烟岗电站厂房结构振动研究

2012-09-05赵玮

水利规划与设计 2012年6期

赵玮

（陕西省水利电力勘测设计研究院西安 710001）

1 工程概况

烟岗电站位于四川省凉山州木里县境内，是雅砻江中游右岸一级支流鸭嘴河干流规划的第二级水电站。电站为引水式开发，引水流量23.6 m3/s，额定水头 600m，装机容量 120MW，安装 2台冲击式水轮机。该电站厂房为3级建筑物，设防地震烈度为Ⅶ度，基岩地震动加峰值速度为0.148g，地震反应谱特征周期为0.45s。

烟岗电站厂房为地面式，主要由主厂房、副厂房和尾水池等组成。主厂房内安装2台水轮发电机组，由主机间和安装间组成，总长为54.76m，宽21m。安装间位于主机间右端，分两层布置。主机间共分四层布置，由下至上依次为球阀层、水轮机层、母线层以及发电机层。副厂房布置于主厂房上游侧，与主厂房同长，宽10m，分四层布置。主变GIS楼布置于主厂房右侧，距安装间外墙7.5m，长36m，宽16m，分三层布置。主厂房下游为尾水室，分两层布置。下层为尾水池，上层为水泵房。

2 研究目的

电站的运行实践表明，厂房振动问题是影响水电站正常运行的主要因素之一，它不仅直接影响到机组的安全稳定运行，缩短检修周期和使用寿命，严重时还会引起整个厂房的振动，以至被迫停机。因此，需要在设计和建设过程中进行研究，采取有效措施，尽量防止厂房振动的发生，将损失减小到最小。

烟岗电站厂房下部结构是承受机组动荷载的主体结构，结构体系复杂，设备开孔众多，要求结构体系具有足够的整体刚度来承受机组振动荷载。因此，有必要对厂房结构进行自振特性研究分析，计算结构的各阶自振频率和振型，为厂房结构设计提供依据。为了避免共振的发生，需对引起结构振动的振源及其频率进行分析，与厂房结构的自振频率进行共振校核，为减小和避免共振的发生提供理论依据。

3 厂房结构自振和共振研究

3.1 自振特性

在烟岗厂房模态计算中，机电设备的质量是不能忽略的。因此，在有限元计算模型中相应的位置（定子基础板）用 6自由度质量单元（MASS21）模拟其影响。由于模型中未包括发电机层楼板以上结构，其质量同样采用质量单元模拟，加在发电机层楼板上、下游侧柱子处。配水环管内水的质量通过改变管壳密度在计算中加以考虑。计算采用子空间迭代法提取20阶模态，其内部使用广义 Jacobi迭代算法，采用完整的[K]和[M]矩阵，有较高的计算精度。厂房计算整体模型网格图见图1。

图1 厂房整体模型网格图

为分析上游约束条件对厂房结构自振特性的影响，计算采用2种方案。方案1，上游母线层以下混凝土结构法向约束，方案2，上游母线层以下混凝土结构自由。

根据计算结果，将厂房结构前20阶自振频率和相应模态列于表1。

表1 厂房结构自振频率与模态

从表1可以看出：

（1）两方案厂房结构各阶自振频率很接近（3%以内），相应模态基本一样，结构前20阶模态都是母线层以上结构振动，发电机层楼板，立柱和风罩应该成为抗振重点关注部位。由此也可见，厂房上游侧母线层以下与回填混凝土和岩石连接与否对母线层以上结构自振特性影响很小。

（2）发电机层楼板上游侧跨度较大，开孔较多，且仅由立柱支撑，刚度较小，可能是振动比较敏感的区域。第 10阶以后模态为发电机层楼板上游侧竖直向振动，此部位的振动对电站工作人员的健康和设备的正常运行是很不利的，可考虑将母线层和发电机层之间上游侧的砖墙变为混凝土实体墙，与楼板整浇，增强发电机层楼板的抗振能力。

（3）风罩与发电机层楼板直接相连，其结构单薄，刚度较小，发电机层楼板的振动会引起风罩一起振动。千斤顶基础板就位于风罩靠近发电机层高程处，此处的振动对机组的稳定运行是不利的。风罩离机组较近，其抗振问题应该引起足够重视，增强发电机层楼板的抗振能力，对风罩的抗振是很有利的。

3.2 强迫振动振源与激振频率分析

电站厂房机组转速较大，体型复杂。为了避免共振的发生，保证机组的安全稳定运行，需要对可能引起厂房结构振动的振源及其频率进行分析，与厂房结构的自振频率进行共振校核，提出相应的工程处理措施。机组振动的原因复杂，影响因素很多，其机理至今尚不完全清楚。下面对各种振源进行定性和某些定量分析，给出了一些主要激振频率，并以此作为结构共振校核的依据。

由于机组激振频率伴随机组运行产生，因此主要分析运行期的情况。由机械力和电磁力形成的强迫振动振源和频率数值见表2。

3.3 厂房结构激振分析和共振校核

根据引起机组和厂房结构振动的各种干扰力激振频率，以及厂房结构的自振频率，按照厂房结构共振校核的规定，对厂房结构是否发生共振进行校核。校核标准为：结构自振频率与强迫振动频率之差与自振频率之比值应大于20%～30%。为安全起见分析取 30%，即|(f自-f激)/f自|≤30%时，便认为可能产生共振。由于两方案厂房结构各阶自振频率很接近，共振校核采用方案2的自振频率。共振校核结果见表3。

根据表3，可以得出以下基本结论：

（1）厂房结构第1阶自振频率（11.96Hz）与机组额定转速时的振动频率（10Hz）比较接近，对发电机层楼板抗振是很不利的，可能引起其上游侧横河向振动。

表2 厂房结构振源和频率预测

（2）机组飞逸转速时的振动频率（18Hz）与较多厂房自振频率接近，是对厂房结构，尤其是母线层以上结构抗振很不利的一种激振频率。因此在机组运行过程中，应尽量减少机组进入飞逸状态。

（3）由不均匀磁拉力引起的激振频率同样有可能引起厂房结构的共振，在机组运行时，应尽量避免此种情况的出现。

3.4 解决方法

共振校核结果表明，厂房基频与机组额定转速时振动频率比较接近（相差16.39%），对发电机层楼板抗振很不利。计算将母线层和发电机层之间上游侧的砖墙变为混凝土实体墙，与立柱、楼板整浇。经过计算表明，将母线层和发电机层之间上游侧的砖墙变为 0.3m厚的混凝土实体墙后，可使得厂房结构前20阶自振频率有所提高，基频提高约17.3%，与机组额定转速时振动频率错开度由 16.39%提高至 28.72%，基本满足规范标准（大于 20%～30%）。另值得注意的是，第 1阶模态由发电机层楼板上游侧横河向振动变为母线层以上结构顺河向振动，这对发电机层楼板抗振是有利的。