长江科学院院报

长江科学院院报 >

2025 , Vol. 42 >Issue 9: 174 - 184

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240698

水工结构与材料

抽水蓄能电站厂房振动问题分析及对策

  • 王胜军 , 1 ,
  • 张飞 , 2, 3 ,
  • 赵毅锋 2 ,
  • 任绍成 4 ,
  • 李刚 5
展开
  • 1 国网新源集团有限公司,北京 100052
  • 2 国网电力工程研究院有限公司,北京 100069
  • 3 国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院,北京 100761
  • 4 中国水利水电科学研究院,北京 100038
  • 5 中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024
张 飞(1983-),男,山东枣庄人,正高级工程师,硕士,主要从事抽水蓄能机组性能测试与评价研究。 E-mail:

王胜军(1970-),男,湖北武汉人,正高级工程师,主要从事抽水蓄能电站建设与管理研究。E-mail:

Copy editor: 任坤杰

收稿日期: 2024-07-02

  修回日期: 2024-08-29

  网络出版日期: 2025-01-02

基金资助

国家电网公司总部科技项目(5419-202243054A-1-1-ZN)

收起

Analysis and Solutions for Powerhouse Vibration in Pumped Storage Power Stations

  • WANG Sheng-jun , 1 ,
  • ZHANG Fei , 2, 3 ,
  • ZHAO Yi-feng 2 ,
  • REN Shao-cheng 4 ,
  • LI Gang 5
Expand
  • 1 State Grid Xinyuan Group Co., Ltd., Beijing 100052, China
  • 2 State Grid Electric Power Engineering Research Institute Co., Ltd., Beijing 100069, China
  • 3 Pumped Storage Technology and Economic Research Institute of State Grid Xinyuan Holdings Company Ltd., Beijing 100761, China
  • 4 China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China
  • 5 Power China Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China

Received date: 2024-07-02

  Revised date: 2024-08-29

  Online published: 2025-01-02

Fold

摘要

随着我国双碳战略的实施,抽水蓄能在新型电力系统中的地位愈加突显,而抽水蓄能机组引发厂房振动问题亦备受关注。总结分析了我国张河湾、黑麋峰、广州抽水蓄能电站在运抽水蓄能厂房振动案例的振源识别及其控力、错频和补强3种典型解决方法;梳理了目前广泛采用的两种厂房结构设计方案—厚板连续墙结构与板梁框架结构特点;基于厂房与机组振动控制案例,提出了结构振动测量的测点布置方案,明确了厂房结构振动测试方法与安全评价标准。研究成果对提高抽水蓄能电站厂房结构设计水平具有重要指导意义。

关键词： 抽水蓄能; 厂房振动; 厚板连续墙结构; 板梁框架结构; 振动测试; 安全评价

本文引用格式

王胜军 , 张飞 , 赵毅锋 , 任绍成 , 李刚 . 抽水蓄能电站厂房振动问题分析及对策[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(9) : 174 -184 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240698

Abstract

[Objective] With the implementation of China’s dual-carbon strategy, pumped storage has become increasingly important in the new-type power system dominated by renewable energy resources. As the operating intensity of pumped storage units continues to increase, vibration problems of pumped storage powerhouses have become increasingly common. It is necessary to summarize solutions to vibration problems in operating pumped storage power stations and units to guide the design of future stations. [Methods] This study presented the identification of vibration sources and solutions to vibration issues of pumped storage power stations in Zhanghewan, Heimifeng, and Guangzhou. Two widely used structural design schemes for pumped storage powerhouses—thick-plate continuous wall structure and plate-girder frame structure—were presented, with a discussion of their advantages and disadvantages. Based on the actual cases, the layout of vibration measurement points for both the powerhouse and the unit was provided. Test methods and evaluation indicators were established for powerhouse vibration. [Results] Three typical methods for alleviating vibration in the powerhouse and pumped storage unit were proposed: controlling the energy generated by hydraulic excitation sources, staggering the frequencies between stationary parts and hydraulic excitation sources, improving the local or overall stiffness of structures. For structure stiffness and vibration resistance, the thick-plate continuous wall structure and plate-girder frame structure showed no significant difference. For the measurement and calculation of powerhouse vibration, more attentions should be paid to individual structural components to prevent local resonance with hydraulic excitation sources. [Conclusion] Both the thick-plate continuous wall structure and plate-girder frame structure can be widely used for pumped storage power stations, depending on specific engineering requirements. The natural frequencies of overall and local powerhouse structures should maintain a frequency deviation of 20% from hydraulic excitation source frequencies. If the vibration velocity is used as an evaluation indicator, the maximum vibration values should be less than 10 mm/s on the powerhouse floor and 5 mm/s in the pit. This study provides important guidance for improving the structural design of pumped storage power stations in China.

Key words： pumped storage; powerhouse vibration; thick-plate continuous wall structure; plate-girder frame structure; vibration testing; safety evaluation

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

大力发展抽水蓄能电站是服务碳达峰、碳中和目标的重要支撑[1]。随着我国新型电力系统建设加快推进,抽水蓄能电站发展迈入了快车道。根据抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年),到2025年抽水蓄能电站投产规模达6 200 万kW以上,到2030年投产规模达1.2 亿kW左右[2]。截止2023年年底,我国已投运49座抽水蓄能电站,投产规模5 094 万kW,在建109座抽水蓄能电站,装机容量14 922.1 万kW,在运与在装机容量均居全球首位。统计近15 a抽水蓄能电站投产总装机容量见图1所示。
图1 我国近15 a抽水蓄能电站投产总装机容量

Fig.1 Total capacity of pumped storage put into operation over the past 15 years in China

随抽水蓄能机组投运容量快速增加,机组运行强度也在不断增大。截止2023年年底,我国风电装机4.37 亿kW、太阳能装机6.1 亿kW,风电、光伏等新能源装机不断增速[3]。十三五期间,我国相继建成了大规模示范应用的高压直流输电工程,包含±500、±660、±800、±1 100 kV等各等级电压,电力系统电力电子化不断发展[4]。随着电力系统向“高比例可再生能源接入、高比例电力电子设备应用”演进,抽水蓄能在保障大电网安全、促进新能源消纳、提升全系统性能中将发挥更加重要作用[5],2023年全国抽水蓄能机组的利用小时数已>2 500 h。
抽水蓄能机组普遍采用双机式、大容量、高转速机组,且其吸出高度低。由于机组引水流道长、高压侧压力高、转轮设计偏向径流式,致使转轮进口和活动导叶之间的无叶区空间受到限制,由水泵水轮机高频率强幅值压力脉动及其谐波在导水机构流道、蜗壳流道和压力钢管中传播、干涉与叠加引起机组及厂房出现振动、噪声等稳定性问题[6]。国内外多个抽水蓄能电站出现机组效率降低、厂房结构发生剧烈振动,甚至局部结构破坏从而影响电站正常运行。在机组转轮疲劳破坏方面,Egusquiza等[7]报道了一抽水蓄能电站机组转轮上冠断裂;胡爱军等[8]提到西龙池1号机组叶片进水边曾出现多次裂纹;袁寿其等[9]对我国已建抽水蓄能电站机组振动问题进行了详细综述。在电站厂房振动破坏方面,广州抽水蓄能电站一期厂房主机间的发电机层、中间层、水轮机层楼板先后出现裂纹[10];张河湾电站改造前在发电工况下厂房楼板出现强烈振动并引发严重噪声[11];宜兴电站3号机组过速、甩负荷试验时发生严重的小开度共振[12];黑麋峰电站在调试期间即出现机组转速波动大、并网困难及过渡过程工况振动、压力脉动大等问题[13]。
水流压力脉动引起的结构共振是抽水蓄能电站厂房破坏的主要原因之一[14],如张河湾、蒲石河等电站的无叶区压力脉动传递至厂房导致局部共振。当结构固有频率与振源频率接近,且振源有持续能量输入时,极易引发厂房局部振动,同时引发噪音问题,造成厂房内人体舒适度显著下降,给运维人员造成一定的职业卫生伤害。
目前,关于抽水蓄能电站厂房振动的测试方法与评价指标研究鲜有报道。鉴于此,本文分析了3座典型抽水蓄能电站的厂房振动及其耦发振动的振源识别与解决方式,梳理了典型厂房结构设计方案,给出了国内抽水蓄能电站的振动水平,明确了厂房振动测试方法与评价指标,可应用于后续抽水蓄能电站建设。

1 典型案例分析

1.1 张河湾抽水蓄能电站

张河湾电站厂房结构为厚板连续墙结构,分缝型式为两机一缝。自2008年投入运营以来,该电站出现了系列振动问题:厂房内强烈振感和噪声引起电站内工作人员不适、楼梯柱出现贯穿性裂缝、发电机层楼板局部装修层脱开、厂房内管路系统频发裂纹、厂房内仪器设备损坏等[15-16]。为查明原因,张河湾电站开展了一系列监测试验,对上机架、下机架、顶盖等处振动,上导、下导、水导等处摆度,蜗壳进口、无叶区、尾水锥管等处压力脉动,以及发电机层、母线层、水轮机层、蜗壳层楼板及立柱振动进行了全面测量,试验覆盖变转速、变励磁、变负荷以及开机、停机、甩负荷等工况。同时,采用锤击法对厂房局部固有频率进行测量。测试结果表明引起异常强振的主要原因是:无叶区100 Hz压力脉动频率与厂房机组间楼梯、厂房柱子等结构固有频率接近,进而引起局部共振[11]。为解决振动和噪声问题,张河湾电站分别于2017年、2019年、2020年、2021年先后完成了3、1、4、2号机组水泵水轮机转轮与活动导叶的更新改造工作,新转轮采用不改变水力振源振动频率、减小其幅值的方案。
改造前后转轮、导叶形状如图2所示,改造前后厂房母线层振动对比如图3所示。基于水泵水轮机固定部件不变进行机组改造,即顶盖不变、导叶分布圆直径D0不变。由图2可知,改造后机组,转轮叶片进水边径向深挖,无叶区宽度增加,水轮机叶片进水边直径D1减小,因此导叶分布圆直径比D0/D1增大,由原来1.167增至1.197,达到了减轻无叶区动静干涉的目的;泄水锥加长改善了泵工况的空化性能[17]。由图3可知,发电相同负荷工况下,改造后母线层厂房振动烈度平均降低了57%,其中,与机组相邻的第二象限CW09、第一象限CW10、第四象限CW11测点振动烈度由1.2、0.8、0.6 mm/s分别降低至0.3、0.2、0.3 mm/s,振动烈度降幅为75%、75%、50%,监测结果表明机组改造后厂房振动改善效果明显。
图2 张河湾抽水蓄能机组转轮与活动导叶结构改造前后对比

Fig.2 Structural layout of runner and movable guide vane of Zhanghewan pumped storage unit before and after rehabilitation

图3 张河湾抽水蓄能电站改造前后母线层厂房振动烈度分布[17]

Fig.3 Distribution of vibration intensity on busbar floor before and after retrofit of Zhanghewan pumped storage power station[17]

1.2 黑麋峰抽水蓄能电站

黑麋峰电站厂房结构为板梁框架结构,分缝型式为一机一缝。自2009年投产以来,该电站机组存在S区裕量不足导致水轮机工况机组转速波动大、并网困难(后通过增加非同步导叶解决);水轮机工况甩负荷需导叶延时关闭、球阀参与调节;过渡过程工况机组振动、摆度偏大[18-19];电站输水系统高压岔管上方山体存在环境振动等问题[20]。为探明异常振动原因,黑麋峰电站开展了变参数工况机组稳定性试验及厂房振动测试,对机组上机架、下机架、顶盖等处振动,球阀前后、无叶区、尾水锥管等处压力脉动,厂房发电机层、母线层、水轮机层及立柱振动进行了测试,试验工况涵盖变转速、变励磁、变负荷、水泵满载、水轮机工况甩负荷等工况。测试结果表明引起异常振动的主要原因是:无叶区动静干涉引发高频率、高幅值压力脉动,并通过输水系统传递至机组、厂房及周边环境。为改善水泵水轮机“S”特性、优化水力过渡过程特性、全面提高机组稳定性、降低土建结构及区域环境共振风险,2019年电站进行了水泵水轮机改造,新转轮采用改变水力振源振动频率、减小其幅值的方案,即更换转轮采用“6+6”长短叶片、优化导叶翼型但数量维持20 个不变。
改造前后转轮、导叶形状如图4所示,山腰居民楼、厂房及机组振动特性对比如图5所示。由图4可知,改造后,叶片数由9优化为6长6短,转轮改造思路与张河湾相同,叶片进水边径向挖深以降低无叶区压力脉动幅值,即在错频的基础上进一步降低压力脉动幅值;加长泄水锥提升泵工况的空化性能;对活动导叶翼型优化以提升S区裕量,为改善非同步导叶及大波动过渡过程性能奠定了基础。由图5可知,改造后,山腰居民楼3个方向振动加速度峰值显著降低,由0.82、0.93、0.80 m/s2降至0.20、0.21、0.47 m/s2;4号机组厂房及机组垂直测点振动幅值降低50%以上,发电机层、母线层、水轮机层和蜗壳层振动位移峰值由57、75、210、37 μm降至19、28、64、11 μm,机组上机架、下机架、顶盖垂直振动速度有效值由0.45、1.59、1.09 mm/s降至0.26、0.33、0.42 mm/s。监测结果表明机组改造后周边环境与机组厂房振动改善效果明显;机组运行稳定,全面解决了S区裕量不足引起的空载转速波动、限负荷运行、无叶区压力脉动大导致的机组、厂房与山体振动等问题。
图4 黑麋峰抽水蓄能机组转轮与活动导叶结构改造前后对比

Fig.4 Structural layout of runner and movable guide vane of Heimifeng pumped storage unit before and after rehabilitation

图5 黑麋峰抽水蓄能电站机组发电300 MW工况下改造前后振动幅值

Fig.5 Vibration amplitudes before and after rehabilitation under 300 MW generating condition of Heimifeng pumped storage power station

1.3 广州抽水蓄能电站

广州抽水蓄能电站(简称广蓄)一期厂房结构为板梁框架结构,分缝型式为两机一缝,施工阶段为满足先后投产需要,相邻厂房段增设施工缝。广蓄一期厂房于1994年投运,运行中发现局部厂房结构存在强烈振动,导致发电机层、中间层、水轮机层施工缝附近楼板、梁、柱牛腿、梁挑耳等处出现较集中的结构裂缝,其中梁柱系统普遍存在开裂现象,柱牛腿个别严重裂缝宽度达5 mm。
广蓄电站开展了主厂房结构振动测试,对厂房整体结构及板、梁、柱框架局部进行了模态测试,进行了主厂房结构动力特性(频率、阵型)和结构动力响应计算(动应力、动位移及加速度)。测试与仿真结果表明:广蓄一期厂房结构不存在影响结构正常使用的安全问题;厂房结构与机组强迫振动不存在共振问题[21];而厂房施工缝设置不合理、振动荷载与结构构造配筋不足,混凝土施工缺陷、楼板与梁刚度偏小及结构刚度整体不均匀等因素是裂缝出现的主要原因[22]。同时,发现广蓄一、二期厂房结构型式差异对其抗振性能影响较显著,二期厂房采用大柱、深梁和厚板结构,深梁与厚板紧密浇筑一体,有效提高了厂房结构刚度、整体性,增加了厂房结构的抗振性能;同时,机组频繁启停和多种复杂工况运行时,机组采用“一机一缝”布置,减少了相邻机组运行时干扰,降低了厂房结构局部疲劳损伤[23]。一、二期厂房相关照片见图6所示,其中图6(a)为一期厂房梁结构混凝土加固支撑照片。
图6 广蓄一、二期厂房结构

Fig.6 Structures of phase I and II of Guangzhou pumped storage power station

广蓄于2009年和2015年先后完成了一期地下厂房的结构修补与加固,对有裂缝的梁板部位灌注改性环氧树脂;在梁两侧及底部采用粘贴碳纤维布进行补强,设置钢箍板和钢肋板与楼板连接,有针对性地加强梁与楼板的连接,增加梁构件侧向刚度和抗弯拉、抗疲劳强度。改进后试验结果表明:厂房结构振源频率主要是水力脉动频率<5 Hz(低频)、机组转频8.33 Hz、转轮叶片与水力干涉频率58.35 Hz,厂房结构前五阶频率依次为16.49、20.10、22.31、26.40、28.40 Hz,厂房结构固有频率与振源频率错开度>20%[24],修复补强了混凝土结构缺陷,提高了结构承载能力,增加了抗振和抗疲劳强度,限制了结构裂缝进一步发展[25]。

1.4 小结

由以上案例分析表明,改善运行期抽水蓄能厂房振动的技术措施:一是控力,即控制激振源的作用力水平,通常无叶区压力脉动是主要的激振源;二是错频,通过2种方式实现错频,厂房整体或局部固有频率与机组主要激振源频率避开(标准要求与振源频率错开度≥20%);采用新的导叶与转轮叶片数组合,将激振源能量分散到不同的频段上;三是补强,通过增加振动异常部位的局部刚度或质量或刚度与质量同时增强的方式,提高结构的抗振性能。
考虑3个电站厂房均发生局部振动现象,在进行结构设计时,应同时计算分析转频动荷载作用下厂房结构振动反应、脉动压力等高频动荷载作用下厂房结构振动反应,重点研究高频动荷载对厂房局部结构的影响,尤其是楼梯、楼板和立柱等部位的振动反应。在进行结构设计时,应根据机组的特性和模型试验资料进行整体结构和单体结构的动力计算和抗振性能分析,重点研究单体结构抗振性能,避免发生共振的可能性。

2 抽水蓄能厂房结构典型设计方案

抽水蓄能电站厂房结构型式主要分为两类:一是厚板连续墙结构,二是板梁框架结构,如图7所示,表1汇总给出了我国40座在运抽水蓄能电站厂房结构型式。
图7 典型厂房结构

Fig.7 Typical powerhouse structures

表1 国内抽水蓄能厂房典型结构汇总

Table 1 Typical pumped storage powerhouse structures in China

板梁框架结构 厚板连续墙结构
电站名称 机组装机容量/MW 电站名称 机组装机容量/MW
广蓄 8×300 十三陵 4×200
天荒坪 6×300 琅琊山 4×150
桐柏 4×300 张河湾 4×250
泰安 4×250 西龙池 4×300
宜兴 4×250 呼和浩特 4×300
宝泉 4×300 溧阳 6×250
惠州 8×300 清远 4×320
黑麋峰 4×300 深圳 4×300
白莲河 4×300 琼中 3×200
响水涧 4×250 敦化 4×350
蒲石河 4×300 沂蒙 4×300
仙游 4×300 梅州一期 4×300
洪屏 4×300 阳江一期 3×400
仙居 4×375 荒沟 4×300
绩溪 6×300 丰宁 12×300
长龙山 6×350 文登 6×300
周宁 4×300 天池 4×300
金寨 4×300 蟠龙 4×300
厦门 4×350 阜康 4×300
永泰 4×300 清原 6×300
由表1可知,厚板连续墙与板梁框架结构各有20座电站厂房,占比均为50%,在任一电站2种厂房结构型式均可采纳,表明两种结构型式都可以满足机电设备布置需要。结合图7可以看出,厚板连续墙结构,厂房发电机层以下各层楼板采用厚板结构,板厚度1 m左右,板内设暗梁,四周边墙为混凝土连续墙,机组段之间设结构缝,结构缝两侧为结构柱,楼板由混凝土连续墙、结构柱和蜗壳、机墩、风罩混凝土结构支撑,其整体稳定性和抗振性能强,可与上下游边墙成大范围锚固,楼板结构简洁,可有效提高利用空间,有利于楼层顶面电缆桥架和通风管路的敷设,方便楼板混凝土浇筑,减少模板用量;板梁框架结构,厂房发电机层以下各层楼板采用框架结构,板厚0.5 m左右,梁高1.5 m左右,四周边墙为梁、柱结构,机组段之间设结构缝,结构缝两侧为结构柱,楼板由梁、结构柱和蜗壳、机墩、风罩混凝土结构支撑,相对于厚板连续墙结构,其混凝土用量低,经济适用,受力明确,楼板大孔洞周边局部刚度较大,便于边墙围岩排水。需要指出,2种结构型式虽然存在楼板和边墙的差异,但均不影响厂内设备布置的标准化。
丰宁电站厂房结构型式在设计阶段提出了厚板连续墙结构和板梁框架结构2种厂房结构型式,针对2种厂房结构型式分别开展了结构固有振动特性分析、机组振动荷载作用下和脉动水压力作用下结构动力响应分析[26],表2给出了2种典型结构型式下厂房整体与不同部位的固有频率。
表2 整体及单体结构固有频率计算结果对比

Table 2 Comparison of natural frequency calculation results between overall and individual structures

结构名称 厚板连续墙结构频率/Hz 板梁框架结构频率/Hz
发电机层楼板 25.23 20.26
母线层楼板 31.13 29.18
水轮机层楼板 41.97 34.11
母线层立柱 58.09 47.07
水轮机层立柱 66.02 56.29
蜗壳层立柱 42.30 41.80
风罩 43.28 34.88
机墩 40.62 34.74
母线层楼梯 25.37 27.68
水轮机层楼梯 25.38 28.42
蜗壳层楼梯 23.85 23.19
尾水管层楼梯 25.43 28.53
整体结构 19.58 16.06
计算结果表明:2种厂房结构的刚度和抗振性能基本相同;机组正常运行时,不会产生整体结构的共振;厂房楼板、立柱、风罩、机墩、蜗壳、楼梯等单体结构固有频率均高于整体结构。抽水蓄能机组转速为300~500 r/min,以9叶片转轮为例,其叶片通过频率范围在45~75 Hz之间,单体结构固有频率与机组的转轮叶片通过频率接近,在结构设计时,需重点研究单体结构抗振性能,避免发生局部共振。
厂房结构是机组的支撑结构,在机组运行时其振动是不可避免的,结构设计时,关键是将结构振动反应控制在合理范围内。张河湾、蒲石河、长龙山等电站仿真分析结果表明,流道内水压力脉动高频载荷作用下的结构位移小于机组转频等低频载荷作用下的结构位移,但结构加速度值大于低频载荷,这反映出高频载荷安全影响小于低频载荷,但其产生的振感和噪声明显高于低频载荷。因此,在结构设计时,应同时计算转频动荷载作用下厂房结构振动反应和脉动压力等高频动荷载作用下厂房结构振动反应,重点研究高频动荷载对厂房局部结构的影响,尤其是楼梯、楼板和立柱等部位的振动反应。按照抽水蓄能电站厂房结构振动的控制标准,进行结构的安全评估,将厂房结构振动反应控制在合理范围内。

3 振动测试与评价

3.1 抽水蓄能电站厂房振动测试

针对抽水蓄能厂房振动的研究主要采用现场振动测试和数值模拟2种方法。振动测试主要用于数学模型的验证[27]、振源特征识别[28]、振动异常诊断[17]等。通过抽水蓄能厂房振动测试可有效掌握抽水蓄能厂房振动实际水平和规律,结合数值模拟,明确振源特性和振动内在机理,评价厂房运行安全性。
抽水蓄能电站厂房测试包括变机组参数厂房振动测试和厂房局部结构自振频率测试。变机组参数厂房振动测试涵盖机组不同运行工况下的厂房振动测试,工况包括变转速、变励磁、变负荷及工况转换、大波动等;该试验目的是研究厂房在不同激励源下的振动特征,确定主要振源,全面了解和评价机组运行时厂房各结构振动水平。厂房局部结构自振频率测试是通过锤击法激励厂房局部结构以获得冲击响应,通过分析响应信号与冲击信号之间的关系,获得厂房局部结构自振频率。结合厂房结构激振源分析以及厂房振动响应分析,判断厂房局部结构是否发生共振。
考虑激振源耦合,变机组参数厂房振动测试常与机组振动、通流系统压力脉动测试同步实施。厂房振动测点主要布置于定子基础、下机架基础、风罩、楼板、立柱、梁、楼梯等,图8为张河湾电站厂房振动测点布置;机组测点主要布置于导轴承支架、推力轴承支架、定子机座、水轮机顶盖、主轴径向与轴向等;引水尾水系统测点主要布置于蜗壳进口、无叶区、尾水锥管等,测点布置如图9所示。机组振动与压力脉动测点布置参考文献[29]与文献[30]。
图8 张河湾电站厂房振动测点

Fig.8 Powerhouse vibration measurement points in Zhanghewan power station

图9 张河湾电站厂房机组测点

Fig.9 Unit measurement points in Zhanghewan power station

3.2 厂房振动评价

目前,关于抽水蓄能电站厂房振动评价和振动限值国内外尚无系统规定,《水电站厂房设计规范》(NB 35011—2016)[31]仅对圆筒式机墩的位移振幅及共振给出了限定条件:在振动幅值方面,标准组合时要求竖向振幅≤0.15 mm,水平横向与扭转振幅之和≤0.2 mm;在振动频率方面,机墩自振频率与强迫振动频率之差与自振频率的比值应>20%,或强迫振动频率与自振频率之差与机墩强迫振动频率的比值应>20%。需要指出,当前关于机墩控制标准仅基于其结构承载要求,比较简化;且当采用振动速度或者加速度对机墩结构进行评价时,该标准无明确要求。
考虑到振动位移通过振动速度进行一次积分或者振动加速度进行两次积分获得,因此可以通过振动速度或加速度积分后获得位移,从而间接实现机墩的评定。然而,采用积分方式获得振动位移易受传感器零漂导致的积分误差累积影响[32]。因此,直接采用相应传感器输出的速度值或加速值进行评价,其结果可靠性更高。抽水蓄能机组振动监测普遍采用振动速度传感器,在厂房结构振动标准——《建筑工程容许振动标准》(GB 50868—2013)[33]中也是基于振动速度值进行评价。
设备基础是工业厂房中承担机器作用力的主要结构,要求最大振动下仍能保证机器本身的正常运转。抽水蓄能电站厂房是工业厂房中的一种,设备基础的容许振动值应低于设备自身的振动值。《建筑工程容许振动标准》(GB 50868—2013)[33]规定:通用机械基础在时域范围内的容许振动值,功率>75 kW的基础振动应满足容许振动速度峰值<5 mm/s的规定;在厂房楼板方面,规定了交通振动对建筑结构影响在时域范围内的容许振动值,工业建筑楼面振动影响的振动速度最大值<10 mm/s。而针对抽水蓄能电站厂房楼板等部位振动尚无相关评价标准,为此,作者统计了国内在运17 个电站振动速度有效值与99%置信度下的振动速度最大值如表3所示。
表3 典型抽水蓄能电站实测振动速度有效值和99%置信度下的振动速度最大值

Table 3 Statistics of measured root-mean-square vibration velocity and maximum vibration velocity under 99% confidence in typical pumped storage power stations

序号 电站名称 振动速度有效值/
(mm·s-1)		 99%置信度下振动速
度最大值/(mm·s-1)
1 桐柏 0.8 2.1
2 天荒坪 0.2 0.5
3 宜兴 0.3 0.8
4 蒲石河 1.4 3.6
5 仙居 1.7 4.4
6 响水涧 0.5 1.3
7 仙游 2.2 5.7
8 洪屏 0.7 1.8
9 金寨 0.4 0.9
10 张河湾改造前 4.1 10.6
11 张河湾改造后 2.0 5.2
12 绩溪 0.5 1.4
13 白山 1.4 3.1
14 十三陵 3.6 8.4
15 黑麋峰(4#)改造后 0.2 0.6
16 丰宁(7#) 1.0 2.0
17 深圳 3.7 9.5
由表3可知,张河湾抽水蓄能电站改造前实测振动速度有效值和99%置信度下的振动速度最大值最大,其厂房楼板99%置信度下的振动速度最大值为10.6 mm/s,改造后最大值降至5.2 mm/s。抽水蓄能电站厂房楼板振动可以参考《城市居住区人民防空工程规划规范》(GB 50808—2013)给出的限值,即厂房楼板振动速度容许峰值<10 mm/s,当振动峰值<10 mm/s时,可以认定机组运行对厂房结构安全不会构成不利影响;当振动峰值≥10 mm/s时表明厂房结构的振动影响显著,有必要采取措施进行振动控制,避免厂房结构发生振动安全问题。当采用速度值评价机墩振动时,机墩振动速度容许峰值可取为<5 mm/s。除广蓄一期厂房和张河湾(改造前)电站,其他已投产电站振动基本均满足上述控制标准。整体来说,当前国内抽水蓄能电站厂房振动并未危及结构安全。
抽水蓄能电站厂房振动控制除满足生产要求外,尚需满足电站运维人员职业健康需求。目前,抽水蓄能厂房普遍依据《水电工程劳动安全与工业卫生设计规范》(NB 35074—2015)[34]、《水利水电工程劳动安全与工业卫生设计规范》(GB 50706—2011)[35],从厂房相应位置噪声角度提出了控制标准。在振动控制上,根据人体暴露于振动环境下的要求,相关国标建立了以加速度测量为基础的评价方法[36]。因此,整体上看,对水电工程振动和噪声已有相关国家与行业规范,这对抽水蓄能厂房振动和噪声的控制具有参考意义。但对抽水蓄能厂房振动和噪声控制还需要根据工程特点,从设备基础允许值控制、结构安全控制量、人体健康保护等方面进行标准研究和制定,弥补目前抽水蓄能厂房设计对于振动和噪声控制这一缺失。

4 结论

本文以案例型式总结了3座典型电站的振源识别及其解决方法,梳理了抽水蓄能厂房典型结构的特点;结合实际工程结构振动测点布置方案,明确了厂房振动测试方法与评价标准,初步形成了厂房与机组耦合振动的测评体系。主要结论如下:
(1)改善厂房结构振动的技术措施:一是控力,频率不变的情况下降低激振源相应频率分量的幅值(张河湾);二是错频,改变水力激振源的频率(黑麋峰由9叶片换为“6+6”长短叶片);三是补强,通过局部增强方法改变厂房结构的局部固有频率(广蓄一期厂房)。
(2)厚板连续墙结构与板梁框架结构各有特点,2种结构型式的结构刚度和抗振性能基本相同,可根据工程具体情况进行选择。
(3)厂房振动监测与抗振数值模拟应重点关注局部振动测量与分析;厂房整体、局部振动固有频率应与主要激振源频率≥20%的错频度。
(4)当厂房楼板振动采用速度值进行评价时,可按99%置信度下的振动速度峰值<10 mm/s控制;当机墩振动采用速度值进行评价时,可按99%置信度下的振动速度峰值<5 mm/s控制。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
周建平, 杜效鹄, 周兴波. 面向新型电力系统的水电发展战略研究[J]. 水力发电学报, 2022, 41(7):106-115.

(ZHOU Jian-ping, DU Xiao-hu, ZHOU Xing-bo. Study on Hydropower Development Strategy for New Power Systems[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2022, 41(7):106-115. (in Chinese))

[2]
国家能源局. 抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年))[EB/OL].(2021-09-17) [2024-05-10]

(National Energy Administration. Medium and Long-term Development Plan for Pumped Storage (2021-2035))[EB/OL].(2021-09-17) [2024-05-10] (in Chinese))

[3]
中国电力企业联合会. 2023—2024年度全国电力供需形势分析预测报告[EB/OL].(2024-01-30) [2024-05-10]

(China Electricity Council. Analysis and Forecast Report on Supply and Demand of National Electricity in 2023-2024[EB/OL].(2024-01-30) [2024-05-10] (in Chinese))

[4]
文劲宇, 孟沛彧, 向往, 等. 面向新型电力系统的直流输电换流器统一拓扑架构[J]. 新型电力系统, 2023(1): 84-98.

(WEN Jin-yu, MENG Pei-yu, XIANG Wang, et al. Unified High Voltage Direct Current Converter Topology Dedicated for New Power Systems[J]. New Type Power Systems, 2023(1): 84-98. (in Chinese))

[5]
刘泽洪. 新型电力系统建设与水电创新发展[J]. 新型电力系统, 2023, 1(2):105-115.

(LIU Ze-hong. New-type Power System and Innovative Development of Hydropower[J]. New Type Power Systems, 2023, 1(2):105-115. (in Chinese))

[6]
刘攀, 陈学力, 汪泉, 等. 高水头混流式水轮机的动静干涉与振动问题研究[J]. 水力发电学报, 2016, 35(3): 91-98.

(LIU Pan, CHEN Xue-li, WANG Quan, et al. Analysis of Rotor-stator Interaction and Vibration in High-head Francis Turbines[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2016, 35(3): 91-98. (in Chinese))

[7]
EGUSQUIZA E, VALERO C, HUANG X, et al. Failure Investigation of a Large Pump-turbine Runner[J]. Engineering Failure Analysis, 2012, 23: 27-34.

[8]
胡爱军, 田苗, 周鹏, 等. 浅谈西龙池抽水蓄能电站转轮裂纹分析与修复处理[C]// 中国水力发电工程学会.抽水蓄能电站工程建设文集. 北京: 中国水利水电出版社, 2021: 389-396.

(HU Ai-jun, TIAN Miao, ZHOU Peng, et al. Brief Discussion on Runner Crack Analysis and Repair Treatment at Xilongchi Pumped Storage Power Station[C]// China Society of Hydroelectric Power Engineering.Proceedings of 2021 Symposium on Engineering Construction of Pumped Storage Power Stations. Beijing: China Water & Power Press, 2021: 389-396. (in Chinese))

[9]
袁寿其, 方玉建, 袁建平, 等. 我国已建抽水蓄能电站机组振动问题综述[J]. 水力发电学报, 2015, 34(11):1-15.

(YUAN Shou-qi, FANG Yu-jian, YUAN Jian-ping, et al. Review on Vibration Problems of Power Units in Commissioned Pumped Storage Projects in China[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2015, 34(11):1-15. (in Chinese))

[10]
华丕龙, 吕小彬. 广州蓄能水电厂A厂地下厂房结构振动特性分析[J]. 广东水利水电, 2015(10):34-39.

(HUA Pi-long, LÜ Xiao-bin. Vibration Characteristics of the Structure of Underground Powerhouse of A Plant in GPSPS[J]. Guangdong Water Resources and Hydropower, 2015(10):34-39. (in Chinese))

[11]
路建, 胡清娟, 谷振富, 等. 张河湾抽水蓄能电站水泵水轮机动静干涉问题及处理[J]. 水电与抽水蓄能, 2019, 5(2): 82-86.

(LU Jian, HU Qing-juan, GU Zhen-fu, et al. Rotor-stator Interaction and Solutions of Pump-turbine in Zhanghewan Pumped-storage Power Station[J]. Hydropower and Pumped Storage, 2019, 5(2): 82-86. (in Chinese))

[12]
NENNEMANN B, PARKINSON É. Yixing Pump Turbine Guide Vane Vibrations: Problem Reso Lution with Advanced CFD Analysis[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2010, 12(1): 012057.

[13]
郑建兴, 刘平, 梁权伟, 等. 黑麋峰抽水蓄能机组国产化与水力优化总结回顾[J]. 水电与抽水蓄能, 2023, 9(2):87-98.

(ZHENG Jian-xing, LIU Ping, LIANG Quan-wei, et al. Review of Localization and Hydraulic Optimization for Heimifeng Pumped Storage Units[J]. Hydropower and Pumped Storage, 2023, 9(2):87-98. (in Chinese))

[14]
耿聃, 宋志强, 苏晨辉. 水力脉动对水电站机组及厂房结构的影响研究与振动控制综述[J]. 长江科学院院报, 2016, 33(10): 135-139.

DOI

(GENG Dan, SONG Zhi-qiang, SU Chen-hui. Review on the Impact of Hydraulic Vibration on Hydropower Unit and Hydropower House and Vibration Control[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2016, 33(10): 135-139. (in Chinese))

DOI

[15]
谷振富. 张河湾蓄能电站厂房减振降噪项目研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2014.

(GU Zhen-fu. Research on Vibration and Noise Reduction Project for the Powerhouse of Zhanghewan Pumped Storage Power Station[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2014. (in Chinese))

[16]
尹铫, 刘碧龙, 常道庆, 等. 张河湾蓄能电站厂房噪声与振动调查[J]. 噪声与振动控制, 2012(增刊1):157-160.

(YIN Yao, LIU Bi-long, CHANG Dao-qing, et al. An Investigation for Noise and Vibration of Zhanghewan Pumped Storage Station[J]. Noise and Vibration Control, 2012(Supp.1): 157-160. (in Chinese))

[17]
ZHANG F, LOWYS P, HOUDELINE J, et al. Pump-turbine Rotor-stator Interaction Induced Vibration: Problem Resolution and Experience[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2021, 774(1): 012124.

[18]
刘平. 黑麋峰抽水蓄能电站变参数工况机组及厂房振动试验分析[C]// 中国水力发电工程学会.抽水蓄能电站工程建设文集. 北京: 中国电力出版社, 2019: 232-236.

(LIU Ping. Vibration Analysis of Unit and Powerhouse for Heimifeng Pumped Storage Power Station in Load Variation Test[C]// China Society of Hydroelectric Power Engineering. Proceedings of Pumped Storage Power Station Construction. Beijing: China Electric Power Press, 2019: 232-236. (in Chinese))

[19]
李金伟, 欧阳金惠, 郑建兴, 等. 黑麋峰抽水蓄能电站引水发电系统区域环境振动研究[C]// “一带一路” 与中国水电设备——2018年水力机械信息网技术交流会论文集. 北京: 中国水利水电出版社, 2018: 228-234.

(LI Jin-wei, OUYANG Jin-hui, ZHENG Jian-xing, et al. Research on Ambient Vibration in Water Conveyance and Power Generation System Area of Heimifeng Pumped Storage Power Station[C]// Proceedings of the 2018 Technical Exchange Conference of Hydraulic Machinery Information Network:Belt and Road Initiative and China’s Hydropower Equipment. Beijing: China Water & Power Press, 2018:228-234. (in Chinese))

[20]
茹松楠, 周开涛, 郑晓东, 等. 抽水蓄能电站输水管道区域环境振动分析及减振措施[J]. 河北工程大学学报(自然科学版), 2024, 41(2): 86-94.

(RU Song-nan, ZHOU Kai-tao, ZHENG Xiao-dong, et al. Environmental Vibration Analysis and Vibration Reduction Measures in Water Transmission Pipeline Area of Pumped Storage Power Stations[J]. Journal of Hebei University of Engineering (Natural Science Edition), 2024, 41(2): 86-94. (in Chinese))

[21]
黄勇, 华丕龙, 宋一乐. 广州抽水蓄能电站A厂结构综合评估与加固处理研究与思考[J]. 水电与抽水蓄能, 2017, 3(4): 45-49.

(HUANG Yong, HUA Pi-long, SONG Yi-le. Research and Reflection on Comprehensive Evaluation and Reinforcement of a Storage Plant in GPSPS[J]. Hydropower and Pumped Storage, 2017, 3(4): 45-49. (in Chinese))

[22]
薛继乐, 段自力, 覃艳涛. 广州抽水蓄能电站A厂厂房结构裂缝成因分析[J]. 广东水利水电, 2017(12):22-26.

(XUE Ji-le, DUAN Zi-li, QIN Yan-tao. Analysison Structural Cracks of Plant a in Guangzhou Pumped Storage Power Station[J]. Guangdong Water Resourcesand Hydropower, 2017(12):22-26. (in Chinese))

[23]
何直. 广州抽水蓄能电站地下厂房结构型式对其抗振性能影响研究[J]. 水力发电, 2014, 40(11): 75-78.

(HE Zhi. Impact Study of Underground Powerhouse Structure Type on Its Vibration Resistance of Guangzhou Pumped Storage Station[J]. Water Power, 2014, 40(11): 75-78. (in Chinese))

[24]
周艳国, 何涛, 何直, 等. 广州抽水蓄能电站A厂厂房结构动力特性试验研究[J]. 水电与抽水蓄能, 2017, 3(4): 38-44.

(ZHOU Yan-guo, HE Tao, HE Zhi, et al. The Dynamic Characteristics of Pumped-storage Power Station Underground Powerhouse Structure Research in GPSPS[J]. Hydropower and Pumped Storage, 2017, 3(4): 38-44. (in Chinese))

[25]
苏鹏力, 华丕龙. 广州蓄能水电厂A厂地下厂房结构检测与加固方案设计[J]. 水力发电, 2016, 42(9): 64-67.

(SU Peng-li, HUA Pi-long. Structure Detection and Reinforcement Design of Underground Powerhouse in Guangzhou Pumped-storage Power Station Plant A[J]. Water Power, 2016, 42(9): 64-67. (in Chinese))

[26]
刘建, 伍鹤皋. 脉动压力谐响应和时程分析的差异性研究[J]. 长江科学院院报, 2014, 31(8): 93-97.

DOI

(LIU Jian, WU He-gao. Differences between Harmonic Response Analysis and Time-history Analysis of Pressure Fluctuation[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2014, 31(8): 93-97. (in Chinese))

DOI

[27]
王海军, 郑韩慈, 周济芳. 水电站厂房结构密集模态识别研究[J]. 水力发电学报, 2016, 35(2): 117-123.

(WANG Hai-jun, ZHENG Han-ci, ZHOU Ji-fang. Study on Modal Identification of Powerhouse Structures with Closely Spaced Modes[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2016, 35(2): 117-123. (in Chinese))

[28]
肖微, 刘国庆, 王伟, 等. 大型抽水蓄能电站地下厂房结构自振特性分析[J]. 中国水利水电科学研究院学报(中英文), 2024, 22(2): 138-148.

(XIAO Wei, LIU Guo-qing, WANG Wei, et al. Analysis of Natural Vibration Characteristics of Underground Powerhouse Structure in a Large Pumped Storage Power Station[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2024, 22(2): 138-148. (in Chinese))

[29]
GB/T 17189—2017,水力机械(水轮机、蓄能泵和水泵水轮机)振动和脉动测试规模[S]. 北京: 中国标准出版社, 2018.

(GB/T 17189—2017,Code for Field Measurement of Vibrations and Pulsations in Hydraulic Machines(Turbines,Storage Pumps and Pump-turbines[S]. Beijing: Standards Press of China, 2018. (in Chinese))

[30]
DL/T 2431—2021, 抽水蓄能电站过渡过程试验技术导则[S]. 北京: 中国电力出版社, 2022.

(DL/T 2431—2021, Technical Guide for Test of Hydraulic Transient Operation of Pumped-storage Plants[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2022. (in Chinese))

[31]
NB 35011—2016,水电站厂房设计规范[S]. 北京: 中国水利水电出版社, 2016.

(NB 35011—2016,Design Specification for Powerhouses of Hydropower Stations[S]. Beijing: China Water & Power Press, 2016. (in Chinese))

[32]
张飞, 梁廷婷, 陈刚, 等. 抽水蓄能机组状态在线监测中的振动信号积分方法[J]. 水电能源科学, 2023, 41(10):212-215.

(ZHANG Fei, LIANG Ting-ting, CHEN Gang, et al. Integration Method of Pumped-storage Unit Vibration Signal for Online Monitoring System[J]. Water Resources and Power, 2023, 41(10):212-215. (in Chinese))

[33]
GB 50868—2013, 建筑工程容许振动标准[S]. 北京: 中国计划出版社, 2013.

(GB 50868—2013, Standard for Allowable Vibration of Building Engineering[S]. Beijing: China Planning Press, 2013. (in Chinese))

[34]
NB 35074—2015, 水电工程劳动安全与工业卫生设计规范[S]. 北京: 中国水利水电出版社, 2016.

(NB 35074—2015, Code for Design of Occupational Safety and Health of Hydropower Projects[S]. Beijing: China Water & Power Press, 2016. (in Chinese))

[35]
GB 50706—2011,水利水电工程劳动安全与工业卫生设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2012.

(GB 50706—2011,Code for Design of Occupational Safety and Health of Water Resources and Hydropower Projects[S]. Beijing: China Planning Press, 2012. (in Chinese))

[36]
GB/T 13441.1—2007,机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第1部分:一般要求[S]. 北京: 中国标准出版社, 2007.

(GB/T 13441.1—2007, Mechanical Vibration and Shock-evaluation of Human Exposure to Whole-body Vibration: Part 1: General Requirements[S]. Beijing: Standards Press of China, 2007. (in Chinese))

Options
文章导航

/

〈 〉

*严禁使用本系统存储、处理、传输涉密信息*
版权所有 © 《长江科学院院报》编辑部
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司