河床式水电站副厂房GIS室隔振研究

第一作者邹奥斯男，研究生，1990年7月生

通信作者石长征女，讲师，1983年12月生

河床式水电站副厂房GIS室隔振研究

邹奥斯1，石长征1，伍鹤皋1，金健2，陈小东2

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072； 2.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵阳550008)

摘要：结合某河床式水电站实际工程，采用有限单元法，对尾水管内水流脉动压力作用下阻尼弹簧隔振装置对副厂房GIS室的振动影响进行了研究。结果表明：GIS室楼板由隔振弹簧支承于梁柱上后，对副厂房整体结构的振动特性影响很小，GIS室楼板与其支承结构的振动特性差异明显；当隔振系统自振频率在3.5~4.5 Hz时，隔振措施能兼顾隔离低频和高频脉动压力的振动影响，特别是能有效减小因高频脉动压力引起的高振动速度和加速度，对结构振动控制十分有利。

关键词：河床式水电站；副厂房；GIS室；隔振；脉动压力；振动响应

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51179141)

收稿日期：2014-01-02修改稿收到日期：2014-06-13

中图分类号:TV731.1文献标志码：A

Vibration isolation of GIS room in auxiliary powerhouse of an in-stream hydropower station

ZOUAo-si1,SHIChang-zheng1,WUHe-gao1,JINJian2,CHENXiao-dong2(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. Hydro China Guiyang Engineering Corporation, Guiyang 550008, China)

Abstract:The effect of a damping-spring isolator on the vibration response of GIS room in auxiliary powerhouse of an in-stream hydropower station under fluctuating pressures was analyzed with the finite element method based on one actual hydropower station. The results showed that the GIS room vibration isolation system has a small influence on the vibration characteristics of the global auxiliary powerhouse; but the differences between vibration characteristics of its floor and those of its supporting structure are obvious; when the natural frequency of the vibration isolation system is between 3.5 to 4.5 Hz, the vibration of the floor induced by both low and high frequency fluctuating pressures can be isolated; especially, the large vibration velocity and acceleration caused by fluctuating pressures with high frequencies can be reduced effectively, therefore, the vibration isolation system is beneficial to structural vibration control.

Key words:in-stream hydropower station; auxiliary powerhouse; GIS room; vibration isolation; fluctuating pressure; vibration response

对于河床式水电站，副厂房常布置在下游尾水平台上部，那么由尾水管脉动压力引起的振动将会直接传递到上部副厂房结构[1]。副厂房内通常布置有SF6全封闭组合电气开关站设备(GIS)和中控室，如果副厂房长期处于振动较大的状态，则可能导致GIS室金属封闭管连接部位松动、连接螺栓松动等，造成重大电气事故，同时也会引起副厂房内运行人员的身体不适。例如黄河上游龙羊峡水电站，330kVGIS开关站布置在尾水平台上部副厂房内，1987年7月投产以来，出现多次断路器接地故障，检修发现部分螺栓松动、标记错位，经分析造成这些问题的一大原因即是机组运行和水力脉动引起的振动[2]。因此有必要采取一定的措施来减小副厂房结构的振动，以保障设备的安全稳定运行和工作人员的身体舒适健康。除了控制振源外，采用隔振技术将结构与振源隔离以减小振动影响也是可行的措施之一。

隔振措施分为主动隔振和被动隔振，都是利用弹性支撑隔绝或减弱振动能量的传递，降低外加激励引起的响应，从而实现减振降噪的目的。主动隔振是对振动源设备采取隔振措施，防止振动传到其他场合，例如采用弹簧隔振系统后，火电厂磨煤机减振效率可达90%，且基础台座的重量也只有常规基础的1/2[3]；淮阴三站大型灯泡贯流泵站在机墩四个角底部设置橡胶垫后动响应降幅在50%以上[4]。被动隔振是对怕受振动干扰的设备、仪器或人采取隔振措施，防止外来振动的影响，例如上海地铁1号线上方某房屋采用隔振弹簧将浮置地板与基础隔开，高频部分衰减后实际振动加速度级远小于标准规定的振动加速度级限制[5]。

目前隔振技术在土木建筑工程领域应用较为广泛，电厂中辅机的隔振基础运用也已非常普及，在水力发电领域，近些年来隔振技术也呈现出了较好的应用前景。例如三峡水电站水轮发电机大盖每台安装224个弹簧隔振器，加装弹簧隔振器后，水轮发电机大盖的振动大大减小，保证了三峡机组的安全运行[6]。但是国内外尚无相关工程将隔振技术应用于水电站的副厂房结构，尤其是布置有重要设备的GIS室，因此本文针对在副厂房GIS室楼板采取隔振措施的某河床式电站，对结构的振动特性进行动力分析，研究在尾水管内水流脉动压力作用下隔振措施对于GIS室楼板以及支承结构的影响。

1工程概况和计算模型

1.1　计算模型

某河床式水电站厂房由主机间、左端安装间、下游副厂房、下游尾水闸墩、尾水渠、左岸进厂公路等建筑物组成，厂内安装4台单机容量180 MW的轴流转桨式水轮发电机组。开关站设备为SF6全封闭组合电气，布置在尾水平台上部下游副厂房GIS室内。该河床式厂房流道尺寸较大，尾水管扩散段总宽度24.3 m，高度从5.25 m变化至10.70 m，尾水管内脉动压力作用范围较大。另外副厂房内布置重要电气设备，GIS室和主变室的高度分别达到16 m和12 m，梁柱布置相对较少，对结构抗振不利。因此为了保证GIS室设备的正常稳定运行，尝试采用隔振技术来减轻振动的影响。

图1　有限元模型 Fig.1 Finite element model

图2　GIS室隔振系统示意图 Fig.2 Vibration isolation system in GIS room

1.2　材料参数

厂房结构座环和固定导叶为钢材，进水口、蜗壳、尾水管和副厂房采用不同标号的混凝土，其中副厂房结构采用C25混凝土。计算中采用的钢材、混凝土及基岩相应的材料参数详见表1。

表1　材料参数

1.3　尾水管脉动压力

电站实际运行中，机组振动、蜗壳内脉动压力和尾水管脉动压力引起的振动均能传递至副厂房，相对于机组振动荷载，尾水管脉动压力作用最为直接，其脉动频率范围也最广，对副厂房振动响应影响更为明显，因此本文将主要针对尾水管脉动压力作用下的副厂房振动展开研究。Lacey等[9-11]对数个轴流式机组的脉动压力进行了模型试验和数值模拟，研究发现尾水管内脉动压力频率从低频到高频均有可能出现，出现较多的优势频率主要是转频及其倍频，而转频倍频中尤其以叶片数频率及其倍频出现的概率更大。本文所研究的电站也对机组进行了模型试验，试验结果也表明尾水管脉动压力的优势频率主要为转频及其倍频，脉动压力双峰值不超过水轮机水头的3.2%。对于本工程，机组额定转频fn为1.388 Hz，转轮叶片数为6，叶片数频率为6 fn；水轮机水头对应水压力为0.421 MPa，尾水管脉动压力双幅值不超过0.013 MPa。下文将采用动力谐响应法进行分析。

2隔振系统自振频率对厂房结构自振特性的影响

隔振系统设计最重要的环节便是确定隔振系统的自振频率。根据目前隔振弹簧的生产情况，隔振系统的自振频率一般在2～7 Hz之间。为了确定合理的隔振系统自振频率，也为了更好地分析脉动压力对厂房结构振动特性的影响，本节首先进行了隔振系统自振频率对厂房结构自振特性的影响研究。假设隔振系统自振频率在0～8 Hz之间变化，分别计算得到各频率对应的厂房整体结构的自振频率、副厂房局部结构的自振频率。

图3为厂房整体结构的基频以及GIS室楼板竖向起振频率与隔振系统自振频率的关系曲线，其中竖向起振频率指楼板首次出现竖向振动的自振频率。随着隔振系统自振频率的增加，楼板竖向起振频率也随之线性增加，但由于副厂房框架结构以及水平向隔振弹簧的影响，楼板竖向自振频率在数值上略小于隔振系统自振频率。当隔振系统的基频小于1.5 Hz时，厂房整体结构的第1阶振型均表现为副厂房GIS室活动楼板的振动，其频率即为楼板起振频率。当隔振系统自振频率超过1.5 Hz之后，结构的第1阶振型便为副厂房整体顺河向的振动，随着隔振系统自振频率增加，厂房整体振动的基频在1.50～1.55 Hz之间变化，可见隔振系统自振频率的改变对厂房整体结构的振动特性影响较小。从上述结果来看，隔振系统自振频率小于厂房整体的起振频率时，结构的主要振型将为活动楼板的振动，过低的刚度将使得活动楼板容易在冲击荷载和地震等作用下产生较大的位移，对结构及设备不利，因此隔振系统的频率不宜过低。

图4为副厂房除活动楼板外支承梁柱框架结构的基频及其竖向起振频率随隔振系统自振频率的变化曲线。梁柱框架结构的基频基本保持在11.5 Hz左右，对应振型为顺河向振动，其竖向起振频率大致在30 Hz左右。显然梁柱框架具有较高的固有频率，且受隔振系统自振频率的影响较小。

图3　厂房整体结构自振频率 Fig.3 Natural frequency of powerhouse

图4　支承梁柱结构自振频率 Fig.4 Natural frequency of supporting beam-column

3隔振系统自振频率对GIS室楼板振动的影响

本节选取转频fn和叶片数频率6fn作为尾水管脉动压力的特征频率，分别探讨了在不同频率的尾水管脉动压力作用下，隔振系统自振频率对副厂房GIS室活动楼板振动响应的影响，脉动压力的双幅值取为0.013 MPa。由于篇幅所限，下文将主要针对对楼板和设备影响较大的竖向振动进行分析。

3.1　振动响应

图5为转频fn方案下GIS室楼板及其支承梁柱在隔振与非隔振情况下竖向的最大振动位移，图中楼板、梁柱分别表示隔振方案下GIS室楼板、支承梁柱结构振动响应，非隔振则表示非隔振方案下GIS室楼板振动响应，此时楼板与梁柱共节点，两者振动位移相等。对于支承梁柱结构，振动位移随着隔振系统自振频率的增大变化较小，说明隔振系统的自振频率对支承梁柱结构的影响较小。对于GIS室楼板，随着隔振系统自振频率的提高，GIS室楼板竖向振动位移呈现先增加后减小的变化趋势，在隔振系统自振频率为转频时振动位移最大，这主要是振动系统的自振频率与尾水管脉动压力的频率相等引起的共振。当隔振系统自振频率在转频附近时，GIS室楼板的振动位移均大于其支承梁柱结构；当隔振系统自振频率超过转频后，激振频率与结构自振频率错开度越来越大，楼板振动位移不断减小，自振频率超过2.5Hz之后，楼板的振动位移与支承梁柱基本相同。比较隔振和非隔振两种情况下结构位移可以发现，采取隔振措施后，无论是楼板还是梁柱，其振动位移均大于非隔振方案。说明在低频脉动压力作用下，非隔振方案下GIS室楼板的自振频率较高，与低激振频率有较大的错开度，而采取隔振措施后，降低了楼板的自振频率，反而对抗振不利。

图5　转频方案下GIS楼板竖向动位移幅值(10 -6 m) Fig.5 Vertical vibration displacement amplitude of GIS floor under rotation frequency scheme(10 -6 m)

图6为尾水管脉动压力为叶片数频率6fn时GIS室楼板最大竖向振动位移与隔振系统自振频率的关系，结构的振动规律与低频脉动压力作用的振动规律有明显区别。在较高频率的脉动压力作用下，隔振系统自振频率对支承梁柱结构的振动位移影响很小，梁柱的振动位移基本不发生变化，并且与非隔振方案下的位移基本相等。但是对于GIS室楼板，隔振方案下振动位移随着隔振系统自振频率的增加而增加，说明隔振系统自振频率越高，GIS室楼板受到高频尾水脉动的影响越大，对抗振越不利。

图6　叶片数频率方案下GIS楼板竖向动位移幅值(10 -6 m) Fig.6 Vertical vibration displacement amplitude of GIS floor under blade frequency scheme(10 -6m)

3.2　竖向振动位移传递率

对于隔振系统，为了说明竖向隔振的效果，采用传递率对隔振效果进行评价。定义竖向振动位移的传递率η为楼板最大竖向位移与楼板的支承梁柱结构最大竖向位移之比，如果η小于1，说明隔振措施有效果，如果η大于1，隔振系统则是放大了从支承梁柱传递来的振动响应[5]。

图7为隔振方案下GIS室楼板的竖向振动位移传递率与隔振系统自振频率的关系。对于转频方案，当隔振系统自振频率小于3 Hz时，传递率基本上大于1；当隔振系统自振频率大于3 Hz后，传递率基本上等于1，虽然没有减小支承结构传递上来的振动，至少没有放大振动。因此，对于尾水管低频脉动，隔振系统自振频率宜高于3.5 Hz。对于叶片数频率方案，隔振系统自振频率低于4.5 Hz时，GIS室楼板振动位移传递率均小于1，有较明显的减振效果，当隔振系统自振频率超过4.5 Hz后，振动位移传递率均大于1。因此当脉动压力频率较高时，隔振系统自振频率低于4.5 Hz，GIS室楼板的隔振效果才能表现出来。

隔振设计的原则是使激振频率域与隔振系统的自振频率有一定的错开度，例如《隔振设计规范JBJ-22-19》规定，对于积极隔振干扰振动的频率域与隔振系统的自振频率之比可大于等于2.5[12]。尾水管脉动压力的频率是一个较宽的范围，通过对较低的转频和较高的叶片数频率两个特征频率的脉动压力作用下GIS室隔振效果的计算分析可知，当隔振系统自振频率在3.0~4.5 Hz时，GIS室楼板竖向振动位移传递率均低于1.0。因此为了兼顾隔离低频与高频脉动压力的要求，隔振系统选择3.0～4.5 Hz作为自振频率是比较合理的。

图7　GIS楼板竖向振动位移传递率 Fig.7 Vertical vibration displacement transmissibility of GIS floor

4尾水管脉动压力频率对GIS室楼板振动的影响

根据第3节的分析，本节选定3.5 Hz作为隔振系统自振频率，继续对GIS室楼板结构的振动响应进行进一步分析。在前文的研究中，尾水管脉动压力主要考虑了两个特征频率，但实际中尾水管脉动压力的频率成分是比较多的，优势频率除了机组转频、转轮叶片数频率外，也可能是上述频率的倍频等。为此本节就脉动压力频率对GIS室楼板振动响应的影响展开研究。

图8为GIS室楼板最大竖向振动位移随尾水管脉动压力频率变化的曲线图。隔振方案下GIS室楼板在尾水管低频(6 Hz以内)脉动荷载作用下动位移波动较大，且大于支承梁柱的振动位移，在尾水管脉动频率为4 Hz左右时出现极值，该频率接近隔振系统自振频率的3.5 Hz；而在尾水管中高频(大于6 Hz)脉动荷载作用下，GIS室楼板自振频率与之错开度较大，动位移随着尾水管脉动频率的增大而减小，支承梁柱结构的位移大于GIS室楼板的位移，说明高频时隔振弹簧可以有效地阻隔从厂房下部传递过来的振动。另外，当尾水管脉动压力频率高于6Hz时，GIS室楼板在隔振方案下的振动位移低于非隔振方案，这从另外一个角度也说明了隔振措施可以极大地降低高频脉动作用下GIS室楼板的振动响应。

对厂房结构除了控制振动位移外，振动速度和加速度也是控制的重要指标，特别是当激振频率较高时，在振动位移并不大的情况下，振动速度和加速度也往往较大。图9绘制了GIS室楼板最大竖向振动加速度与尾水管脉动压力频率的关系曲线。非隔振方案下GIS室楼板的加速度大致呈现随尾水管脉动压力频率的增大而增大的变化趋势，当脉动压力频率超过16 Hz之后，楼板振动加速度迅速增大。当采用隔振措施后，支承梁柱结构的加速度振动响应仍然随着尾水管脉动压力频率的增大有明显增大，而GIS室楼板的加速度响应仍然保持很低的水平。可见，隔振措施对减小GIS室楼板的加速度响应十分有效。

总体而言，虽然低频尾水脉动压力易引起楼板共振，但位移量级并不大，因此影响并不大。隔振系统的自振频率较低，可以有效隔离高频脉动压力引起的振动位移和加速度响应，对结构振动控制十分有利。

图8　GIS室楼板竖向动位移幅值(10 -6 m) Fig.8 Vertical vibration displacement amplitude of GIS floor(10 -6 m)

图9　GIS室楼板竖向振动加速度响应(mm/s -2) Fig.9 Vertical vibration acceleration of GIS floor(mm/s -2)

5结论

通过某水电站尾水管脉动压力作用下副厂房GIS室隔振效果的有限元计算分析，得到以下结论：

(1)GIS室采用阻尼弹簧隔振后，对副厂房整体结构的振动特性影响很小，楼板的自振频率较小，而楼板的支承梁柱框架仍保持较高的自振频率，楼板与其支承结构的振动特性产生明显差异。

(2)由于尾水管脉动压力同时存在低频和高频，隔振系统的自振频率需同时与较低和较高的激振频率保持一定的错开度，避免共振的发生。通过对频率为转频和叶片数频率的尾水管脉动压力作用下隔振效果的分析发现，隔振系统自振频率在3.0~4.5Hz时，隔振系统能兼顾隔离低频和高频脉动压力的振动影响，起到隔振作用。

(3)GIS室采用隔振弹簧隔振后，能有效减小因高频脉动压力引起的振动响应，尤其是高频脉动压力引起的振动加速度，对结构振动控制十分有利。

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