大型灯泡贯流式水电站厂房振动安全分析

王 婧， 田 建 海， 张 奕 泽， 王 刚， 马 震 岳

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.大连理工大学，辽宁 大连 116024)

0 引 言

灯泡贯流式水电站因其节省投资、水头损失小、水力资源利用充分等优点，已成为低水头水力资源开发的优选形式。从灯泡贯流式电站厂房的结构特性而言，其空腔比大、自重较轻、管型座支承受力大且受力分布复杂，厂房振动方面的问题需引起重视[1-2]。

结合某大型灯泡贯流式水电站厂房，进行振动安全研究。该电站机组单机容量为60 MW，是目前国内单机容量最大的灯泡贯流式机组。同时，该电站受场地因素限制，GIS开关站布置在厂房的尾水平台上方，GIS设备受电站运行时机组的振动、流道水流脉动压力[3]等的影响可能较为显著。通过数值仿真分析厂房发生共振危险的可能性，计算厂房结构在受迫振动下的振动响应，并以此对厂房振动控制做出评价，讨论GIS开关站布置在尾水平台上方的可行性。

1 灯泡贯流式机组厂房振动控制标准

目前，在厂房动力设计中，需对结构共振问题进行判断以便在设计过程中通过结构调整对其加以避免。关于共振复核，现行《水电站厂房设计规范》(NB35011-2016)只是要求机墩结构自振频率和干扰振源频率的错开度大于20%。由于没有关于厂房上部框架结构共振复核等方面内容的明确规定，仅凭自振频率不能得出明确的厂房共振结论，需要进一步结合厂房的动力反应幅值做出评价。

参考国内外对建筑结构以及动力机械基础的振动控制标准，结合厂房结构特点、运行环境和设计要求，提出了水电站厂房振动控制标准建议值[4]，见表1。由于具体工程的振动状态、结构设计、运行环境条件的不同，控制标准可能不同，必须结合实际加以分析，制定出既考虑技术指标和安全性又兼顾经济性的标准。对于GIS等电气设备，若按照仪器设备的控制标准，振动速度不应超过1.5 mm/s，这对于水电站电气设备过于严格。

表1 水电站厂房振动控制标准建议值

2 厂房自振特性与共振复核

某大型灯泡贯流式水电站厂房共有三个机组段，每个机组段装有两台灯泡贯流式机组。在数值计算中，选取中间机组段建立有限元模型，机组段整体三维有限元网格见图1。厂房基岩及大体积混凝土结构采用实体单元进行模拟，厂房楼板采用壳单元进行模拟，厂房各层梁及柱采用梁单元进行模拟，网架采用二力杆单元(LINK8)进行模拟，网架球节点及屋面板重量折算后用质量单元(MASS21)进行模拟。模型共划分单元79 538个，节点91 440个。

图1 机组段整体三维有限元网格

根据机组可能的振源频率特性进行共振复核[5]，依据20%的错开度评价，分析厂房结构固有振动频率与振源频率汇总及频率错开度表(表2)得出以下结论：机组额定转频、尾水管低频涡带及电气高频共振的危险性基本不存在，频率保持有足够的错开度。频率错开度低于20%的区段有：第1～2阶自振频率与甩负荷转频、第1～3阶与2倍额定转频、第4～5阶与飞逸转速频率和第7～14阶与水轮机转轮叶片数频率的耦合。

表2 厂房结构固有振动频率与振源频率汇总及频率错开度表

鉴于机组运行中的振源特性十分复杂，可能出现的振源很多，频率从低频(0.36 Hz)到高频(100 Hz)的分布极广，通常难以完全错开所有的共振区间。只能从可能出现的振源频率和结构基本频率的共振复核着眼，结合水轮机模型试验成果和机组设计及运行特性加以研究，解决主要矛盾。

虽然机组额定转频与厂房自振频率具有较大的错开度，但考虑到机组动荷载较大，仍需要以电站正常运行工况为主进行厂房振动计算与复核。甩负荷工况虽属偶然工况，设计上考虑将其作为负荷变化过程设备基础受力的上限值，故对此工况也进行振动计算。

3 厂房机组动荷载振动响应研究

动力响应计算中，假定振动荷载(机组动荷载)为单一频率的周期性激励荷载，利用谐响应方法计算出振动位移幅值，然后乘以圆频率及其平方，即可得到振动速度和加速度的幅值[6]。若考虑同时作用不同频率振动荷载，可以分别计算不同荷载的反应，再进行线性叠加。

根据机组运行状态的不同，有限元计算分两种工况：(1)正常运行工况，两台机组均正常运行，假设所有振动荷载为简谐力，频率等于额定转速频率。(2)甩负荷工况，其中一台机组甩负荷，振动荷载频率为机组甩负荷转速频率，另一台机组正常运行。

机组正常运行时，各关键部位的振动位移、速度和加速度均小于厂房振动控制标准建议值。厂房整体结构的最大动位移发生在主厂房上游排架柱柱顶的顺河向，为0.176 mm。GIS层楼板在三个方向上的最大动位移不突出，其中顺河向和竖向振幅较大。厂房下部的管型座基础在顺河向的动位移最大，为0.172 mm，远小于控制标准建议值，故机组基础满足振动安全要求。

机组甩负荷运行时，厂房整体结构顺河向的位移和速度最大，最大动位移为0.647 mm，最大速度达到9.245 mm/s，发生在副厂房屋顶，超过了相应部位振动控制标准建议值。GIS层楼板在横河向方向上的位移较大，为0.237 mm，作为建筑结构考虑，其振动位移允许值为0.2 mm，结构顺河向振幅不满足位移控制标准要求。横河向的振动速度也较大，达到3.110 mm/s。若按照仪器设备基础考虑，振动允许值为1.5 mm/s，不满足速度控制标准要求。厂房下部的机组基础在顺河向方向上动位移最大，为0.300 mm，该方向上的速度也较大，达到4.222 mm/s，发生在管型座基础附近，接近5 mm/s的振速控制要求。机组动荷载作用下厂房振动响应幅值见表3。

表3 机组动荷载作用下厂房振动响应幅值

通过共振复核分析可知，机组甩负荷运行时，由于副厂房上部框架的第1阶自振频率与机组甩负荷时的转速频率接近，且机组甩负荷时产生的瞬时动荷载较大，在副厂房GIS层楼板与顶板、管型座部位能够引起较大的振动位移和速度。对于管型座基础而言，经计算其振动位移值小于静力作用下的结构变形，设计上主要以满足结构受力要求为主。副厂房上部主要布置GIS室和出线场，即使发生瞬时强烈振动也不至于引起结构破坏和电气设备的运行故障，且因机组甩负荷运行在工程实际中属短暂状况，发生几率较小且甩负荷后的运行时间很短，不宜按照水电站厂房设计规范和相关规范的一般性振动控制标准进行复核。

针对上述不利情况，在运行中可通过实时监测，掌握和控制振动状态，从而合理地加以避免。同时，也可以考虑增加工程抗振、隔振(减振)措施，以进一步减小厂房振动对GIS等设备运行的影响。当前的工程应用中，可采用将GIS等设备与基础进行振动隔离的被动控制(消极隔振)技术。一种方法是用隔振(减振)器，另一种是安装阻尼橡胶板。该隔振装置需进行专门的隔振设计，并根据厂房结构的实际振动状态、装置施工安装难易程度及施工、维护成本进行合理选择。

4 结 语

研究了大型灯泡贯流式机组厂房的振动安全评价方法，提出适合于某灯泡贯流式水电站厂房的振动安全控制标准，研究结果可作为贯流式水电站厂房振动预测与控制的定性或定量依据。

通过厂房结构自振频率计算及共振复核，工程实例电站主、副厂房布置紧凑，整体结构刚度较大，自振频率比较密集。虽然该工程机组额定转频与厂房结构自振频率具有较大的错开度，但考虑到机组动荷载较大，仍需要以电站正常运行工况为主进行厂房振动计算与复核。

动力安全分析表明：机组正常运行时，在机组动荷载作用下，对于厂房结构的不同构件和不同高程，厂房振动反应基本在允许范围内。设计满足电站安全运行要求，GIS开关站布置在尾水平台上是可行的。机组甩负荷运行时，GIS设备层和屋面出线场楼板响应较大，需加强机组运行监测或采取合理的减振、消振措施。可考虑在GIS等重要机电设备与其基础间增加隔振(减振)装置进一步减小厂房振动的不利影响，从而提升电站的安全平稳运行性能。