中低水头水电站厂房结构振动响应分析研究

郭德昌，刘加进

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122）

1 概述

随着水电站机组单机容量增大，水轮机和发电机的尺寸亦显著增加。相比而言，机组本体和支承结构刚度、强度相对降低，作用在机组上的各种激振力将急剧增加，因此，对振动的预测和控制就变得十分困难[1-3]。即便机组设备制造厂家在设计制造时会结合理论和模型研究，对振动加以预测和预防，但实际运行中的振动仍然难于完全避免。电站运行过程中，各种因素诱发的振动能量巨大，在多源振动作用下，重要结构（尤其是机墩风罩结构）振动情况十分复杂，强烈的振动或噪声将对机组稳定运行和操作环境的职业健康带来极大的不利影响[4-11]。

目前水电站厂房结构振动性能相关研究多集中于高转速、高水头的抽水蓄能电站，对常规中低水头大型机组电站厂房结构的抗振性能研究较少，本文就依托龙开口水电站厂房结构振动响应分析对中低水头大型机组电站厂房结构抗振性能进行研究。

龙开口水电站枢纽位于云南省大理州鹤庆县朵美乡境内，是金沙江中游河段规划8 个梯级电站的第六级电站。上接金安桥水电站，下邻鲁地拉水电站。龙开口水电站共安装5 台360 MW 的混流式水轮机组，总装机容量1 800 MW，设计水头85 m，属于中低水头大型机组电站，电站机组额定转速83.3 r/min，最大飞逸转速170 r/min。下面采用三维有限元动力计算方法，分析厂房结构在不同运行工况及事故工况下，结构相应的振动动力响应特性。从结构振动安全和人体保健两方面进行研究，建立针对工程的振动控制标准，校核并判别厂房结构的抗振安全性及电站振动环境健康性，最终提出行之有效的结构优化措施。

2 厂房振动特性及共振复核

2.1 分析模型

该电站采用一机一缝布置，即选取单个机组段为目标分析对象，利用大型通用有限元软件ANSYS 进行数值模拟。其中上下游墙体、机墩、楼板、层间柱及下部大体积混凝土结构采用六面体单元（Solid45）模拟；发电机层和中间层的梁结构采用空间梁单元（Beam188）模拟；蜗壳和座环采用壳单元模拟；网架结构采用杆单元（Link8）模拟。

2.2 自振特性与共振复核

厂房结构前10 阶自振频率计算结果见表1。低阶振型以厂房上下游墙及厂顶网架的振动为主，发电机层楼板结构的自振均为较高频率振动，振动频率在20 Hz 以上。主要是由于厂房上下游墙及厂顶网架结构平面外刚度比发电机层楼板平面外刚度小的缘故。

表1 厂房结构固有频率及振型说明

水轮发电机组振源较多，研究成果[1]表明主要分为机械、电磁和水力三类。龙开口电站机组的主要振源频率特性见表2。厂房结构第一、二阶自振频率与飞逸转速频率分别具有21.7%和19.1%的错开度，自振频率与其他振源频率均具有30%以上的错开度。因此需重点关注飞逸工况下厂房结构与飞逸转动发生共振的可能性。

表2 龙开口电站机组振源频率Hz

3 结构振动控制分析

3.1 计算分析说明

采用动力法进行龙开口电站厂房结构的结构振幅与动力强度复核。根据机组振动荷载同频率、同相位、周期性的特点，采用谐响应分析法进行计算。结构振幅与动力强度复核考虑5 种工况：额定运行工况、两相短路工况、半数磁极短路工况、三相短路工况及飞逸工况，额定运行工况荷载作用频率为转频1.39 Hz，短路工况为电磁频率50 Hz，飞逸工况为飞逸转频2.83 Hz。根据厂房结构自振特性和共振复核分析成果，本文仅对额定运行工况和飞逸工程结果进行分析研究。

3.2 结构振动控制

目前水电站厂房结构振动控制标准还比较少，仅规范[12]对机墩振幅给出了控制标准，文献［13］对厂房抗振减振成果进行了梳理。常规中低水头大型水电站厂房振动控制标准也可参考以上规范及研究成果。本文参考国内外对建筑结构、动力机械基础，以及人体健康等的振动控制标准，结合大型水电站厂房的结构特点、运行环境和设计要求，提出对龙开口水电站厂房振动控制标准的建议，见表3。

表3 龙开口水电站主厂房振动控制标准建议值

龙开口水电站厂房额定运行与飞逸工况的振动响应结果见表4。

表4 典型部位振动幅值

从表4 结果可以看：

1）两种工况的竖向振幅多处超出振动控制标准建议值，水平振幅、均方根速度及均方根加速度均小于振动控制标准建议值。

2）竖向振幅多处超标的原因主要是由于常规大型发电机组自重较大，各荷载作用基础处的垂直动荷载相应较大，有限元计算存在明显的应力与应变集中现象，这在其它工程分析结论中也普遍存在[9-11，14]；由于下机架基础处的竖向动位移较大，引起机墩底部截面的最大竖向动位移也超出了规范规定的允许值。规范[12]给出的机墩的限值，是针对机墩结构的结构力学法结果给出的，龙开口厂房机墩结构振幅按照结构力学法计算的结果分别为垂直向0.013 mm 和水平向0.064 mm，可以看出两种计算方法的位移结果存在较大差异。当按照规范进行机墩结构的振幅控制时，建议采用结构力学法计算，动力法计算结果作为参考并可用于振动位移响应分布规律的了解。

4 发电机层楼板联接方式对抗振性能影响分析

发电机层是电站运行人员较为集中的场所，福建水口电站厂房近年来出现明显的振动现象，经过研究为水力激振引起的发电机层板梁振动，主梁与上下游墙体简支牛腿也出现劈裂现象[15]。鉴于水口水电站也为常规中低水头大型发电站，为尽量避免不可预测的水力振动引起的结构振动破坏，龙开口水电站进行发电机层和中间层板梁与上下游墙体间支撑方式的比较研究，联接方式分别为简支与整浇，计算工况取额定运行工况。联接方式对结构自振特性的影响见表5。

表5 联接方式对结构自振特性影响对比

由上述对比成果可见，整浇联接的结构自振频率均高于简支边界的结果，这说明发电机层及中间层板梁结构支撑边界条件由简支改为整浇之后，板梁结构对上、下游墙结构的支撑刚度有所提高，提高了结构的整体刚度，从而引起结构自振频率有所增加。

依据动力响应分析结果，整浇联接方式下结构典型部位的位移响应结果普遍较简支支撑方式有所减小，说明了发电机层等板梁结构与上下游墙体结构整浇连接时会具有比简支连接形式更优的减振效果。水平位移最大减小幅度为46.31%，位于发电机层楼板部位；竖向位移最大减小幅度为7.29%，也位于发电机层楼板部位；水平位移响应值减小的幅度较竖向位移响应值明显，反映出整浇支撑形式对发电机层等板梁结构的水平刚度增强效果较明显。

基于以上分析，建议龙开口水电站厂房发电机层及中间层板梁结构与上下游墙结构尽量整浇施工，若考虑一二期混凝土浇筑进度错位的问题，可在梁与牛腿接触部位增设一定的插筋，保证结构连接的整体性，以提高水电站厂房结构的抗振安全性，改善运行人员的工作环境。

2013 年11 月底电站5 台机组全部投产，经实地调研，发电机层、中间层楼板结构无明显振感，运行环境良好，厂房结构未出现振动破坏，整体安全稳定。

5 结论

1）必须重视中低水头大型水电站厂房结构的振动预测与控制，对机组振源特性及振动响应规律进行研究，实现厂房结构抗振优化设计。

2）常规中低水头水电站厂房振动控制标准及减振措施可参考抽水蓄能电站厂房抗振减振成果，并根据常规水电站主厂房的结构特点、运行环境和设计要求，提出厂房振动控制标准建议值，作为厂房结构振动预测和控制的依据。对重要结构（机墩风罩）振动控制还需采用结构力学法计算进行复核评价。

3）通过对龙开口水电站主厂房整体结构振动响应分析，基本验证了厂房结构设计的合理性，若无其他不可遇见的振源（水力激振）将不会发生共振，厂房机墩风罩结构结构力学法计算振幅结果满足规范要求，振动响应速度与加速度响应均满足建筑结构抗振和人体卫生保健标准。

4）为提高厂房结构抗振安全性，建议蜗壳层以上一、二期结构采用“整体浇筑”联接。