1 引言

　　隨著抽水蓄能電站事業(yè)的迅猛發(fā)展，裝機(jī)容量、轉(zhuǎn)速和額定水頭等參數(shù)不斷增大。抽水蓄能電站具有抽水和發(fā)電工況變換頻繁的特點，易導(dǎo)致機(jī)組運行不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動問題。其廠房和機(jī)組結(jié)構(gòu)與常規(guī)水電站不同，且缺乏現(xiàn)場實測資料完善設(shè)計規(guī)范，因此廠房結(jié)構(gòu)振動問題研究更為緊要。

　　現(xiàn)有研究多采用現(xiàn)場試驗與有限元數(shù)值分析結(jié)合的方法，如彭濤對十三陵抽水蓄能電站 #1 機(jī)組廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動監(jiān)測，得出機(jī)械和水力振源為主要振源;王學(xué)謙等對比時程有限元法計算結(jié)果與現(xiàn)場實測值，發(fā)現(xiàn) 2 倍葉片過流頻率是主要水力振源;何直通過現(xiàn)場振動測試，發(fā)現(xiàn)廠房樓板采用厚板加深梁結(jié)構(gòu)可提高整體剛度。但現(xiàn)有研究缺乏機(jī)組開停機(jī)、甩負(fù)荷等瞬態(tài)工況的振動監(jiān)測。

　　本文依托某抽水蓄能電站實際工程，開展地下廠房結(jié)構(gòu)在發(fā)電、抽水開停機(jī)和不同出力甩負(fù)荷等瞬態(tài)工況下的動力特性監(jiān)測分析，旨在揭示廠房下部結(jié)構(gòu)振動能量傳遞路徑，完善抽水蓄能電站廠房結(jié)構(gòu)動力設(shè)計。

　　2 測試方案和測點布置

　　2.1 工程概況

　　某抽水蓄能電站地下廠房裝有 4 臺單機(jī)容量為 300MW 的立軸可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)正常轉(zhuǎn)速 375r/min、飛逸轉(zhuǎn)速 510r/min，水輪機(jī)固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉數(shù) 22 個，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù) 9 個，機(jī)組轉(zhuǎn)頻(6.25Hz)和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)頻率(56.25Hz)為主要激振頻率。

　　地下廠房從上到下依次為發(fā)電機(jī)層、母線層、水泵水輪機(jī)層、球閥廊道層，蝸殼層以下為尾水管層，三層樓板厚度均為 1000mm，為抗振相對薄弱部位。

　　2.2 測試工況

　　采集多種瞬態(tài)工況下的廠房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，具體工況如下：

　　序號測試工況名稱工況編號序號測試工況名稱工況編號

　　1#4 機(jī)組發(fā)電開機(jī)4FD-ON5#4 機(jī)組 25% 甩負(fù)荷4LS-25

　　2#4 機(jī)組發(fā)電關(guān)機(jī)4FD-OFF6#4 機(jī)組 50% 甩負(fù)荷4LS-50

　　3#2 機(jī)組抽水開機(jī)2CS-ON7#4 機(jī)組 75% 甩負(fù)荷4LS-75

　　4#2 機(jī)組抽水關(guān)機(jī)2CS-OFF8#4 機(jī)組 100% 甩負(fù)荷4LS-100

　　2.3 測點布置

　　#4 機(jī)組共布置 47 個測點，#2 機(jī)組測點主要布置在三層樓板結(jié)構(gòu)，分一～四象限布置。

　　發(fā)電機(jī)層：測點按象限分布于樓板結(jié)構(gòu)。

　　母線層：測點覆蓋上游側(cè)、下游側(cè)及各象限。

　　機(jī)墩風(fēng)罩結(jié)構(gòu)：包括風(fēng)罩頂部、機(jī)架基礎(chǔ)等關(guān)鍵部位。

　　3 各工況下廠房結(jié)構(gòu)振動特征分析

　　3.1 開、停機(jī)工況下廠房結(jié)構(gòu)振動特征分析

　　3.1.1 樓板結(jié)構(gòu)響應(yīng)幅值

　　對比 #4 機(jī)組發(fā)電開停機(jī)(4FD-ON、4FD-OFF)和 #2 機(jī)組抽水開停機(jī)(2CS-ON、2CS-OFF)工況下三層樓板各象限振動響應(yīng)峰值，結(jié)果如下：

　　發(fā)電開停機(jī)工況樓板振動加速度、速度和位移峰值均大于抽水開停機(jī)工況，說明發(fā)電瞬態(tài)工況為控制工況。

　　發(fā)電工況中，開機(jī)工況響應(yīng)峰值遠(yuǎn)大于關(guān)機(jī)工況;抽水工況中，開機(jī)工況響應(yīng)峰值小于關(guān)機(jī)工況，表明振動影響與機(jī)組啟閉動作密切相關(guān)。

　　三層樓板振動響應(yīng)峰值整體呈現(xiàn)水輪機(jī)層 > 母線層 > 發(fā)電機(jī)層，且三個振動指標(biāo)規(guī)律相近。

　　對照現(xiàn)行振動控制標(biāo)準(zhǔn)，三層樓板振動加速度、速度、位移峰值基本符合限值，僅水輪機(jī)層個別測點在 4FD-ON 工況下略超，推測因開機(jī)過程中某一頻率與樓板自振頻率接近產(chǎn)生共振，但持續(xù)時間短，對整體結(jié)構(gòu)無不利影響。

　　3.1.2 機(jī)墩風(fēng)罩結(jié)構(gòu)響應(yīng)幅值

　　#4 機(jī)組機(jī)墩風(fēng)罩結(jié)構(gòu)在開停機(jī)工況下的振動響應(yīng)顯示：

　　風(fēng)罩頂部和下機(jī)架基礎(chǔ)振動加速度、速度和位移基本

　　符合現(xiàn)行振動控制標(biāo)準(zhǔn)建議限值，但個別點及定子基礎(chǔ)振動加速度和速度響應(yīng)值超限，最大加速度達(dá)一定數(shù)值。由于開停機(jī)工況持續(xù)時間較短，廠房整體結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)很快趨于穩(wěn)定。

　　發(fā)電開機(jī)工況下機(jī)墩振動響應(yīng)值明顯大于關(guān)機(jī)工況，且機(jī)墩風(fēng)罩結(jié)構(gòu)各部位振動響應(yīng)幅值分布規(guī)律與樓板結(jié)構(gòu)類似，說明發(fā)電開機(jī)過程中推力軸承承受的脈動荷載可能占主要成分，產(chǎn)生的振動能量更大。

　　3.2 甩負(fù)荷工況下廠房結(jié)構(gòu)振動特征分析

　　3.2.1 樓板結(jié)構(gòu)響應(yīng)

　　50% 及以下甩負(fù)荷工況時，發(fā)電機(jī)層、母線層、水輪機(jī)層三層樓板各方向振動加速度峰值基本符合標(biāo)準(zhǔn)建議限值;75% 及以上甩負(fù)荷工況下，部分測點振動加速度峰值超限，其中 100% 甩負(fù)荷工況母線層和水輪機(jī)層樓板各象限各方向振動加速度峰值基本均大于 10m/s²，水輪機(jī)層因距離蝸殼更近，受水流脈動影響最為明顯。

　　三層樓板振動加速度峰值整體呈現(xiàn)水輪機(jī)層 > 母線層 > 發(fā)電機(jī)層;水平方向上，母線層和水輪機(jī)層以第一象限振動響應(yīng)突出，發(fā)電機(jī)層以第二象限突出。

　　各甩負(fù)荷工況下，所有測點振動位移峰值均未超過 0.2mm，表明樓板結(jié)構(gòu)抗振性能良好，未出現(xiàn)明顯損傷開裂。

　　3.2.2 機(jī)墩風(fēng)罩結(jié)構(gòu)響應(yīng)

　　機(jī)墩風(fēng)罩結(jié)構(gòu)振動加速度峰值隨甩負(fù)荷值增大而增長，風(fēng)罩頂部、定子基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)在 75%、100% 甩負(fù)荷工況下均超過 10m/s²，因這些結(jié)構(gòu)是振動能量傳遞的主要路徑，對振動更敏感。

　　各結(jié)構(gòu)部位振動加速度峰值排序為定子基礎(chǔ) > 下機(jī)架基礎(chǔ) > 風(fēng)罩頂部，說明振動響應(yīng)主要從與推力軸承連接的機(jī)墩風(fēng)罩結(jié)構(gòu)向外傳遞，部分從蝸殼座環(huán)向混凝土傳播。

　　各甩負(fù)荷工況下，振動位移峰值整體小于 0.2mm，僅定子基礎(chǔ)部分工況超限，反映廠房結(jié)構(gòu)整體抗振能力較好。

　　3.3 各瞬態(tài)工況下廠房結(jié)構(gòu)振動特征比較分析

　　第一象限各層樓板、機(jī)墩風(fēng)罩在 6 個瞬態(tài)工況下的豎向振動加速度峰值變化趨勢一致，數(shù)值上表現(xiàn)為 100% 甩負(fù)荷 > 75% 甩負(fù)荷 > 發(fā)電開機(jī) > 50% 甩負(fù)荷 > 25% 甩負(fù)荷 > 發(fā)電關(guān)機(jī)。

　　100%、75% 甩負(fù)荷工況振動能量巨大，部分部位振動響應(yīng)超過行業(yè)規(guī)范建議值(加速度 > 10m/s²)。

　　100% 甩負(fù)荷工況出現(xiàn)概率低，但引起的振動最強烈，單次損傷可能更嚴(yán)重;開停機(jī)工況振動響應(yīng)雖未達(dá)最大，但長期操作可能形成累積損傷，需關(guān)注其對廠房結(jié)構(gòu)長期運行安全的影響。

　　4 結(jié)論

　　瞬態(tài)工況下廠房結(jié)構(gòu)各典型部位振動響應(yīng)峰值明顯大于穩(wěn)態(tài)工況，振動響應(yīng)峰值大小規(guī)律為定子基礎(chǔ) > 下機(jī)架基礎(chǔ) > 風(fēng)罩頂部。

　　機(jī)組開停機(jī)的動作順序及持續(xù)時間對振動響應(yīng)影響顯著，可通過短暫間歇性開停機(jī)動作和延長工況操作時間控制瞬時振動能量幅值。

　　100% 甩負(fù)荷工況下廠房結(jié)構(gòu)振動最強烈，最大振動加速度可達(dá) 30m/s² 以上，易造成沖擊性損傷，建議日常運行盡量避免該工況，若發(fā)生需及時巡檢關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位，排除安全隱患。

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