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1、地下厂房机组支撑结构振动观测与分析 杜晓京 电力部、水利部北京勘侧设计研究院，L 0 0 0 2 4 I 内容提要】 抽水蓄能电站与常规电站不同之处在于其厂房多布置在地下， 机组转速高 容量大， 而且双向 运行，启 动频繁。因此，机组振动对周边混 凝土支撑结构影响较大 但 其影响程度难以掌握，目前， 设计人员在这方面缺乏经验。 本 文主要介绍+三陵抽水蓄能 电站机组混凝土支撑结构振动观测和分析，为后续抽水蓄能电 站的建设提供经验。 随着抽水蓄能电站的发展， 前言 为了获得更好的 经济效益，蓄 能机 组普遍朝着高 水头、 大 MW -r - EO网中担负调峰填谷作用， 启 动频繁， 双向 运行且
2、运 行工况复杂多变， 机组振动问题是 蓄能电站普 遍存在的问题。 长期的机组振动， 危及厂房 结构， 特别是机组支撑结 构的安全，同时也影响 各层楼板上的 机电辅助设备正常运行。 十 三陵抽水蓄能电站是一座在9 0 年代修建的大型抽水蓄能电 站，其水头高、容量大， 因此机组支撑结构的振动问题是厂房设计的主 要课题之一。 为了 尽可能 减少结构振动， 厂 内结构没有采 用常规的梁、 板、 柱结构，而在国内首先采 用厚 板结构， 其目 的之一就是为 了 加强机组支撑结构的强度。为了 验证厚板结构的实际效果， 进行了 结构振动观测设计， 拟在蜗壳、机墩、风罩周围 馄凝土结构和各层楼板内 埋设 观测仪
3、器，进行多方位的观测， 了解结 构振动的规律，校核结构发生共 报的叮a r .性。陆 4 泊， 、 2 0 N L x H 拎入 i A 行，报动观测 已 有初步成果， 基本h 可以反映出1 0 和2 机发电、 袖水等工 况下 机组支撑结构的振动特性。 ， . 厂 房结构布置及机组特性参数 为了研究厂房的振动问题， 首 先介绍卜 只 陵抽水蓄能电 站地( 厂房的结构布置和机组 振动控制参数。该电 站位于北京市昌平县 卜 三 凌风 景区内，总装机容量 8 0 0 M W 。 地下 式厂 房埋深约2 5 0 m ，开挖尺寸:长X宽Xit i = : 1 5 X - 3 x1 6 . 6 m o r
4、 - 房镶“ ” 字形布置，由西 向东依次为副厂房、 1 0 - 2 ， 机组段、 安装场、 3 ， ; 机 组段。 厂为 结构 在发电 机层以下由机 组周围大体积混凝土结构和边墙、楼板、楼梯Y . 成，发电 机层以匕 为吊 车梁柱系 统。 1 飞厂房结构布盆 ( 1 )楼板结构 布置 厂房自 下而上共分五层，除发电机层楼板厚 8 0 c m 夕 k ， 其它各层楼板均采 用1 0 4 c m 的厚 板。 楼板支撑在机组周围混凝士结构和四周边墙卜 ， 边墙自底板至发电机层楼板以 下为现 浇混凝 土结构， 厚度1 0 0 c m o因为边 墙先于 各层楼 板浇 筑， 所以 边墙浇筑时， 在各 层
5、楼板 底高 程设置连续式牛 腿， 用于支撑楼板。 机组周围大体积混凝 土结构与厂房 楼板 整体浇 筑。 ( 2 )机组周围大体积混凝土结构布置 四 台 机组周围 大体积混凝土结构的 布置形 式 相同 。尾水管 锥管 段管 顶部内 径1 . 9 6 m , 底部内 径2 . 5 2 m ,金属蜗壳在打半压下情况下浇筑外包混凝土， 使蜗壳与外包混凝土共同 一 5 9 一 双川二 洲即 卜 承担内 水压力。 机墩为圆筒式结构，内 径5 . 5 2 5 m , 外 径1 1 . 2 m ， 下部 与蜗壳 外包混凝 土固 结， 上部 连接风罩。 定子基础板位于 机墩顶部， 下机架 支撑在 机墩内 侧的
6、环形牛 腿上。 圆 筒形风罩内径 9 . 2 0 m ，外径1 1 . 2 0 m , 壁厚1 . O m ， 顶部与发电机 层楼板相连。 1 .2机组振动控翻今救 电 站装机为四台 混流可逆式水泉 水轮 机和发电电 动 机组. 主 机设 备由 美国V O I T H 公司 供货， 在 十 三陵抽水蓄能电 站水泵 水轮机、 发电电 动 机及 监控 系统 合同 中 对 机组振动 控制作了如下规定: ( 1 )顶盖垂直振动( 双振幅， 绝对值) : 正常运行工况:外侧不大于0 . 0 3 m m ，内侧不大于0 . 1 6 m m 。过渡工况:外侧不大于 0 . O 6 m m ，内侧不大于0 .
7、 2 7 m m v ( 2 )水导 轴承处轴的摆度: 正常 运行工况: 不大于0 . 1 8 m m ; 空载运行时: 不大于 0 . 4 m m ; 全甩负荷时: 不大于1 . O m m ; 过渡工况:不大于1 . O m m e 节岁 2 . 厂房振动观测 厂房结构振动观测分为两部分，一部分为动力观测，主要是观测机组支掩结构的频 率、 振型、 振幅和阻尼等、 另一部分为静力观测， 主 要是观 测蜗亮、 下机架和楼板等部位 的混凝土受力情况，振动观测仪器的埋设及数据整理由 北京院 科研所负贵。由 于1 . 2 . 与 3 . 了 机组段结构形式相同， 振动观 测仪器分别设置在1 机组段和
8、4 . 机组段，目 前 得到的侧 试数据均为广 、 2 : 机组运行时，1 机 组段内埋设仪器的输出 结果。 除结构振动观测以 外， 在2 机组投入运行后， 由 V O I T H 公 司负责对2 T L 进行了 一 系列机 组振动观测。 2 . 1结构振动观测仪器的布1 在1 机组段风罩、 机墩和楼板混凝土结构内共布置 3 2 组加速 度计 酮 亮 篡 下 机 架 和 定 子 基 础 等 受 力 复 杂 的 部 位 安 装 应 变 计 和 无 应 力 计 进行动力观测。在 用以监测7 昆 凝土结 构的应变情况。观测仪器布置详见下图。 _乙 几 -1 一书一 一-反二 二 认 ，J口 . 几刀
9、 ，洲加 H -紧 , , 石 力洲回训剧翻侧端 , Z - ， ，一 二 翻乙 c -r 艺 浏二 期 “ 薰 争枷努堆 一 气 、扮口 斗 共麟 一6 0 2 2 结构振劝现洲结果 北京院 科研所在1 . 2 ， 机组正 常运行 阶段 对埋设 在L . 机组段的 各测点 按设计要 求进行 观测，并归纳整理，得出以下结果。 2 . 2 . 1动力观洲结果 ( 1 )振动加速度的频谱分析及结构的固 有频率 通过对广 、 2 . 机组同时发电( 2 0 0 M W ) 和L . 机组单 独发电( 2 0 0 M W ) 两种典 型工况的1 9 2 条加 速度时程曲 线的功率谱分析， 得出以 下结
10、论: 在1 , 2 机组同时发电 时， 功率 谱能 量集中 在 4 H z ， 其次峰为 8 H z ， 再次 为1 2 - l 6 H z o I 饥组发电时，功率谱能量集中在8 H z , 其次峰为1 2 -1 6 H z o 0 1 2 -1 6 H z 为混凝土结构的自 振频率。为了证实这个判断， 利用1 . 2 机组2 0 0 M W 甩 负荷试验刚结束后引 起结构自由 振荡的加速度时程曲 线进一步做功率谱。 厂房功率谱能量 集中 在1 2 . 3 8 z 及1 2 -1 6 H z 之间，由 此证明，厂房结构的自 振 频率为l 2 . 3 H z o 厂房结构的阻 尼比 在 。 ，
11、 0 1 5 - - 0 . 0 2 之间。 ( 2 )机组正常运行下支撑结构的加速度反应 动力观测主要采用加速度计， 观测结果为 各测点垂向、 径向、 切向加速度值。 从随机 过程观点看， 加速度过程中的最大峰值是一个随 机量， 离散 性大， 而均方根值是表示振幅 大小 特征的一个统计性参数。 因此， 加速度观测结果用均方根值表示。 最大加速度值多数 在均方根值的3 倍左右。 在1 , 2 机组正常运行时监测了 5 种工况下机组支撑结构的加速 度， 各工况下加速度测 试结果见表 一1 ，根据观测数据， 在1 . 2 1 机组正常发电时， 可以 看出以 下几点规律: 5 种工 况下的 加 速
12、度反应以1 , 2 机 组同 时发电 2 0 0 .M W 工 况加速度反应最大。 结构振动的垂直、 径向、 切向三个分量有显著的差别。 机墩振动 一 般以径向 最大 切向次之， 垂直方向最小。 楼板振动是垂直方向城大，径向次之， 切向 最小。 结构振动沿高程分布也有差别，总的 趋势是高程 IF , 的较高程高的振动反应大 些， 说明水轮机的振动源较发电机的振动源大。也 说明在正常发电 的振动量级下结构没有 发生动力放大的现象。 表-15 种工况下振动加速度均方恨平均 值 工况 机墩结 构振动 如速度 均方根 平均值 楼板振 动加速 度均方 根 平 均值 c m / s 垂直径向仍向垂直径向切
13、向 扩 、 2 机组同时发电2 0 0 M W 工 1 . 了 92 0. 6 91 3 . 6 02 3 .t 0L 7. 6 31 2 . 4 3 1 机组抽水2 0 0 9 W 8 . 0 71 6 . 9 01 8 . 6 51 1 . 4 81 6 . 7 01 0 . 7 2 1 . 2 机组同时抽水2 0 0 M W 9 . 9 81 丁 . 7 71 : 3 . 3 91 3 . 6 41 6 . 7 99 . 2 7 广 、 2 . 机组同时发电1 5 0 M W 1 0 . 6 71 6 . 5 01 1 . 9 61 3 . 2 51 3 . 9 07 . 6 3 1 机
14、组发电2 0 0 M W 6 . 711 1 . 0 31 2 . 3 91 0 . 4 21 1 . 3 6 7 . 6 9 2 .2 . 2静力 观洲结果 从 应变计 观测结果来看. 应变 计组及无 应力 计 的 变化基本 是同 步的， 斜率变化 一致， 除随温度的 变化而变化外， 还随机组的运转和静沈 状态而变化， 这说明目 前阶段混凝土应 变主要 受温度和机组运转的影响， 观测结果略。 2 . 3机组振劝观洲 一 61 一 机组振动观测由V O T H 公司 负责。 根据观测报告，1 9 9 6 年6 月1 4 日 对2 : 机在发电和抽水 时测试了 项盖的加速度和轴的 摆度， 结果见
15、 表一 -2 - 3 。 根据观测结果. 项盖的振动是抽水 工况大于发电工况， 轴的摆度在发电1 0 0 0时最 大。 表一2摆度测试结果 第 一峰第 二峰 频率H z摆度 m :频率H z摆度 腼 发电工况 1 0 0 02 . 30 . 0 7 4 1 5 0 08 . 00 . 01 61 1 6 . 80 . 0 0 6 2 0 O M W8 . 10 . 0 2 91 1 6 . 80 : 0 0 9 抽水工况 7 4 . 5 %8 . 40 . 01 31 1 6. 80 , 01 0 注: 摆度为均方根值 表一3顶盖铡试结果 第一峰第二峰 频率H z加速度c m / s “频率H
16、 z加速 度c m / s 发 电 工 况 8 0 9 W1 1 7 . 51 4 4 . 35 06 0 1 0 0 01 1 7 . 51 6 6. 45 07 7 . 7 1 2 0 M W1 1 7 . 51 7 S . 45 08 5 . 2 1 4 0 01 1 7 . 51 6 3 . 45 09 7 . 6 1 6 0 M W1 1 7 . 51 8 6 . 75 01 1 0. 0 1 8 0 M W1 1 7 . 52 2 9 . 35 01 2 3 . 7 2 0 O M W1 1 7 . 53 0 9 . 45 01 3 8 . 9 抽水工况 7 4 . 5 %1 1 7 . 52 5 3 . 95 01 5 2 , 9 注 一 加 速 度为 均 方根 值 一 一一- 一 一 3 . 厂房振动分析 厂房振动的振源是机组， 而引 起机组振动的原因 主要可分为水力振动、电 气振动
