抽水蓄能电站地下厂房相邻机组段间振动的相互影响

抽水蓄能电站地下厂房相邻机组段间振动的相互影响

陈晓潇

山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司 山东 泰安 271000

摘要：大力发展抽水蓄能产业，设备选型设计是龙头。目前，设计领域采用了智慧型方案，并取得了一定的进步。但在设计后评价和再提升方面与抽水蓄能行业高质量发展的要求还存在一定差距。主要体现在:各抽蓄电站之间的设计同类化特征明显，未能充分体现各电站现场实际情况;设计—基建—生产—再设计的全寿命周期管理条块分割特征明显，未能充分实现各个环节之间的融通对耦和再提升再优化;设计标准和规范更新与国家和行业最新要求(如反事故措施等)方面还有一定的时滞效应，未能充分体现设计是本质安全的基础。本文总结了一座已投产15年的抽蓄电站在日常运维过程中发现的设备隐患和缺陷等，依据设备系统分类，选取了部分重要设备在设备选型方面的要点和优化方案，为在建和在运的抽蓄电站在设备选型设计和技术改造等提供参考。

关键词:抽水蓄能电站;脉动压力;振动;相互影响

引言

抽水蓄能电站将低负荷期的电能，通过抽水的方式以势能形式储蓄至上游水库，并在高负荷期将水排至下游水库进行发电，在调峰填谷、应急备用、调频调相等方面发挥了重要作用，经济效益和生态效益显著。相较于常规水电站，抽水蓄能电站具有高水头、高转速、双向运行的特点。因此，抽水蓄能电站振动问题较常规水电更为突出。众多研究人员对于抽水蓄能电站厂房结构振动展开以实验模态分析和有限元模态分析为主研究。

1计算模型和工况

1．1计算模型

以4#与5#机组段为研究对象，建立双机组段厂房结构有限元模型。两机组段间有5cm宽的防振缝，4#机组段位于左侧，上下游侧为立柱结构，5#机组段位于右侧，上下游侧为实体墙结构。模型顶部取至发电机层楼板高程，上下游实体墙结构、底部大体积混凝土和围岩紧密贴合，厂房结构底部及四周取90m范围的围岩，围岩四周和底部采用黏弹性人工边界进行模拟，黏弹性人工边界具有较好的精度。计算模型的总体坐标系以4#机组水轮机安装高程处机组中心为原点，垂直竖向为Z轴，向上为正;水平纵向为X轴，向左为正;水平横向为Y轴，向上游为正。厂房混凝土结构单元剖分见图1。表1给出了模型中的材料参数，其中蜗壳层以下采用C25混凝土，其余部位采用C30混凝土。

1.2有限元模型的边界条件

（1）模态分析：厂房底部设置固定约束，与基岩接触部位设置为弹性边界条件（抗力系数为80kg/cm3）；两厂房分缝处设置为自由边界。（2）谐响应分析：载荷主要为转轮不平衡激励以及导叶间动静态干涉引起的压力波动；计算模型约束条件与模态分析一致。将蜗壳内动静干涉产生的压力脉动加载于蜗壳壁面处，载荷幅值为10000Pa，厂房整体结构阻尼比取0.05。

1.3计算荷载和工况组合

计算中仅考虑了水轮机流道内的脉动压力，根据水轮机模型试验资料，4#和5#机组各选一个幅值较大的工况作为水轮机运行和水泵运行的代表工况。由于没有压力脉动的时间历程曲线，近似假设各测点处压力脉动为主频率下的简谐振动。经换算到的原型各测点的脉动压力幅值和频率。

2厂房谐响应分析结果

2.1 GA+BP人工神经网络

正演法计算得到的计算位移U应与实测位移Um相差最小，位移反演分析即求解数学规划中的最优化问题。洞室群施工过程中具有时空效应的映射f有着高度的复杂性和非线性，恰好神经网络能够根据对象输入与输出的数据直接建立模型，不需要对象的先验知识及复杂的数学公式推导，并且采用适当的训练算法就可以达到网络学习精度目标。BP网络是应用最广泛的神经网络，己被证明具有一个隐层的BP网络模型可以对任意非线性函数进行逼近，因而可用于非线性对象的建模。鉴于岩石力学问题的复杂性，BP算法误差空间是非线性、多极值的，易陷入“局部最优”。因此需借助遗传算法对网络结构和初始权值进行优化，将遗传算法的全局寻优能力与BP算法局部寻优能力有效结合起来。遗传算法是模拟达尔文的自然选择学说和自然界的生物进化过程的一种计算模型。采用简单的编码技术来表示各种复杂的结构，并通过对一组编码表示进行简单的遗传操作和优胜劣汰的自然选择来指导学习和确定搜索的方向。从初始种群出发，采用基于适应值比例的选择策略在当前种群中选择个体，使用杂交和变异来产生下一代种群。如此模仿生命的进化，一代代演化下去，直到满足期望的终止条件为止。

2.2Ⅴ级围岩

对圆形隧洞Ⅴ级围岩进行递进式强度折减，分析在各个强度折减系数下，圆形隧洞Ⅴ级围岩的塑性区变形特征及最大位移量的变化特征，确定安全系数，对隧洞稳定性做定量分析。(1)围岩塑性区变化情况在强度折减系数k为1．1、1．3、1．4、1．5的情况下，相较于Ⅲ、Ⅳ级围岩，在Ⅴ级围岩下隧洞的塑性区变化不够平缓，在岩体强度折减过程中，隧洞周围塑性变形区的范围随着强度折减系数的增大而逐渐增加;并且由于Ⅴ级围岩自身稳定性较差，在相同的强度折减系数情况下隧洞Ⅴ级围岩塑性变形区范围及变形速度整体上均明显大于前两种等级围岩。当强度折减系数k=1．5时，隧洞底拱处、两壁处塑性变形区发生明显的贯通现象，岩体稳定性迅速减弱。(2)最大位移量变化圆形隧洞Ⅴ级围岩在各个强度折减系数下，顶拱处最大位移量变化与边墙处最大位移量变化。

2.3绝缘优化方案

为彻底解决发电电动机定子端部绝缘方式的设计缺陷，决定将端部绝缘方式改为手包绝缘。该方案对定子端部线棒并接头绝缘工艺进行改进，将部分定子线棒并接头绝缘盒改为手包绝缘。如将所有绝缘盒改为手包绝缘，将缩短异相间线棒并头绝缘距离，造成安全隐患，因此将两相邻的绝缘盒中的一个改为手包绝缘，另一个仍使用绝缘盒，该绝缘盒灌注环氧材料填充。这样可以彻底解决爬电、相间短路问题。

结束语

建立了某抽水蓄能电站地下厂房模态与谐响应联合分析模型，研究了厂房结构自振特性及其在不平衡激力与动静干涉载荷作用下的振动特性，结果表明：（1）厂房整体结构的一阶模态频率范围为16.4～17.5Hz，与转轮转动频率、压力脉动频率及其二倍频存在一定差距，满足防共振错开度要求。（2）动静干涉压力脉动载荷下（75Hz）厂房立柱局部共振明显，其中水轮机层立柱振幅最大，最大振幅达0.76μm。（3）动静干涉压力脉动二倍频载荷下（150Hz）5号、7号与8号机组厂房振动最剧烈部位均出现在水轮机层楼板处，最大振幅达0.72μm，而6号厂房振动最剧烈处位于蜗壳层立柱，振幅达0.94μm。（4）虽厂房整体结构不会发生共振，但局部共振对厂房稳定性产生一定影响，建议对局部共振结构进行强度校核，避免厂房结构发生破坏。( 5) 单台机组运行时，流道脉动压力在相邻机组段楼板上激发的均方根加速度最大值为0． 133 m/s2。双台机组运行时，单台机组流道脉动压力造 成的相邻机组段楼板均方根加速度最大值的增量为 0． 003 m/s2，均方根加速度增幅最大值仅为0． 35%。 从振动加速度的角度而言，机组流道内的脉动压力 也不会对相邻机组段的结构振动产生明显的干扰。

参考文献

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