抽水蓄能电站地下厂房振因仿真分析.docx

抽水蓄能电站地下厂房振因仿真分析摘要：利用三维有限元分析方法对某抽水蓄能电站主厂房两台机组进行了动力特性及动力响应仿真分析研究。根据地下厂房整体自振频率、局部构件自振频率与厂房振动主频的错开度分析结果厂房的剧烈振动是由局部支撑构件在振源激励频率下发生共振引起的。通过对比现场试验振动加速度分布规律和有限元模型时间历程响应数值计算得到的振动加速度分布规律的对比分析发现引起厂房振动的主要水力振源为导叶后与转轮之间的压力脉动频率为2倍叶片过流频率（100Hz）。对该抽水蓄能电站的振因分析的研究结果为今后抽水蓄能电站设计阶段的抗振校核和运行阶段振动原因分析提供了参考。关键词：抽水蓄能电站；厂房；振动；振源位置；传递路径中图分类号：TV312文献标识码：A文章编号：16721683（2013）03007606相对于普通水电站抽水蓄能电站地下厂房具有孔洞多、空间结构复杂、整体和局部刚度差别大、围岩与厂房之间相互作用机理复杂等特点因此机组及厂房振动问题一直以来都是水电站建设和运行过程中非常关注的课题[1]围绕水电站厂房的振动问题也有不少研究成果。马震岳[2]等曾对蒲石河、宜兴、十三陵等抽水蓄能电站进行了整体振动预测及振动分析；欧阳金惠等也对三峡等大型水电站厂房进行了振动试验结果和振源分析；黄源芳[3]等则针对国内外原型水轮机运行过程中的水力、机械、电磁等问题进行了大量的调研和分析工作。过去研究人员对厂房振动的研究主要集中在普通水电站厂房近年来出现了一些针对抽水蓄能电站厂房振动的研究[4]取得了一些成果。但是已有研究主要针对的是电站厂房的设计阶段使用的分析方法也是根据规范采用的整体自振特性计算、共振复核和基于转频的动力时程分析因此研究目的是为了符合设计要求。而在抽水蓄能电站建成后运行的过程中或多或少地出现了一些振动问题其中尤以十三陵和广蓄一期问题较为突出。由于抽水蓄能电站一般布置为地下结构产生振动问题后减振措施的实施较为困难且代价较高所以必须准确地确定振源位置和振动传递路径为后期抗振减振措施提供必要的参考依据。本文结合某抽水蓄能电站在运行过程中厂房出现的高频振动问题对引起该厂房振动的水力振源位置、振动的传递方式及产生激振频率的原因进行深入的分析以期对抽水蓄能电站设计和振动特性分析提供一些合理建议。1工程概述某抽水蓄能电站电站安装4台单机250MW的机组额定水头305m额定流量94.1m3/s额定转速333.3r/min地下厂房位于水道系统尾部的微风化变质安山岩内围岩以II类为主。地下厂房洞室内自左至右依次为副厂房、主机间、安装场主机间发电机层以上为桥机工作空间桥机安装在牛腿上牛腿和围岩锚固牛腿受力向围岩进行传递。发电机层以下结构为现浇混凝土整体结构包括机组周围混凝土结构、四周边墙结构和结构柱与楼板结构。蜗壳四周外包混凝土三面临空在下游侧与岩石和边墙联成一体四周边墙结构为混凝土连续墙结构紧贴岩石面浇筑并用锚杆连接。2号机组段与3号机组段之间、主机间与安装场和副厂房之间均设有结构缝。电站机组采用悬式发电机和可逆式水轮机拆卸方式为上拆蜗壳采用充水保压的方式浇筑金属蜗壳和外围混凝土联合受力。目前该抽水蓄能电站在运行过程中出现了强烈的振动为此对机组和厂房进行了一系列的现场试验包括变负荷试验、变转速试验、变励磁试验、空载、抽水等。经过对试验结果的分析认为：（1）该抽水蓄能电站厂房振动主频为100Hz明显杂波含量很低；（2）已检测到的最大加速响应发生在发电机层楼板上大小为2.5g；（3）振源为水力因素引起的厂房振动。2研究思路与方法2.1研究思路本文利用三维有限元分析方法对某抽水蓄能电站主厂房两台机组进行了动力特性及动力响应仿真分析研究。思路如下：首先运用自振特性分析方法对整体结构进行了自振特性分析和共振复核针对薄弱构件运用“无质量”分析方法[5]将除分析外的构件作为无质量处理仅提供刚度进行自振特性计算和共振复核；进而采用谐响应分析方法由位移幅值进一步确定共振构件共振频率范围；同时将外荷载假定为简谐荷载运用时间历程分析方法[6]分析结构在高频荷载下的振动响应分布规律；最后结合水轮机参数和现场试验结果进行动力特性和现场测试的综合分析。2.2基本理论2.2.1自振特性分析方法根据最小势能原理可以导出结构动力学基本运动方程为：Ka（t）+C（t）+M（t）=Q（t）（1）式中：K、C、M分别为结构的刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵；a（t）、（t）、（t）分别为位移向量、速度向量和加速度向量；Q（t）为结构的外荷载矩阵。一般结构系统的阻尼对自振频率和