水電站廠房結(jié)構振動分析及動力響應分析

由于動力和電氣系統(tǒng)的靈活性，從動橋系統(tǒng)到動態(tài)橋系統(tǒng)的調(diào)峰、頻率和旋轉(zhuǎn)時間的推移，需要更多的頻率轉(zhuǎn)換和負荷調(diào)理。在過渡過程中由于水輪機的流量和系統(tǒng)負荷的迅速改變,有可能促使壓力水管、蝸殼、水輪機轉(zhuǎn)輪及尾水管等產(chǎn)生相應的振動,從而使這些建筑物與設備遭受不同程度的損壞。而在所有的過渡過程中,機組起動過程對結(jié)構振動的影響最為明顯,這是因為在此期間,系統(tǒng)所產(chǎn)生的變化最大,壓力管道和設備所承受的動荷載最大,水流的不穩(wěn)定性也最為強烈。機組起動是一種使機組從靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)動,隨后使之升速到空載的過渡過程。與其它過渡過程不同,在起動過程中,流量、壓力等各種參數(shù)可能不只發(fā)生小幅度的數(shù)值變化,而是常會發(fā)生大幅度劇烈變化。研究機組的起動過程和在水電站設計運行中正確考慮這種過程,具有重大的實際意義。有很多已運行的工程就是因為開機過程中產(chǎn)生了較大的振動而影響正常的安全運行。但鑒于開機過程中荷載變化的復雜性甚至是某些變化因素的不可預見性等綜合原因,至今為止還很少見到有關開機過程中廠房結(jié)構的動力響應方面的研究。本文結(jié)合兩個大型工程的原型觀測資料,對開機過程中的各種荷載變化進行分析,提出計算開機過程廠房結(jié)構動力響應的一種較簡便的方法,可供工程運用參考。1導葉過程中振動的雙幅值圖1給出萬家寨大型水利樞紐工程3號機組開機過程機組主軸轉(zhuǎn)動的軸信號、軸扭矩、蝸殼進口壓力、尾水管壓力隨時間變化的過程線。從該開機過程線圖中可以看出測試開始第5秒導葉開啟瞬間,蝸殼進口壓力突然下降,隨之機組軸扭矩出現(xiàn),但初期沒有軸信號,表明機組并未開始轉(zhuǎn)動;隨著導葉的繼續(xù)開啟,軸扭矩增大,這時機組開始轉(zhuǎn)動。第18秒的蝸殼進口的壓力突然增大表明導葉開啟到一定位置后,開始回關,而此時尾水管中水壓變化正好與此相反,壓力突然下降。之后水壓變化趨于平穩(wěn),轉(zhuǎn)速信號開始變密,導葉再沒有較大幅度的開關操作,軸扭矩也逐漸平穩(wěn)。導葉開啟后的整個開機過程不論水壓脈動還是軸扭矩信號都有較明顯的脈動成分,但它們的最值都出現(xiàn)在導葉動作及機組轉(zhuǎn)速變化較大的時段。2003年11月~2004年1月,天津大學進行了黃河李家峽水電站真機試驗,對李家峽電站水輪發(fā)電機組及廠房結(jié)構正常運行工況及開停機過程進行了大規(guī)模測試。以2號機為例,圖2給出其開機過程中機組測試部分的頂蓋水壓脈動和下機架垂向、水平橫河向、水平順河向振動過程線,圖3給出廠房結(jié)構測試部分的機墩頂部三向振動過程線。與萬家寨3號機組的測試信號相似,李家峽2號機組頂蓋水壓脈動也是在開機的初始時段較大。下機架三個方向的振動規(guī)律基本相同,都是在水壓脈動較大的時段振動也較大,這說明開機時刻的不穩(wěn)定主要集中在此時段。同樣,廠房結(jié)構振動規(guī)律也與機組結(jié)構振動規(guī)律相近,最大值也發(fā)生在開機過程的初始時段。再來看李家峽2號機正常運行時各種工況下廠房結(jié)構不同測點的振動雙幅值最大值與開機過程中振動的雙幅值的比較(見表1)。從上表中可以看出開機過程中廠房結(jié)構產(chǎn)生了很大的振動,與穩(wěn)定運行工況相比,作為機組結(jié)構基礎的機墩部位水平兩向分別增大了272%和123%,垂向振動增大了71%,下機架基礎及風罩順河向振動也較大,發(fā)電機層樓板振動增幅較小。目前規(guī)范只規(guī)定了正常運行時水電站廠房機墩強迫振動的振幅應滿足的條件,還沒有規(guī)定開機過程中振動的限值。但能產(chǎn)生這么大的振動說明開機過程中的動荷載作用十分強烈,就算是目前廠房結(jié)構沒有發(fā)生明顯的破壞,但在多次啟動后也易造成結(jié)構的疲勞破壞。下面對開機過程中荷載的變化進行分析。2發(fā)電機振動機理水電站廠房的振動主要來自水輪發(fā)電機組的振動,而水輪發(fā)電機組的振動原因復雜,影響因素很多,其機理至今尚不十分清楚。開機過程中各種參數(shù)的變化更較一般過程復雜,所以為了方便工程上的應用,須做一些近似的處理。2.1軸向水推力實測機組起動之前導葉關閉,水輪機室與上游水流的聯(lián)系被阻斷,所以水輪機室內(nèi)的壓力主要體現(xiàn)為下游水位產(chǎn)生的壓力,此時產(chǎn)生的軸向力P1向上。而當導葉開啟后,水流沖擊導葉產(chǎn)生向下的軸向水推力。隨著導葉不斷開啟,軸向力P顯著地增大。軸向水推力的計算很復雜且不很精確,原型實測要測準軸向水推力也比較困難。為偏于安全起見,可對開機過程中的最大軸向水推力P2取設計軸向水推力值,那么軸向力的變幅為P2+P1。又開機過程中導葉開度處于變化狀態(tài),軸向水推力也一直處于變化狀態(tài)。軸向水推力的最大值,一般將出現(xiàn)在機組開始轉(zhuǎn)動點和導葉空載開度點之間。但對于不同的電站機組開機時導葉開度大小及其隨時間變化的規(guī)律未知,不便于采用時程分析的方法。所以對于軸向力的計算建議假設軸向力突然施加,即當作沖擊荷載來處理。2.2機組的轉(zhuǎn)動引起的摩阻力mf扭矩是指使轉(zhuǎn)動部分開始旋轉(zhuǎn)或阻礙旋轉(zhuǎn)的作用。首先來看水輪發(fā)電機組正常工作時轉(zhuǎn)動部分的運動方程式中:J——機組轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量;Mh——水輪機轉(zhuǎn)輪上的輸出水力矩;Mg——電機端作用于轉(zhuǎn)子上的電磁力矩;Mf——摩阻力矩(發(fā)電機風阻較小,機組阻力矩主要構成為推力軸承的機械阻力矩)。分析機械-結(jié)構耦聯(lián)體系的受力關系:根據(jù)作用力與反作用力原理,作用于轉(zhuǎn)子上的電磁力矩與作用于定子上的電磁力矩大小相等,方向相反。取發(fā)電機定子結(jié)構做受力分析,可知定子上所受的電磁扭矩與定子基礎作用給定子的扭矩相平衡,即定子所受的電磁扭矩由定子基礎所承擔。同理,推力軸承瓦面與鏡板之間產(chǎn)生的摩阻力主要通過下機架傳遞到下機架基礎。因此作用于廠房結(jié)構上的扭矩荷載為Mg與Mf。在機組起動過程中,發(fā)電機未并網(wǎng)前電流等于0,沒有電磁扭矩,所以機墩結(jié)構上所受的力矩為摩阻力矩。分析開機過程中扭矩的變化。隨著導葉開啟,水輪機轉(zhuǎn)輪上的水力矩Mh增大,但初始時刻機組并未開始轉(zhuǎn)動,如圖1萬家寨3號機開機過程線所示。當導葉開度a達到起動開度后,機組就開始轉(zhuǎn)動,并且隨Mh的增大而加速。機組轉(zhuǎn)動后,靜摩擦系數(shù)轉(zhuǎn)為動摩擦系數(shù),動摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的上升開始急劇下降,而后又有上升的趨勢,見圖4。從萬家寨的軸扭矩圖可以看出,軸扭矩上升到第一個峰值后,迅速減小,之后隨著轉(zhuǎn)速的上升又顯著增大。為了使機組轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速,起動過程中所需的最大水力矩Mh必須大于空載額定轉(zhuǎn)速下的阻力矩Mf,所以導葉的最大開度也要大于空載時的穩(wěn)定開度。達到最大力矩之后,隨著導葉的回關,軸扭矩逐漸減小。導葉回關到空載開度附近不再繼續(xù)關閉,而是來回調(diào)整,此時,扭矩也在平衡位置附近波動直至額定轉(zhuǎn)速完全建立起來。從圖1中的軸扭矩隨時間的變化過程中還可以看出機組轉(zhuǎn)動后出現(xiàn)了與轉(zhuǎn)速一致的扭振,但其值不大。推力軸承的摩阻力矩,在軸承尺寸一定的條件下與摩擦系數(shù)和軸承的荷載有關,即式中(G+Pz)——軸承荷載;G——機組轉(zhuǎn)動部分重量;Pz——軸向水推力;f——推力軸承摩擦系數(shù);r——推力頭工作面的當量半徑。但應用式(2)存在一些問題,最為重要的是推力軸承的靜摩擦系數(shù)不好確定。新老機組,甚至同一臺機組停機時間不同都會使靜摩擦系數(shù)產(chǎn)生差別。所以采用工程類比的方法確定扭矩。從萬家寨的測試結(jié)果上看,啟動最大扭矩與滿負荷時的扭矩相比占15%左右,李家峽機組滿負荷時的扭矩為32500kN·m,所以機組啟動過程中的最大扭矩為4830kN·m。將扭矩按照前面處理軸向力的方法處理,即也按照瞬時沖擊處理,但要注意的是與電磁扭矩所施加的部位不同,因為主要是機械摩阻力,所以不能施于定子基礎,而是要施加在下機架基礎上。2.3機組轉(zhuǎn)速及偏心距正常穩(wěn)定工況下運行時的不平衡力主要有轉(zhuǎn)動部分偏心所引起的離心力和不平衡磁拉力。而實際資料表明開機過程中的最大振動都出現(xiàn)在導葉初始動作的階段,此時并沒有電磁作用,所以不存在不平衡磁拉力。設:G——機組轉(zhuǎn)動部分的總重,單位用kN;g——重力加速度取9.81m/s2;e——機組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量偏心距,單位為m;n——機組的轉(zhuǎn)速,以r/min表示;機械離心力的計算公式為開機過程中轉(zhuǎn)速一直變化,最大轉(zhuǎn)速為機組的額定轉(zhuǎn)速,所以計算時n可取額定轉(zhuǎn)速。當機組轉(zhuǎn)速小于750r/min時,機組偏心距e可取(0.35~0.80)×10-3m,轉(zhuǎn)速愈大,e值愈小。除以上常見的不平衡荷載外,作者認為起動過程中的不平衡主要是由水流作用不均所引起。存在這種不均勻的原因是蝸殼內(nèi)壓力的不均勻與瞬時沖擊。其實蝸殼內(nèi)壓力的不均勻性在機組運行的非設計工況普遍存在。在設計工況下,蝸殼各斷面壓力基本均勻。但在小流量工況:蝸殼內(nèi)速度減小,葉輪出口絕對速度增加,蝸殼內(nèi)的流體能量增加,壓力分布從隔舌到蝸殼出口逐漸增加。大流量工況與小流量方向正好相反。水電站實測表明,蝸殼進口與尾部的壓力上升值相差懸殊。這表明沿導葉外周邊各點的壓力上升值與裝置水頭變化不等,水輪機軸對稱流動被破壞。至于混流式機組開機時的瞬時沖擊所引起的不平衡作用很少有文獻提及,筆者認為除蝸殼內(nèi)壓力不均導致水流對水輪機導葉沖擊力不均勻外,還有因為初始靜不平衡的存在使壓力到達轉(zhuǎn)輪葉片的時間不一致,所以作用不對稱,導致機組橫向擺動,從而產(chǎn)生作用于混凝土結(jié)構上的巨大沖擊力。以上兩種作用具體大小很難計算,粗略考慮利用開機時水擊產(chǎn)生的壓力變化最大值乘以蝸殼進口面積作為該壓力的大小,垂直于蝸殼進口及沿蝸殼旋轉(zhuǎn)90度的方向都有此作用。3有限元模型的建立建立三維有限元模型對廠房機墩組合結(jié)構進行計算,模型對尾水管,鋼蝸殼,墊層,機墩,風罩,發(fā)電機層和母線層的樓板、柱以及操作廊道等各種結(jié)構均進行了如實模擬。為了消除節(jié)點自由度不同的單元之間不能完全協(xié)調(diào)帶來的誤差,計算模型的各部分全部用三維塊體單元進行離散(見圖5)。按照前面所述的方法結(jié)合有限元整體模型進行計算,將計算與實測結(jié)果列于表2:可以看出計算值要比實測值大一些,這是因為所取荷載的幅值都是取其上限,并且作用方式都是按照瞬時作用,尤其軸向荷載,軸向水推力一般隨流量而增加,開機過程中流量較小,實際的軸向水推力可能不到設計軸向水推力的一半。雖然計算值與實測值有一些偏差,但考慮開機過程中的荷載變化與水流-機械-結(jié)構體系相互作用的復雜性,計算值與實測值相差不是很大,尤其是作為機組基礎的機墩頂部水平兩向計算結(jié)果與實測結(jié)果相差不多,都在20%以內(nèi)。4機組轉(zhuǎn)速上升方面的注意要點從上面對機組啟動過程中荷載變化與實測振動過程的分析,可以看出啟動過程受導葉開度變化規(guī)律的影響較大,導葉開度調(diào)整過快,水壓脈動值將會很高,不僅機組承受沖擊較大,而且由于在轉(zhuǎn)速上升快,接近額定轉(zhuǎn)速時的速度過大,也將造成同期困難。但如果導葉開度變化很慢,機組轉(zhuǎn)速上升太慢,延長到達額定轉(zhuǎn)速的時間,這對于經(jīng)常處于系統(tǒng)事故備用的機組來說是很不經(jīng)濟的。因此應該合理地選擇開機過程中的導葉動作規(guī)律,并且為了減小摩阻產(chǎn)生的扭矩需要注意在機組啟動前保證足夠的潤滑。除此之外,還應消減靜不平衡以減小啟動時的水平不平衡力。5結(jié)構動力響應的計算方法開機過程中水電站廠房結(jié)構振動強烈