云南水力发电
YUNNAN WATER POWER 136
第37卷第3 期
0 引言
目前在煤炭、石油等不可再生资源日益枯竭，全球生态环境问题日益突出的巨大压力下，开发清洁可再生能源，实现经济、社会可持续健康发展等诸多方面有着至关重要的意义［1-4］。水电能源是一种无污染能源，世界各国都在积极发展水电来替代常规能源。抽水蓄能电站启闭灵活，在电网中可以承担调峰填谷的角，当电网中负荷较低时，抽水蓄能电站把电网中多余的电能转换为势能储存起来，从而避免了电能的浪费，用电高峰时，利用上水库中的水发电以达调峰的目的，相比较燃煤机组，其效率更高、速度快而且成本也相对较低，所以在电网中利用抽水蓄能电站替 徐云泉，徐建，林志华
（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）
摘 要：抽水蓄能电站具有高水头、大容量、快转速的特点导致振动问题特别突出，强烈的振动会导致机组以及厂房薄弱结构部位发生破坏，影响电站的安全稳定运行。结合某在建抽水蓄能电站，分析了可能与厂房结构发生共振的振源，研究了边界条件、材料特性对结构自振特性的影响，结合粘弹性人工边界条件，分析了在机组动荷载作用下厂房各部位的动力响应规律。关键词：抽水蓄能电站；发电厂房；自振；动力特性 中图分类号：TV743 文献标识码：A 文章编号：1006-3951(2021)03-0136-05 DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2021.03.033
Research on Dynamic Characteristics of Underground Powerhouse of a
Pumped Storage Power Station
XU Yun-quan, XU Jian, LIN Zhi-hua
(Power China Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, China)
Abstract: Pumped storage power station has the characteristics of high water head, large capacity and fast speed, which causes the vibration problem especially prominent. Strong vibration will cause damage to units and weak structure of the power house, and affect safe and stable operation of pow
er station. Combined with a pumped storage power station, this paper analyzes the vibration sources that may resonate with the plant structure, studies the influence of boundary conditions and material characteristics on the natural vibration characteristics of the structure, and analyzes the dynamic response law of various parts of the plant under the dynamic load of the unit in combination with viscoelastic artificial boundary conditions.
Key words: pumped storage power station; powerhouse; natural vibration; dynamic characteristics
收稿日期：2020-05-29
作者简介：徐云泉（1991-），男，河北张家口人，助理工程师，主要从事水利水电勘察设计相关工作。
*代燃煤机组承担调峰填谷可以节约煤炭，提高发电效率，而且可以避免常规水电站在汛期弃水，从而可以保证在枯水期发挥灌溉、航运、发电效益［5-7］。
当前，抽水蓄能电站机组朝着高水头化（长龙山抽水蓄能电站最大水头710m）、大容量化（仙居抽水蓄能电站单机容量达375MW）、高转速化（天荒坪抽水蓄能电站额定转速达500r/min）、变转速化发展，而且由于其启闭频繁，引起振动的激振力更为突出［8］。国内外抽水蓄能电站在运行过程中均
出现过许多振动的问题，保证电站安全运行将对设计提出更加严格的要求。因此，在设计过程中，对厂房的动力特性进行详细、系统的分析
徐云泉，徐建，林志华 某抽水蓄能电站地下厂房动力特性研究137
和研究对避免厂房结构发生有害振动具有重要指导价值。以某在建的抽水蓄能电站地下厂房为研究对象，分析了厂房的自振特性以及在动荷载作用下的动力响应规律。
1 工程概况
1.1 工程概况
某抽水蓄能电站总装机1800MW，共设6台机组。主副厂房尺寸为210m×24.5m×53.4m（长×宽×高）。主厂房宽度为24.5m，机组段总长度144m，机组中心距22.5m。尾水管层为大体积混凝土结构，蜗壳层高程以上至发电机层高度20.2m，采用以蜗壳、机墩、风罩等机组支撑结构为中心，其余采用板梁柱等框架结构的混合结构型式。机组之间设1cm 宽结构缝。1.2 三维有限元模型
选取2号机组段厂房结构为研究对象，采用Revit 建立厂房的三维模型。计算采用大型通用有限元计算软件ABAQUS。数值模型采用笛卡尔直角坐标系，x 轴沿厂房纵轴线方向，指向右岸为正。y 轴沿水流向，指向下游为正。z 轴为铅垂方向，向上为正。所有结构全部使用六面体单元进行分网，有限元
模型见图1。计算采用参数见表1。
2 自振特性研究
发电厂房既包含刚度较大的结构，比如尾水管、蜗壳，也包括刚度较小的结构，比如各层楼板，立柱，梁，以及还有含有进人孔，通风孔的结构。因此发电厂房具有空间结构复杂、混凝土结构刚度差异大、结构自振特性差异大、自振频率跨度大的特性。研究发电厂房各部位的自振特性以及边界条件、材料参数等因素对厂房自振特性的影响，精确分析各个因素对厂房动力特性的影响，可以为厂房结构的抗振设计提供参考。2.1 振源分析2.1.1 机械振源
机械振源和电磁振源一般与水轮发电机组在运行过程中的转频有关，一般是因为在机械安装过程中误差或者转轴制造过程中的不精确导致的。水力振源主要是水流在流道中产生涡流、卡门涡列、不均匀流动导致的。
根据上述分析，表2列出了机械、电磁、水力振源的频率。
表2
水电站地下厂房振源频率表
振源类型编号
振动原因
振动频率13
不均匀水流冲击叶片形成的振动83.33；166.66
14导叶出口脱流引起的脉动力133.3315
卡门涡列引起的导叶和叶片振动
80～150
2.2 边界条件对自振特性的影响
相比较蜗壳，尾水管等结构，楼板在垂直板面方向的刚度较弱，在各种振源作用下，易于产
图1 2
陶瓷压机号机组段厂房有限元模型图
表1 地下厂房材料参数表
材料静弹性模量/GPa 密度/（kg/m 3）
泊松比C25混凝土28 2 5000.167C30混凝土30 2 5000.167不锈钢材料
变压器油泵206
7 800
0.3
138云南水力发电2021 年第3 期
生有害振动，同时各种电气、机电等设备的基础也是坐落在楼板上，工作人员的活动区也大多在楼板上，所以在电站运行过程中，楼板的位移值是控制的关键。在影响厂房动力特性的因素中，边界条件是一个非常重要的因素。因此，首先通过设置以下3种不同的边界条件研究了厂房边界条件对厂房自振频率的影响，表3给出了3种边界条件下厂房整体结构的自振频率。
B1：厂房上下游边界x，y，z方向固定约束。
B2：厂房上下游边界x,y方向固定约束，Z方向无约束。
B3：厂房上下游边界y方向固定约束，x，z
方向无约束。
由表3可知：边界条件地下厂房的动力特性影响较大。在3边界条中厂房的自振频率的大小关系是：B1>B2>B3，表明围岩对厂房边界约束作用越强，厂房的自振频率越大。通过加强围岩对各层楼板的约束，可以有效地增强厂房的刚度，从而也可以抑制楼板的有害振动，所以在设计时要加强围岩与厂房边界之间的连接，以提高厂房的基频，与各种振源保持有足够的错开度。
2.3 混凝土物理力学参数对自振特性的影响
地下结构很少采用钢结构，一般都是采用混凝土结构，混凝土的物理力学参数是影响厂房动力特性的一个重要因素，而且影响混凝土力学参数的因素众多，尤其是在施工过程中。在进行动力计算时，混凝土采用的是动态材料参数，即静态弹性模量乘以一个系数，规范中规定的是1.3。为此，拟定以下6种方案，共分两组研究材料参数对厂房动力特性的影响。
E1：混凝土弹性模量提高10%
E2：混凝土弹性模量提高20%
E3：混凝土弹性模量调高30%
V1：混凝土泊松比提高10%
V2：混凝土泊松比提高20%
V3：混凝土泊松比提高30%
表3 不同边界条件下厂房前10阶自振频率表 Hz 阶数
模型
12345678910
B
1
23.37 23.39 26.81 28.99 32.74 33.20 33.31 33.96 35.68 36.04
B
2
20.80 23.36 23.38 23.68 28.08 28.60 31.02 32.75 33.56 33.88
B
3
12.97 20.46 22.75 23.11 23.19 24.92 26.51 27.55 29.15 32.46
鼠标笔 表4 不同弹性模量下厂房前20阶自振频率表 Hz 阶数
模型
12345678910
M
1
11.89 18.72 20.74 21.07 21.10 22.28 24.21 25.00 26.63 29.51
M
2
12.41 19.55 21.65 22.00 22.03 23.23 25.28 26.09 27.81 30.80
M
3
12.91 20.34 22.52 22.88 22.92 24.14 26.30 27.13 28.93 32.03 表5 不同泊松比下厂房前20阶自振频率表 Hz
阶数
模型
12345678910
V
1
12.91 20.34 22.51 22.87 22.92 24.09 26.30 27.08 28.93 32.03
V
2
12.90 20.35 22.51 22.87 22.92 24.04 26.31 27.02 28.92 32.03
V
3
12.90 20.35 22.50 22.87 22.92 23.99 26.31 26.97 28.93 32.04
由表4和表5可以看出：相比较边界条件对厂房动力特性的影响，混凝土弹性模量和泊松比对厂房的动力特性影响相对较小。相比较弹性模量，泊松比对厂房自振频率的影响基本可以忽略，混凝土的弹性模量在1~1.3倍范围，厂房的前20阶自振频率的变化基本在3%以内。因此，混凝土弹性模量和泊松比在1~1.3倍范围内变化时，对厂房的自振特性影响基本可以忽略。
3 动力响应研究
3.1 粘弹性动力人工边界
地震动引起厂房的振动属于外源振动，由水轮发电机组引起厂房的振动属于内源振动。在研究地下厂房内源振动时，往往需要考虑一定范围
徐云泉，徐建，林志华 某抽水蓄能电站地下厂房动力特性研究139
的围岩，以模拟围岩对厂房的约束作用，但是增加围岩势必会导致模型尺度大，增加计算时间。粘弹性人工边界可以很好地模拟围岩厂房的约束作用，主要体现在两个方面。
1）因为围岩不是绝对的刚体，所以使用弹簧可以模拟围岩对厂房的约束作用。
2）水轮发电机组的振动引起的振动波可能通过围岩传播到较远的地方。因此，通过设置阻尼器可以模拟振动波在围岩中的传播。
在厂房边界处设置粘弹性人工边界可以精确的模拟厂房的内源振动问题。
厂房边界处每个节点上的粘弹性边界条件由两部分组成：①一端固定的弹簧；②一端固定的阻尼器。弹簧与阻尼器并联，弹簧刚度和阻尼系数计算公式见（1）。
（1）式中：K BT—弹簧切向刚度；K BN—弹簧法向刚度；C
BT
—阻尼器切向系数，C BN—阻尼器法向阻尼系数，αT—切向修正系数；αN—法向修正系数，推荐使用 αT=0.67，αN=1.33；G—介质的剪切模量，ρ—介质的密度；R—人工边界节点到波源的距离；C s—为S波在介质中的波速；C p—P波在介质中的波速；A i—人工边界上节点所代表的面积。
3.2 机组振动荷载
各工况下作用在厂房各部位的动荷载见表6。
表6 机组设备荷载标准值表 kN
运行工况
定子机座（共8块基础板）下机架（共8块基础板）上机架（共8块基础板）轴向V
1
切向T
1
径向R
1文字模块
轴向V
2
切向T
2
径向R
2
径向R
3
额定负载（磁偏心8%）±137.9±218±44±2.45±48.6±48.6+114.7空载工况±137.9±0±0±2.45±18.9±18.
9+44.8两相短路±137.9±1309±0±2.45±18.9±18.9+44.8半数磁极短路±137.9±343±343±2.45±254±254+590备注：“+”表示力的方向与所示方向相同，“-”表示力的方向与所示方向相反。
3.3 各工况厂房各部位动力响应
厂房在各种工况下各部位的动力响应见表7~表10。
在4种工况中，厂房的动力响应最突出的
表7 额定负载工况厂房各典型部位的最大动力响应值表
位置
位移/μm速度/(mm/s）加速度/(m/s2)应力/MPa
X Y Z X Y Z X Y Zб
1б
安全带包3
发电机层楼板8.88 3.86 4.500.480.210.240.0260.0110.0130.05-0.05母线层楼板9.61 5.25 4.620.520.290.240.0280.0150.0130.06-0.06水轮机层楼板 5.01 2.33 3.250.270.130.180.0150.0070.0100.12-0.12蜗壳外混凝土 3.74 1.78 2.510.200.100.140.0110.0050.0070.05-0.05机墩11.939.267.650.650.500.420.0350.0270.0230.79-0.79风罩7.64 4.81 4.590.410.260.250.0230.0140.0140.06-0.06
表8 空载工况厂房各典型部位的最大动力响应值表
位置位移/μm速度/(mm/s）加速度/(m/s2)应力/MPa
X Y Z X Y Z X Y Zб
1б
3
发电机层楼板0.820.77 3.920.040.270.330.0020.0020.010.02-0.02母线层楼板0.72 1.13 3.810.040.060.210.0020.0030.010.02-0.02水轮机层楼板0.810.99 3.040.040.050.160.0020.0030.0090.07-0.07蜗壳外混凝土0.650.94 3.440.040.050.190.0020.0030.0100.13-0.13机墩 1.50 1.998.320.080.110.450.0040.0050.0250.16-
0.16风罩0.720.96 4.270.040.050.230.0020.0030.0130.03-0.02
140云南水力发电2021 年第3 期
表9 两相短路工况厂房各典型部位的最大动力响应值表
位置
位移/μm速度/（mm/s）加速度/(m/s2)应力/MPa
X Y Z X Y Z X Y Zб
1б
3
发电机层楼板49.9321.819.08 2.68 1.190.490.150.060.030.27-0.27母线层楼板50.5928.429.34 2.73 1.550.500.150.080.030.30-0.30水轮机层楼板7.2110.57 5.72 1.340.660.310.070.040.020.38-0.38蜗壳外混凝土19.5710.22 5.57 1.060.560.300.060.030.010.23-0.23机墩63.8945.9915.24 3.46 2.510.830.190.140.04 4.36-4.31风罩42.3222.948.91 2.27 1.250.480.120.070.030.22-0.22
表10 半数磁极短路工况厂房各典型部位的最大动力响应值表
位置
位移/μm速度/（mm/s）加速度/(m/s2)应力/MPa
X Y Z X Y Z X Y Zб
1б
3
发电机层楼板18.997.96 6.65 1.110.430.360.060.020.020.11-0.11母线层楼板22.1012.16 6.66 1.200.660.360.070.040.020.19-0.19水轮机层楼板10.54 4.75 4.220.570.260.230.030.010.010.23-0.23蜗壳外混凝土8.22 4.1 3.900.440.220.210.020.010.010.13-0.13机墩31.4026.2010.34 1.70 1.210.560.090.080.03 1.85-1.83风罩17.9111.657.160.970.630.390.050.030.020.13-0.13
部位是机墩，这是因为机墩是直接承受水轮发电机组荷载的位置。额定工况下各结构最大位移为11.93μm，最大速度为0.65mm/s，最大加速度为0.035m/s2，最要表现在水平方向。在空载工况下，最大位移为8.32μm，z方向上最大加速度为0.025m/s2，最要体现在铅直方向上。在两相短路工况下，
最大位移为63.89μm，最大速度为3.46mm/s，x方向最大加速度为0.19m/s2，主要体现下水平方向。在半数磁极短路工况下，最大位移为31.4μm，最大速度为1.7mm/s，x方向最大加速度为0.09m/s2，主要体现在水平方向。
4 结语
1）通过对围岩弹性抗力系数、围岩对厂房的约束条件、混凝土物理力学参数对厂房整体结构自振频率的影响分析，可以得出：通过加强围岩与厂房之间的连接作用，可以增强厂房的刚度，从而提高厂房的基频，增加与振源频率的错开度，避免发生共振。混凝土的弹性模量和泊松比的变化对厂房自振频率和振型影响较小，混凝土弹性模量增加10%，厂房自振频率增加都在5%内。
2）计算了4种工况下厂房各部位的动力响应，计算表明在不同的荷载组合作用下，厂房各部位的动力响应呈现不同的规律。额定工况、两相短路工况、半数磁极短路工况下地下厂房结构各部位的动力响应主要是以水平向为主，铅直向的相对较小，而在空载工况下，铅直向的动力响应较水平向的动力响应要大。厂房各部位中机墩是动力响应最大的部位，在设计中要特别加强重视。
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家用电器销售
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