基于磁流變阻尼器的水電站廠房智能減振研究

蘇 超，楊 旸

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098)

0 引 言

抽水蓄能電站具有高水頭、高轉(zhuǎn)速、雙向運(yùn)轉(zhuǎn)、過渡過程復(fù)雜等特點(diǎn)，機(jī)組振動(dòng)誘發(fā)的廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題較常規(guī)電站更為突出，已成為廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一[1]。目前，我國建成運(yùn)行的多座抽水蓄能電站，均出現(xiàn)了不同程度的振動(dòng)問題[2-3]。激烈的振動(dòng)會(huì)損害廠房結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水電站不能完全發(fā)揮效益。磁流變阻尼器由于其耗能低、阻尼力大、響應(yīng)快、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為新一代土木工程結(jié)構(gòu)控制裝置，展現(xiàn)出了良好的運(yùn)用前景。目前磁流變阻尼器在土木工程方面，如橋梁、建筑、海洋平臺(tái)等得到了初步的運(yùn)用，取得了較好的減振效果[4- 6]；但目前還沒有被運(yùn)用在水電站廠房結(jié)構(gòu)的減振中。

本文針對(duì)抽水蓄能電站廠房振動(dòng)特點(diǎn)，提出了一種基于磁流變阻尼器的廠房結(jié)構(gòu)智能減振控制方法。通過對(duì)ABAQUS平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，并以某已建抽水蓄能電站為研究對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)廠房發(fā)電機(jī)層樓板進(jìn)行被動(dòng)控制和半主動(dòng)控制研究；研究結(jié)果為利用磁流變阻尼器進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)的減振控制研究提供了新的方法和依據(jù)。

1 基于磁流變阻尼器智能減振方法

1.1 抽水蓄能電站廠房智能減振控制方法

與常規(guī)水電站相比，在抽水蓄能電站在運(yùn)行過程中，水泵水輪機(jī)肩負(fù)著抽水和發(fā)電的功能；因此，抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)經(jīng)常通過開關(guān)機(jī)來轉(zhuǎn)換工況。而在這個(gè)過渡過程中，機(jī)組變化劇烈，水流流態(tài)復(fù)雜，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性影響劇烈[7]。針對(duì)抽水蓄能電站廠房振動(dòng)特點(diǎn)，本文提出了基于磁流變阻尼器的廠房結(jié)構(gòu)智能減振控制方法(見圖1)。當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到振動(dòng)響應(yīng)大于響應(yīng)閥值時(shí)，該方法通過控制器打開磁流變阻尼器對(duì)廠房進(jìn)行減振控制。當(dāng)振動(dòng)響應(yīng)小于響應(yīng)閥值時(shí)，控制器關(guān)閉磁流變阻尼器電流，從而讓廠房結(jié)構(gòu)度過振動(dòng)劇烈時(shí)段。

圖1 磁流變阻尼器廠房智能振動(dòng)控制方法

1.2 磁流變阻尼器及其力學(xué)模型

磁流變阻尼器是利用磁流變效應(yīng)工作的新型智能減振元件。其裝置簡(jiǎn)單、耗能低、響應(yīng)快、阻尼大、動(dòng)態(tài)范圍廣，可以通過電流來控制阻尼力；因此可以良好地與控制系統(tǒng)結(jié)合。即使在控制系統(tǒng)失效的情況下也可作為被動(dòng)控制器，具有較強(qiáng)的可靠性。

Bouc-Wen模型[8]能夠準(zhǔn)確地反映磁流變阻尼器在低速時(shí)的非線性性能和模擬磁流變阻尼器的滯回特性，且通用性強(qiáng)，易于數(shù)字化建模。因此，本文選用Bouc-Wen模型(見圖2)來建立磁流變阻尼器力學(xué)模型。

該模型阻尼力

(1)

(2)

圖2 Bouc-Wen模型示意

式中，α為與磁流變屈服應(yīng)力相關(guān)的模型參數(shù)；k0為彈簧剛度；F為磁流變減振器阻尼力；c0為磁流變材料屈服后黏性系數(shù)；x為磁流變阻尼器活塞和缸體的相對(duì)位移；z為滯變位移；n為曲線圓滑系數(shù)；x0為彈簧的初始變形；A，β，γ為常數(shù)，由磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)特性決定。

本文選用文獻(xiàn)[9]中美國LORD公司生產(chǎn)的RD- 8041-1MRD型磁流變阻尼器進(jìn)行減振控制研究，其Bouc-Wen模型

(3)

(4)

其中，α=143.80+14 37I；c0=0.85+2.79I。I為電流。因此，可以通過控制I來改變F的大小。本次選用的磁流變阻尼器最大輸入電流為1.0 A。

1.3 磁流變阻尼器減振控制方法實(shí)現(xiàn)

目前，對(duì)于磁流變阻尼器減振控制的理論研究，一般需要建立結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)微分方程和狀態(tài)方程，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解。對(duì)于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)的微分方程和狀態(tài)方程難以建立；因此無法對(duì)真實(shí)復(fù)雜的環(huán)境進(jìn)行有效模擬仿真。而采用ABAQUS對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真不需要建立系統(tǒng)的微分方程狀態(tài)方程；并且采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的振動(dòng)控制計(jì)算時(shí)，可以同時(shí)考慮材料非線性、幾何大變形等影響。因此，本文采用Bouc-Wen模型對(duì)磁流變阻尼器進(jìn)行建模，通過對(duì)大型有限元通用軟件ABAQUS進(jìn)行了二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了磁流變阻尼器的被動(dòng)控制和半主動(dòng)控制。

圖3 基于ABAQUS的磁流變阻尼器減振控制計(jì)算流程

(3)將控制力F通過全局變量COMMON塊傳入到子程序DLOAD中，從而將控制力F施加到相應(yīng)的控制區(qū)域。

(4)對(duì)每個(gè)增量步重復(fù)上述過程，直到程序結(jié)束。

1.4 磁流變阻尼器半主動(dòng)控制策略

半主動(dòng)控制兼主動(dòng)控制優(yōu)良的控制效果和被動(dòng)控制的簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了主動(dòng)控制需要大量能量和被動(dòng)控制調(diào)諧范圍窄的缺點(diǎn)。因此，半主動(dòng)控制具有較大的研究和運(yùn)用開發(fā)前景[10]。本文結(jié)合常用的簡(jiǎn)單Bang-Bang 控制算法[11]，對(duì)廠房進(jìn)行半主動(dòng)控制研究。 即

(5)

簡(jiǎn)單Bang-Bang算法主要操作為：當(dāng)結(jié)構(gòu)背離平衡位置振動(dòng)時(shí)，磁流變阻尼器向結(jié)構(gòu)施加最大的阻尼，即采用最大的電流；當(dāng)結(jié)構(gòu)向平衡位置振動(dòng)時(shí)，磁流變阻尼器向結(jié)構(gòu)施加最小阻尼力，即關(guān)閉電流。因此，簡(jiǎn)單Bang-Bang相當(dāng)于Passive-off和Passive-on控制，控制算法實(shí)際的主動(dòng)變阻尼力跳動(dòng)于這兩者之間。亦即，過大阻尼力的變化，會(huì)導(dǎo)致加速度的突變，但可以通過提高施加最小阻尼系數(shù)的電流來改善該情況。

2 工程實(shí)例

2.1 廠房模型及邊界條件

已知某已建抽水蓄能電站總裝機(jī)1 800 MW，安裝6臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的立軸單級(jí)混流可逆式水輪發(fā)動(dòng)機(jī)組；發(fā)電機(jī)機(jī)額定轉(zhuǎn)速是500 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速是725 r/min。本文選取4號(hào)機(jī)組段建立有限元計(jì)算模型(見圖4)來進(jìn)行地下廠房的模態(tài)分析和動(dòng)力響應(yīng)分析。模擬尾水管及其周圍混凝土、蝸殼及其周圍混凝土、座環(huán)、機(jī)墩、橫梁、上下游邊墻和立柱等。坐標(biāo)原點(diǎn)定在發(fā)電機(jī)層中心位置，坐標(biāo)系x方向?yàn)閺S房縱軸線方向；y方向?yàn)樯舷掠畏较颍粃方向?yàn)樨Q直向上。廠房結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。其中，廠房樓板、梁、柱子、機(jī)墩、風(fēng)罩、蝸殼外圍混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，其余部分混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。本文進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)減振控制時(shí)，邊界條件設(shè)置上下游圍巖與混凝土接觸面假定為彈性支撐，在接觸結(jié)點(diǎn)上施加彈性水平約束，圍巖彈模取E=10 GPa，相應(yīng)的單位彈性抗力系數(shù)為80 MPa/cm計(jì)算模型底部施加固端約束。

圖4 廠房整體網(wǎng)格模型

材料名稱靜彈性模量E/104 MPa重度γ/kN·m-3泊松比μ鋼20.610 078.00.300C25混凝土2.801 025.00.167C30混凝土3.001 025.00.167

2.2 廠房振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水電站廠房的振動(dòng)問題進(jìn)行了分析研究，對(duì)廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)中所涉相關(guān)的建筑、設(shè)備、儀器以及人體健康等的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了論證，提出了廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值[12-13]。本文根據(jù)國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)，并參照有關(guān)行業(yè)規(guī)范，擬以表2作為廠房建筑物允許振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)參考值。

表2 廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)

表4 廠房結(jié)構(gòu)各部位最大響應(yīng)

2.3 廠房結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行響應(yīng)分析，機(jī)組設(shè)備荷載見表3。通過計(jì)算各部位的振動(dòng)規(guī)律和強(qiáng)度，為采用磁流變阻尼器對(duì)廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振研究提供依據(jù)。表4給出了廠房結(jié)構(gòu)各部位的最大響應(yīng)結(jié)果，從表中可以看出，主廠房結(jié)構(gòu)的整體位移響應(yīng)較小，各部位振幅均小于0.2 mm。主廠房主要構(gòu)件各部位動(dòng)響應(yīng)均表現(xiàn)為豎直方向較大，水平方向較小。發(fā)電機(jī)層豎直向速度響應(yīng)值大于3.2 mm/s，且豎向加速度大于0.64 m/s2，在該短暫時(shí)間內(nèi)上述部位人體可能會(huì)有不舒適感。機(jī)墩豎向加速度大于1.0 m/s2，其余各部位速度、加速度響應(yīng)均滿足振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此發(fā)電機(jī)層樓板振動(dòng)較為明顯，其豎向速度和加速度均超過了廠房抗振標(biāo)準(zhǔn)值。

表3 機(jī)組設(shè)備荷載標(biāo)準(zhǔn)值 kN

2.4 發(fā)電機(jī)層樓板智能減振控制研究

磁流變阻尼器一般安裝在梁、柱上去控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。為了獲得更好的減振效果，磁流變阻尼器應(yīng)安裝在結(jié)構(gòu)響應(yīng)較大的區(qū)域；同時(shí)應(yīng)考慮使質(zhì)心和剛心盡量對(duì)稱原則，以及結(jié)構(gòu)空間使用的要求[15]。通過廠房結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，可知發(fā)電機(jī)層樓板在機(jī)組荷載作用下豎向振動(dòng)明顯，速度和加速度響應(yīng)超過了廠房振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。因此，基于磁流變阻尼器的安裝布置經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合發(fā)電機(jī)層樓板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取12個(gè)磁流變阻尼器對(duì)廠房發(fā)電機(jī)層樓板進(jìn)行減振研究，具體安裝位置如圖5所示。

圖5 磁流變阻尼器安裝位置示意

本節(jié)采用本文提出的抽蓄蓄能電站廠房智能減振控制方法，通過被動(dòng)控制Passive-off、Passive-on(I=0.5 A)和半主動(dòng)控制三種方法，對(duì)發(fā)電機(jī)層樓板進(jìn)行減振控制研究。表5給出了發(fā)電機(jī)層樓板整體最大響應(yīng)值，對(duì)于豎向位移，Passive-off、Passive-on、半主動(dòng)控制的響應(yīng)分別減小了0.27%、1.05%、1.39%；對(duì)于豎向速度，分別減小了3.75%和14.81%、15.43%；對(duì)于豎向加速度，分別減小了2.26%、11.71%、14.81%?？梢?，采用磁流變阻尼

表5 發(fā)電機(jī)層樓板整體最大響應(yīng)值

注：括號(hào)內(nèi)為減振效果，即(無控情況-有控情況)/無控情況。

器可以明顯減小發(fā)電機(jī)層樓板整體最大響應(yīng)。其中，采用Passive-on和半主動(dòng)控制進(jìn)行減振時(shí)，發(fā)電機(jī)層樓板的整體響應(yīng)減小到振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值以下。

為了更好地展現(xiàn)磁流變阻尼器的減振效果，本文選取了發(fā)電機(jī)層樓板的3個(gè)典型點(diǎn)。即，無控情況下的最大豎向位移響應(yīng)點(diǎn)、最大豎向速度響應(yīng)點(diǎn)和最大豎向加速度響應(yīng)點(diǎn)。表6給出了發(fā)電機(jī)層樓板典型點(diǎn)的最大響應(yīng)值，對(duì)于豎向位移最大響應(yīng)點(diǎn)，Passive-off、Passive-on、半主動(dòng)控制的響應(yīng)分別減小了0.27%、1.58%、2.34%；對(duì)于最大豎向速度響應(yīng)點(diǎn)，分別減小了3.75%和19.30%、31.15%；對(duì)于最大豎向加速度響應(yīng)點(diǎn)，分別減小了2.26%、11.85%、17.49%。圖6～8給出了3個(gè)典型點(diǎn)的時(shí)程曲線，從圖中可以看出，本文提出的磁流變阻尼

表6 發(fā)電機(jī)層樓板典型點(diǎn)的最大響應(yīng)值

注：括號(hào)內(nèi)為減振效果，即(無控情況-有控情況)/無控情況。

圖6 豎向最大位移響應(yīng)點(diǎn)時(shí)程

圖7 豎向最大速度響應(yīng)點(diǎn)時(shí)程

圖8 豎向最大加速度響應(yīng)點(diǎn)時(shí)程

器智能減振方法能有效減小結(jié)構(gòu)峰值區(qū)域的響應(yīng)。3種控制算法中，半主動(dòng)控制算法的減振效果最優(yōu)，被動(dòng)控制中Passive-on的減振效果優(yōu)于Passive-off。

3 結(jié) 論

(1)本文基于Bouc-Wen模型，提出了基于ABAQUS平臺(tái)的磁流變阻尼器減振的計(jì)算方法，該方法簡(jiǎn)單易行，只需通過控制磁流變阻尼器的電流和大小就能實(shí)現(xiàn)磁流變阻尼器的被動(dòng)控制和半主動(dòng)控制。

(2)本文基于抽水蓄能電站廠房振動(dòng)特點(diǎn)，提出了基于磁流變阻尼器的智能減振方法。該方法能夠有效減小廠房結(jié)構(gòu)的峰值響應(yīng)，發(fā)電機(jī)層的豎向速度和加速響應(yīng)有效減小到標(biāo)準(zhǔn)值以下。

(3)3種控制算法中，半主動(dòng)控制算法的減振效果最優(yōu)，被動(dòng)控制中Passive-on的減振效果優(yōu)于Passive-off。