基于磁流变阻尼器的水电站厂房智能减振研究

2019-11-22苏超，杨旸

水力发电 2019年8期

苏超，杨旸

(河海大学水利水电学院，江苏南京210098)

0 引言

抽水蓄能电站具有高水头、高转速、双向运转、过渡过程复杂等特点，机组振动诱发的厂房结构的振动问题较常规电站更为突出，已成为厂房结构设计的关键问题之一[1]。目前，我国建成运行的多座抽水蓄能电站，均出现了不同程度的振动问题[2-3]。激烈的振动会损害厂房结构，导致水电站不能完全发挥效益。磁流变阻尼器由于其耗能低、阻尼力大、响应快、可控性强等优点，已经成为新一代土木工程结构控制装置，展现出了良好的运用前景。目前磁流变阻尼器在土木工程方面，如桥梁、建筑、海洋平台等得到了初步的运用，取得了较好的减振效果[4- 6]；但目前还没有被运用在水电站厂房结构的减振中。

本文针对抽水蓄能电站厂房振动特点，提出了一种基于磁流变阻尼器的厂房结构智能减振控制方法。通过对ABAQUS平台进行二次开发，并以某已建抽水蓄能电站为研究对象，重点对厂房发电机层楼板进行被动控制和半主动控制研究；研究结果为利用磁流变阻尼器进行厂房结构的减振控制研究提供了新的方法和依据。

1 基于磁流变阻尼器智能减振方法

1.1 抽水蓄能电站厂房智能减振控制方法

与常规水电站相比，在抽水蓄能电站在运行过程中，水泵水轮机肩负着抽水和发电的功能；因此，抽水蓄能电站的水泵水轮机经常通过开关机来转换工况。而在这个过渡过程中，机组变化剧烈，水流流态复杂，对机组运行的稳定性影响剧烈[7]。针对抽水蓄能电站厂房振动特点，本文提出了基于磁流变阻尼器的厂房结构智能减振控制方法(见图1)。当传感器监测到振动响应大于响应阀值时，该方法通过控制器打开磁流变阻尼器对厂房进行减振控制。当振动响应小于响应阀值时，控制器关闭磁流变阻尼器电流，从而让厂房结构度过振动剧烈时段。

图1 磁流变阻尼器厂房智能振动控制方法

1.2 磁流变阻尼器及其力学模型

磁流变阻尼器是利用磁流变效应工作的新型智能减振元件。其装置简单、耗能低、响应快、阻尼大、动态范围广，可以通过电流来控制阻尼力；因此可以良好地与控制系统结合。即使在控制系统失效的情况下也可作为被动控制器，具有较强的可靠性。

Bouc-Wen模型[8]能够准确地反映磁流变阻尼器在低速时的非线性性能和模拟磁流变阻尼器的滞回特性，且通用性强，易于数字化建模。因此，本文选用Bouc-Wen模型(见图2)来建立磁流变阻尼器力学模型。

该模型阻尼力

(1)

(2)

图2 Bouc-Wen模型示意

式中，α为与磁流变屈服应力相关的模型参数；k0为弹簧刚度；F为磁流变减振器阻尼力；c0为磁流变材料屈服后黏性系数；x为磁流变阻尼器活塞和缸体的相对位移；z为滞变位移；n为曲线圆滑系数；x0为弹簧的初始变形；A，β，γ为常数，由磁流变阻尼器结构特性决定。

本文选用文献[9]中美国LORD公司生产的RD- 8041-1MRD型磁流变阻尼器进行减振控制研究，其Bouc-Wen模型

(3)

(4)

其中，α=143.80+14 37I；c0=0.85+2.79I。I为电流。因此，可以通过控制I来改变F的大小。本次选用的磁流变阻尼器最大输入电流为1.0 A。

1.3 磁流变阻尼器减振控制方法实现

目前，对于磁流变阻尼器减振控制的理论研究，一般需要建立结构的运动微分方程和状态方程，进而对其进行数值求解。对于结构较复杂的系统，其控制系统的微分方程和状态方程难以建立；因此无法对真实复杂的环境进行有效模拟仿真。而采用ABAQUS对控制系统进行数值仿真不需要建立系统的微分方程状态方程；并且采用瞬态动力学方法对复杂系统的振动控制计算时，可以同时考虑材料非线性、几何大变形等影响。因此，本文采用Bouc-Wen模型对磁流变阻尼器进行建模，通过对大型有限元通用软件ABAQUS进行了二次开发，实现了磁流变阻尼器的被动控制和半主动控制。

图3 基于ABAQUS的磁流变阻尼器减振控制计算流程

(3)将控制力F通过全局变量COMMON块传入到子程序DLOAD中，从而将控制力F施加到相应的控制区域。

(4)对每个增量步重复上述过程，直到程序结束。

1.4 磁流变阻尼器半主动控制策略

半主动控制兼主动控制优良的控制效果和被动控制的简单易行的优点，同时克服了主动控制需要大量能量和被动控制调谐范围窄的缺点。因此，半主动控制具有较大的研究和运用开发前景[10]。本文结合常用的简单Bang-Bang 控制算法[11]，对厂房进行半主动控制研究。即

(5)

简单Bang-Bang算法主要操作为：当结构背离平衡位置振动时，磁流变阻尼器向结构施加最大的阻尼，即采用最大的电流；当结构向平衡位置振动时，磁流变阻尼器向结构施加最小阻尼力，即关闭电流。因此，简单Bang-Bang相当于Passive-off和Passive-on控制，控制算法实际的主动变阻尼力跳动于这两者之间。亦即，过大阻尼力的变化，会导致加速度的突变，但可以通过提高施加最小阻尼系数的电流来改善该情况。

2 工程实例

2.1 厂房模型及边界条件

已知某已建抽水蓄能电站总装机1 800 MW，安装6台单机容量为300 MW的立轴单级混流可逆式水轮发动机组；发电机机额定转速是500 r/min，飞逸转速是725 r/min。本文选取4号机组段建立有限元计算模型(见图4)来进行地下厂房的模态分析和动力响应分析。模拟尾水管及其周围混凝土、蜗壳及其周围混凝土、座环、机墩、横梁、上下游边墙和立柱等。坐标原点定在发电机层中心位置，坐标系x方向为厂房纵轴线方向；y方向为上下游方向；z方向为竖直向上。厂房结构材料参数见表1。其中，厂房楼板、梁、柱子、机墩、风罩、蜗壳外围混凝土强度等级为C30，其余部分混凝土强度等级为C25。本文进行厂房结构减振控制时，边界条件设置上下游围岩与混凝土接触面假定为弹性支撑，在接触结点上施加弹性水平约束，围岩弹模取E=10 GPa，相应的单位弹性抗力系数为80 MPa/cm计算模型底部施加固端约束。

图4 厂房整体网格模型

材料名称静弹性模量E/104 MPa重度γ/kN·m-3泊松比μ钢20.610 078.00.300C25混凝土2.801 025.00.167C30混凝土3.001 025.00.167

2.2 厂房振动标准

国内外学者对水电站厂房的振动问题进行了分析研究，对厂房结构振动中所涉相关的建筑、设备、仪器以及人体健康等的振动控制标准进行了论证，提出了厂房结构振动控制标准建议值[12-13]。本文根据国内相关文献，并参照有关行业规范，拟以表2作为厂房建筑物允许振动的标准参考值。

表2 厂房结构振动控制标准

表4 厂房结构各部位最大响应

2.3 厂房结构响应分析

本节重点对厂房结构进行响应分析，机组设备荷载见表3。通过计算各部位的振动规律和强度，为采用磁流变阻尼器对厂房结构进行减振研究提供依据。表4给出了厂房结构各部位的最大响应结果，从表中可以看出，主厂房结构的整体位移响应较小，各部位振幅均小于0.2 mm。主厂房主要构件各部位动响应均表现为竖直方向较大，水平方向较小。发电机层竖直向速度响应值大于3.2 mm/s，且竖向加速度大于0.64 m/s2，在该短暂时间内上述部位人体可能会有不舒适感。机墩竖向加速度大于1.0 m/s2，其余各部位速度、加速度响应均满足振动控制标准的要求。因此发电机层楼板振动较为明显，其竖向速度和加速度均超过了厂房抗振标准值。

表3 机组设备荷载标准值 kN

2.4 发电机层楼板智能减振控制研究

磁流变阻尼器一般安装在梁、柱上去控制结构的振动响应。为了获得更好的减振效果，磁流变阻尼器应安装在结构响应较大的区域；同时应考虑使质心和刚心尽量对称原则，以及结构空间使用的要求[15]。通过厂房结构响应分析，可知发电机层楼板在机组荷载作用下竖向振动明显，速度和加速度响应超过了厂房振动标准。因此，基于磁流变阻尼器的安装布置经验，结合发电机层楼板的结构特点，选取12个磁流变阻尼器对厂房发电机层楼板进行减振研究，具体安装位置如图5所示。

图5 磁流变阻尼器安装位置示意

本节采用本文提出的抽蓄蓄能电站厂房智能减振控制方法，通过被动控制Passive-off、Passive-on(I=0.5 A)和半主动控制三种方法，对发电机层楼板进行减振控制研究。表5给出了发电机层楼板整体最大响应值，对于竖向位移，Passive-off、Passive-on、半主动控制的响应分别减小了0.27%、1.05%、1.39%；对于竖向速度，分别减小了3.75%和14.81%、15.43%；对于竖向加速度，分别减小了2.26%、11.71%、14.81%。可见，采用磁流变阻尼

表5 发电机层楼板整体最大响应值

注：括号内为减振效果，即(无控情况-有控情况)/无控情况。

器可以明显减小发电机层楼板整体最大响应。其中，采用Passive-on和半主动控制进行减振时，发电机层楼板的整体响应减小到振动标准值以下。

为了更好地展现磁流变阻尼器的减振效果，本文选取了发电机层楼板的3个典型点。即，无控情况下的最大竖向位移响应点、最大竖向速度响应点和最大竖向加速度响应点。表6给出了发电机层楼板典型点的最大响应值，对于竖向位移最大响应点，Passive-off、Passive-on、半主动控制的响应分别减小了0.27%、1.58%、2.34%；对于最大竖向速度响应点，分别减小了3.75%和19.30%、31.15%；对于最大竖向加速度响应点，分别减小了2.26%、11.85%、17.49%。图6～8给出了3个典型点的时程曲线，从图中可以看出，本文提出的磁流变阻尼