陕西镇安抽水蓄能电站地下厂房动力响应分析

摘要：

抽水蓄能电站水头高，地下厂房结构振动问题突出，启停频繁，地下厂房动力响应分析作为厂房设计研究中的重点问题受到更多关注。以陕西镇安抽水蓄能电站为例，利用ANSYS有限元软件建立地下厂房实体模型，通过进行厂房自振特性及共振分析和对机组荷载及压力脉动作用下地下厂房动力响应进行研究，分析了不同工况下厂房整体、局部结构自振特性和动力响应。结果表明：镇安抽水蓄能电站厂房抗振设计基本合理，楼梯和立柱作为厂房薄弱环节需重点关注；电站在低水头运行时，厂房结构动力响应明显增大，在实际运行中应合理调度，尽量减少低水头运行时长。研究结果可为类似工程设计提供参考。

关键词：

厂房振动； 动力响应； 自振特性； 压力脉动； 镇安抽水蓄能电站

中图法分类号：TV743；TV731.6

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.016

文章编号：1006-0081（2025）01-0092-04

0 引 言

自“双碳”目标设立以来，中国大力发展新能源，全面推进风电、太阳能大规模开发和高质量发展。由于新能源发电出力具有随机性、间歇性和波动性，需要具有储能调节能力的电源与之配合运行。抽水蓄能电站作为技术成熟、经济性优的大容量储能技术，成为了新型电力系统配套储能的首选技术。

抽水蓄能电站水头高、转速快，可逆式机组双向运行，荷载工况转换频繁，厂房结构振动问题比常规水电站更加突出，在设计过程中应予以更多关注［1-4］。目前已有多个抽水蓄能电站项目针对地下厂房结构振动问题进行研究。张捷等［5］根据西龙池抽水蓄能电站实际情况，通过正分析计算与实测响应分析，对厂房抗振设计进行评价；陈婧等［6］针对宜兴电站水力激励振动反应进行分析，对厂房振动位移、速度、加速度等进行复核评价；刘建峰等［7］以仙居抽水蓄能电站进行结构动力特性分析和振动分析，提出抗振优化设计；童恩飞等［8］结合琼中抽水蓄能电站厂房有限元分析结果，提出了适用该电站地下厂房振动的控制标准。

镇安抽水蓄能电站安装4台可逆式机组，两台为定速机组，两台为变速机组，机组间设置2 cm宽结构缝。鉴于部分已建电站在运行过程中存在较强的振动和噪音情况，为研究镇安电站振动情况，降低电站运行期可能存在的振动机噪音影响，本文以ANSYS有限元软件为基础，建立了镇安地下厂房三维有限元模型，分析厂房自振特性并进行共振复核，同时分析各种动力荷载作用下厂房振动响应情况并予以评价，为工程设计提供理论依据。

1 工程概况

镇安抽水蓄能电站位于陕西省镇安县月河镇，电站承担陕西省电力系统调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等任务。电站装机容量1 400 MW，安装4台单机容量为350 MW可逆式水泵水轮机组。机组额定水头440 m，额定转速375 r/min，飞逸转速544 r/min，转轮叶片数9个，固定导叶22个。机组钢蜗壳采用保压蜗壳型式，蜗壳保压值3.8 MPa，金属蜗壳与外围混凝土共同承担内水压力。主机间蜗壳层高程以下为大体积混凝土，以上为蜗壳外包混凝土、机墩、风罩等机组支承结构与周边墙为主的结构形成，各层楼板采用厚板+柱结构型式。各机组间设2 cm宽结构缝，用聚乙烯闭孔泡沫板进行充填。

2 计算模型与荷载施加

本文以2号机组段为研究对象，计算模型沿厂房上下游方向总长共25.50 m，沿厂房纵轴线方向为一个机组段宽度26.50 m，高度从高程817.5 m到851.0 m，共33.5 m。

计算模型采用笛卡尔直角坐标系，其X轴为上下游方向，指向上游为正；Y轴为水平方向，沿厂房纵轴线指向右端为正（面向下游）；Z轴为铅直方向，以向上为正；坐标系原点取在水轮机安装高程（835.0 m）与机组轴线相交处。对厂房混凝土结构、钢蜗壳、座环、吊物孔、机坑进人门、风罩进人门、主出线孔洞等按照实际尺寸模拟。钢蜗壳、尾水管等钢结构采用四节点壳单元模拟，混凝土采用八节点六面体单元模拟。整个计算模型共88 592个结点，144 859个单元，其中钢蜗壳1 025个单元，尾水管1 224个单元，混凝土130 746个单元，基岩10 786个单元。厂房三维有限元模型及网格划分见图1～2。

3 自振特性及共振分析

3.1 研究方案

围岩约束条件将直接影响地下厂房结构的整体振动特性。考虑地下厂房上下游墙柱与围岩之间接触的不确定性，本文采用弹簧单元对上下游墙与围岩接触节点进行约束，同时采用不同的单位弹性抗力系数模拟围岩约束强度。考虑机组轴系及支承体系对厂房自振特性影响较小，机组荷载直接在上机架基础、定子基础及下机架基础对应部位，机组荷载采用附加质量单元进行模拟［9］，共设置5种方案进行对比分析，见表1。鉴于厂房下部结构及立柱刚度较大，一般在低阶阵型中不会表现，因此采用“无质量地基”法［10］对厂房楼板和立柱进行局部结构自振特性分析，其他结构仅提供边界约束。

3.2 自振特性分析

5种方案地下厂房整体振动前20阶自振频率如图3所示。结合各方案前20阶振型图分析，可以得出以下结果。

围岩对结构的约束条件是厂房自振特性的重要影响因素，随着上下游约束的不断加强，厂房结构起振频率不断提高，振型也不断变化。对比3种方案，随着法向约束不断加强，各阶自振频率不断提高，且由于无顺水流方向约束，方案1的厂房第一阶振型为顺水流方向振动，方案2，3的厂房第一阶振型则表现为沿纵轴线方向振动。方案2，3中，围岩单位弹性抗力系数由60 MPa/cm提升至120 MPa/cm，约束增强后，第一阶自振频率由10.935 Hz提高到11.929 Hz，增幅为9.1%，其他各阶自振频率升高值也基本维持在10%以内，说明厂房自振特性对围岩弹性模量不敏感。方案4，5较方案3增加了切向弹性约束，厂房整体振动消失，厂房第一阶振动频率提升较高。由于方案5上下游采用三向固定约束，第一阶振动频率较方案4提高了4.181 Hz，增幅为18.0%，切向约束对厂房整体振动影响明显。考虑到上下游墙柱等结构与围岩间存在喷混凝土，连接面可承受压力并且在振动过程中存在一定的摩擦力，不能承受拉力，方案4可以较好地模拟厂房约束情况，因此厂房共振复核采用方案4进行对比。

3.3 共振分析

抽水蓄能电站水泵水轮机组振源分为机械振源、电磁振源、水力振源3种。镇安抽水蓄能电站机组额定转速n=375 r/min，飞逸转速np=544 r/min，转轮叶片数9个，固定导叶22个，由此得出主要振源频率特性见表2。

根据NB 35011-2016《水电站厂房设计规范》，水电站厂房是否发生共振的校核标准如下：结构自振频率（f自）与强迫振动频率（f激）之差的绝对值与自振频率之比应大于20%，即|（f自-f激）/f自|≥20%时，便认为不会产生共振。经对比：① 机组额定转频、2倍额定转频、飞逸转频、尾水管内低频、中频涡带与厂房自振频率具有足够的错开度，引起厂房强烈振动的可能性较小；② 对局部结构自振进行分析可知，发电机层楼板、母线层楼板、机墩和楼梯等结构高阶局部自振频率转轮叶片数频率56.25 Hz及其2倍频率112.5 Hz流道脉动压力错开度不够，但结构1～3阶自振频率均有较大错开度，局部结构高阶自振频率与振源频率大都无法完全错开，为确定厂房结构是否会共振，将进一步开展脉动压力作用下的动力响应分析，具体对位移、加速度、动力加速度进行计算和评价，以论证厂房结构抗振设计合理性。

4 厂房动力分析

4.1 厂房振动控制标准

现行规范中对厂房振动控制标准尚无明确规定，结合现有关于抽水蓄能电站厂房振动的研究［11］，从建筑结构、人体卫生保健等方面提出镇安主厂房振动建议控制标准值，见表3。

4.2 机组动荷载作用下厂房动力响应分析

水轮发电机组运行时产生的振动荷载主要分为垂直荷载、水平荷载和径向荷载。根据上、下机架基础和定子基础受力分析，上机架基础主要受力为水轮发电机组水平动荷载和径向荷载，定子基础和下机架基础主要受力为水轮发电机组水平荷载、垂直荷载以及径向荷载，机组重量作为静荷载，以质量单元形式平均分配至支承部位。根据机组运行的不同工况，分别计算正常运行工况（C1）、飞逸工况（C2）、两相短路工况（C3）、半数磁极短路工况（C4）等4种工况。考虑到机组动荷载在机组转动过程中呈周期性重复，故机组动荷载以两个相位差为90°的简谐荷载进行模拟，其中C1、C3、C4工况下机组动荷载频率为机组转频，C2工况下机组动荷载转频为机组飞逸频率。

根据计算结果，不同工况下厂房结构振动反应最大值见表4。

机组动荷载作用下厂房各部位振幅均满足小于0.2 mm的要求，最大振幅发生在半数磁极短路工况时下机架基础板内侧，为0.145 mm，对应拉应力2.580 MPa。机组飞逸工况下下机架基础板处最大振动速度4.558 mm/s，加速度0.260 m/s2，均满足表3中控制标准要求。

5 流道脉动压力作用下厂房动力响应

水轮机流道脉动压力经蜗壳和尾水管，通过外包混凝土、机墩等支承结构传递至厂房楼板、楼梯等构件。根据水轮机厂家压力脉动试验成果，从资料中选取4种工况进行分析，分别计算了机组最大运行水头和最小运行水头下，机组不同出力时，厂房结构动力响应情况，见表5。

动力响应计算将流道分为5个区域加载，加载数据根据水轮机厂家提供相应部位压力脉动试验结果进行。1区为蜗壳内表面，激振频率主要包括1倍转频6.25 Hz；2区为固定导叶、活动导叶及无叶区范围，激振频率包括9倍和18倍转频；3区为顶盖范围，激振频率包括9倍和18倍转频；4区为尾水管直锥段，激振频率包括1倍和2倍转频；5区为尾水管肘管段和扩散段，激振频率包括1倍和2倍转频。脉动压力作用下厂房各部位结构振动值见表6。

根据计算结果可知，厂房结构的振动响应主要由转轮叶片数频率及倍频引起，水平向振动主要表现为蜗壳层立柱的响应较大，竖向则主要表现为母线层楼板上游侧以及楼梯踏步的响应较大，主要原因为结构局部自振频率与56 Hz比较接近。厂房结构最大竖向振幅为工况1母线层竖向振幅，为0.005 7 mm，对应均方根速度为1.531 7 mm/s，最大水平振幅为工况2蜗壳层立柱水平振幅，为0.042 6 mm，对应均方根速度为2.656 5 mm/s，均满足表3所列控制标准，说明压力脉动作用下厂房振动不会影响结构安全。

6 结 论

通过对镇安抽水蓄能电站2号机组段进行三维有限元分析，经过共振复核、厂房动力分析、脉动压力作用下厂房动力响应分析，得到以下结论。

（1） 随着约束增强，厂房自振频率整体呈提高趋势，但对于厂房局部结构自振频率影响不大，厂房结构局部自振频率主要取决于结构自身尺寸，在机组共振复核过程中，采用合理的方式模拟厂房结构与围岩的联系，可以更好地反映厂房动力特性。

（2） 机组动荷载作用下，厂房发电机层楼板和母线层楼板振幅均可以满足要求，同时各工况下典型部位振幅、均方根速度、加速度满足厂房控制标准。

（3） 流道压力脉动作用时，厂房结构的振动响应主要由转轮叶片数频率及倍频引起，主要原因为结构局部自振频率与56 Hz比较接近。蜗壳层立柱水平振动，母线层楼板近吊物孔位置处竖向振动较大，最小水头发电时厂房结构的振动响应明显增大，应根据运行条件情况，尽量减少低水头时电站运行时长。

参考文献：

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［6］ 陈婧，马震岳，戚海峰，等.宜兴抽水蓄能电站厂房结构水力振动反应分析［J］.水力发电学报，2009，28（5）：195-199，91.

［7］ 刘建峰，郑齐峰，杨经卿.仙居抽水蓄能电站厂房动力特性分析［C］∥抽水蓄能电站工程建设文集.北京：中国电力出版社，2016：5.

［8］ 童恩飞，张智敏，伍鹤皋，等.琼中抽水蓄能电站地下厂房结构振动特性分析［J］.水利水电技术，2016，47（11）：29-35.

［9］ 屈海涛，马震岳.水电站机组支承体系与厂房耦合振动分析［J］.水利水电技术，2018，49（9）：127-132.

［10］ 李静，陈建云.动力相互作用分析中无质量地基的应用研究［J］.世界地震工程，2007（2）：58-62.

［11］ 张雷克，张金剑，王雪妮，等.水电机组转子-转轮弯扭耦合振动特性分析［J］.水力发电学报，2021，40（9）：102-112.

（编辑：高小雲）

Dynamic response analysis on powerhouse structure of Shaanxi Zhen′an Pumped Storage Power Station

QU Haitao1，WANG Yajun2，YANG Dongsheng1

（1.POWERCHINA Northwest Engineering Corporation limited，Xi′an 710065，China； 2.Shaanxi Zhen′an Pumped Storage Co.，Ltd.，Xi′an 710061，China）

Abstract：

Due to the high water head，prominent problems of structural vibration in underground powerhouses and frequent start-stop of pumped storage power stations，the dynamic response analysis of underground powerhouses had received more attention as a key issue in the design and research of powerhouses.Taking Shaanxi Zhen′an Pumped Storage Power Station as an example，a solid model of the underground powerhouse was established using ANSYS finite element software.The natural vibration characteristics and resonance analysis of the powerhouse，as well as the dynamic response of the underground powerhouse under the action of unit load and pressure pulsation were studied.The overall and local structural natural vibration characteristics and dynamic response of the powerhouse under different working conditions were analyzed.The results indicated that the anti-vibration design of the Zhen′an Pumped Storage Power Station building was basically reasonable，and the stairs and columns，as weak links in the building，need to be given special attention.When the power station operates at a low head，the dynamic response of the plant structure increases significantly.In actual operation，reasonable scheduling should be carried out to minimize the duration of low head operation.The research results can provide a reference for the design of similar engineering projects.

Key words：

vibration of powerhouse； dynamic response； self-vibration characteristics； pressure fluctuation； Zhen′an Pumped Storage Power Station