28765.5 MW，在建容量38910 MW），无论是运行机组容量还是在建机组容量均居世界第一，所以研究抽水蓄能电站厂房运行状态下的安全稳定尤为重要。宋志强[1]等用有限元数值方法研究了机组动荷载施加方式对软弱地基上的水电站厂房结构动力响应的影响。文献[2～3]则采用谐响应法对厂房在不同机组动荷载下各部位振动反应进行了计算分析。陈婧[4]等分别利用谐响应动力分析法及时间历程分析法计算了抽水蓄能电站地下厂房结构在各种机组动荷载作用下的振动响应及从正常运行工况向飞逸工况过渡过程中的振动响应。赵水荣[5]等根据现场的测试数据模拟出了水轮机主轴的摆度与质量偏心引起的振动和水力振动之间的关系，并据此获得轮轴的摆度在某界限内时机组稳定运行的可靠性概率。本文以地下厂房3#机组段为典型对黑龙江荒沟抽水蓄能电站进行其在机组动荷载作用下的动力特性分析。

1 工程概况

黑龙江荒沟抽水蓄能电站，总装机容量为1200 MW，安装四台混流可逆式水泵水轮发电机组，单机容量为300 MW。本工程为Ⅰ等工程，工程规模为大（1）型，枢纽主要包括上水库、输水系统、地下厂房系统、及地面开关站等。

主厂房洞开挖尺寸为163.2 m×25.0 m×53.8 m（长×宽×高），洞内布置有安装间、主机间及主副厂房。主机间内布置有四个机组段，机组段总长度98.9 m，机组中心距24.0 m。计算选取3#机组段，长度为24.0 m，机组安装高程为138.00 m，发电机层高程为153.50 m，母线层高程为147.50 m，层高为6.0 m，水轮机层高程为141.50 m，层高为6.0 m，蜗壳层高程为133.50 m，层高为8.0 m，蜗壳层以下为尾水管层，尾水管底板高程为127.20 m。

电站机组采用哈电公司的立轴、半伞式发电机，发电机额定转速为428.6 r/min，飞逸转速为622 r/min；水轮机转轮活动导叶数为20个，转轮叶片数为9个。

2 计算模型

计算模型见图1。地下洞室围岩对厂房结构上下游墙的约束作用按弹性支撑考虑，用弹簧单元来模拟；机组段两侧，考虑结构分逢，各层楼板由梁柱支撑，按自由边界处理；模型底部边界采用完全固结。

图1 黑龙江荒沟抽水蓄能电站地下厂房计算模型

3 机墩组合结构刚度复核

承受机组动荷载的主体结构是机墩组合结构，由于其本身较为复杂，开孔众多，可能会形成薄弱部位，因此有必要对机墩结构体系的整体刚度进行复核。

3.1 上机架基础部位径向刚度复核

图2 上机架基础位置编号图

上机架基础有8个基础板，编号分别为1～8，见图2。假设荷载向量为P1，由于上机架的整体作用以及支承荷载分布具有不均匀性，故假设8个基础板只有6个承受荷载，其中:中间2个基础板各承担P1/4荷载，另外4个基础板各承担P1/8荷载。因此当荷载向量水平旋转一周时，便有8种荷载工况组合，组合情况见表1。

P1=16 mN时，在各种荷载组合下，上机架基础处沿力作用方向的最大位移及刚度见表2。

由表2可知:①工况Ⅱ最大位移最大，为1.198mm；工况IV的最大位移相对最小，为0.765mm。上机架基础横河向的刚度较小，主要是由于上下游侧围岩的弹性支撑作用使顺河向刚度相对较大；②各工况下径向刚度最小值为13.36mN/mm，大于厂家提供的上机架径向刚度标准值5mN/mm，可知上机架基础部位刚度复核要求。

表1 上机架基础荷载工况组合表

3.2 下机架基础部位径向刚度复核

荷载向量P2，下机架基础有6个基础板，考虑到下机架的整体作用以及支承荷载分布的不均匀性，仿照上机架，进行荷载工况组合，组合情况见表3。

表2 上机架基础在各荷载组合下沿力作用方向的最大位移及刚度

表3 下机架基础荷载工况组合表

P2=24 mN时，在各种荷载组合下，下机架基础处沿力作用 方向的最大位移及刚度见表4。

表4 下机架基础在各荷载组合下沿力的作用方向的最大位移和刚度

从计算结果中可以看出:

（1）当给下机架基础作用水平力时，其截面位移分布随荷载变化而变化，与上机架基础相同；

（2）沿力的作用方向，工况V的最大位移相对最大，工况Ⅲ的最大位移相对最小；

（3）下机架基础各工况下径向刚度均大于厂家提供的下机架径向刚度标准值9 mN/mm，可知下机架基础部位径向刚度满足复核要求。

4 机组振动荷载作用下厂房动力反应分析

4.1 机组振动荷载及计算工况

计算结构动力响应需考虑正常运行工况和飞逸工况。水轮发电机组运行时所产生的振动荷载主要有垂直动荷载、水平动荷载和切向动荷载。根据机组制造厂家提供的资料可知，机组在各种工况运行下的荷载分别作用于定子基础、下机架基础和上机架基础。故各工况下，上述部位的荷载标准值见表5。

在动力计算中，不考虑自重、水压力等静力荷载的作用，将上述机组动荷载施加在机墩结构的对应位置上，按谐响应法计算结构的动力反应。计算动位移时，幅值为提供的动荷载标准值，正常运行工况应乘以可变作用长期组合系数，但由于国内相应的水电规范没有规定如何取值，因此在计算中不考虑该系数的作用，按1.0计算；计算动应力时，幅值为提供的动荷载标准值乘以荷载分项系数1.2。

表5 各基础板荷载标准值 单位:kN

4.2 动力位移计算结果与分析

本文仅关注厂房结构重点部位的动位移和动应力，因为这些部位振动反应相对较大，为结构刚强度设计控制的关键部位。厂房结构各典型部位各方向的最大动位移见表 6。

表6 各工况下各典型部位各方向最大动位移 单位:mm

由表6可知:①由于定子基础及下机架基础处竖向荷载不变，所以机墩各部位的竖向动位移相对变化不大；各层楼板动位移均小于0.2 mm，正常运行工况下发电机层楼板水平向振幅较大，主要是这此工况上机架基础存在较大的水平向动荷载；②机墩各部位各方向的动位移值均较小，均满足规范《水电站厂房设计规范NB/T 35011-2013》第6.3.7条规定。

4.3 动应力计算结果与分析

各工况下，厂房结构各典型部位各方向的最大动拉应力值见表7。

表7 各工况下各典型部位各方向最大动拉应力 单位:MPa

从计算结果中可以看出:

（1）在机组正常运行工况下，由于下机架基础处的竖向动荷载较大，故竖向动拉应力也较大，最大值为1.590 MPa，定子基础竖向动拉应力为1.309 MPa。

（2）在飞逸工况时，荷载作用频率为飞逸频率，故下机架基础处产生相对较大的动拉应力，最大值分别为竖向1.841 MPa、环向1.058 MPa、径向1.170 MPa，定子基础竖向为1.309 MPa，其它部位的动拉应力均非常小。

5 结语

本文对黑龙江荒沟抽水蓄能电站地下厂房3#机组段利用通用有限元软件进行计算，结果表明:当前的设计满足机墩结构的刚度要求，且厂房结构关键部位在机组动荷载作用下的动位移和动应力也均满足规范要求，厂房结构设计合理。