王 靈,王 波

(華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院,北京 東燕郊 065201)

0 引言

豐寧抽水蓄能電站位于河北省承德市豐寧縣內(nèi),其裝機(jī)容量、儲(chǔ)能能力和地下廠房規(guī)模均為世界第一。豐寧抽水蓄能電站機(jī)組具有高水頭、高轉(zhuǎn)速、高動(dòng)力、抽水與發(fā)電工況頻繁轉(zhuǎn)換及多機(jī)組交叉運(yùn)行的特點(diǎn),其機(jī)組振動(dòng)比常規(guī)水電站的機(jī)組振動(dòng)更加顯著、復(fù)雜[1]。因此,豐寧抽水蓄能電站的機(jī)組振動(dòng)特性,是評(píng)估豐寧抽水蓄能電站機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)重要的指標(biāo)之一。

針對(duì)上述問(wèn)題,諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究,向明[2]針對(duì)黑麋峰抽水蓄能電站機(jī)組的振動(dòng)、擺度偏大的振動(dòng)問(wèn)題,開(kāi)展了機(jī)組與區(qū)域環(huán)境振動(dòng)聯(lián)合測(cè)試研究工作,確定了其振源傳播的路徑;郭德昌[3]為研究裝有不同轉(zhuǎn)速機(jī)組的相鄰機(jī)組段廠房在水壓力的作用下,其振動(dòng)相互影響的機(jī)理;張永會(huì)[4]對(duì)白山抽水蓄能電站6號(hào)機(jī)組在機(jī)組運(yùn)行的四類(lèi)暫態(tài)工況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試,分析得到了水導(dǎo)擺度及頂蓋振動(dòng)的時(shí)域與頻域特性;Guo Wenchen[5]基于整體傳遞矩陣,研究了兩臺(tái)機(jī)組共用一條隧洞的抽水蓄能電站時(shí)的水力-機(jī)械耦合振動(dòng)性能。結(jié)果表明:水力-機(jī)械耦合振動(dòng)由9階振動(dòng)疊加而成,液壓參數(shù)和機(jī)械參數(shù)會(huì)影響特定的振動(dòng)階次,改變其穩(wěn)定性;Zhang Hao[6]提出了一種將液壓系統(tǒng)與機(jī)組系統(tǒng)耦合的多機(jī)組抽水蓄能系統(tǒng)暫態(tài)模型,并對(duì)某抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn),抽水蓄能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的分析表明:改變導(dǎo)葉的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以改善抽水蓄能系統(tǒng)的暫態(tài)性能;Li J W[7]以張河灣抽水蓄能電站廠房局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動(dòng)為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)主要激振源和局部結(jié)構(gòu)自振頻率的分析,闡明了廠房結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動(dòng)的原因;薛石平[8]利用數(shù)值模擬的研究方法,系統(tǒng)地研究了機(jī)組振動(dòng)荷載和流道脈動(dòng)壓力作用下,相鄰機(jī)組段廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)的相互影響的規(guī)律,得到很多有益的結(jié)果;羅宗成[9]對(duì)可能引發(fā)抽水蓄能電站機(jī)組水力振動(dòng)因素進(jìn)行了逐個(gè)分析總結(jié),并就不同角度提出了工程上的應(yīng)對(duì)措施;童恩飛[10]基于諧響應(yīng)法分析了在脈動(dòng)壓力作用下及各種工況機(jī)組動(dòng)荷載作用下,瓊中抽水蓄能電站地下廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng),并提出了適用于該下廠房的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn);陳晨[11]建立了某抽水蓄能電站地下廠房的一種動(dòng)力分析模型,基于強(qiáng)耦合方法,將聲場(chǎng)理論運(yùn)用到有限元計(jì)算中,對(duì)比計(jì)算了廠房整體結(jié)構(gòu)在干濕模態(tài)下的振動(dòng)特性的差異,并對(duì)地下廠房整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了諧響應(yīng)分析計(jì)算,得到了水力脈動(dòng)在干、濕模態(tài)下對(duì)廠房的影響;陳婧[12]利用有限元數(shù)值模擬的研究方法,研究了洪屏抽水地下廠房廠房固有振動(dòng)頻率并對(duì)其地下廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了共振校核,同時(shí)利用動(dòng)力時(shí)程分析法計(jì)算了下廠房結(jié)構(gòu)在水輪機(jī)壓力脈動(dòng)作用下的振動(dòng)反應(yīng),最后結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范,對(duì)其振動(dòng)特性加以評(píng)價(jià)。

以上研究具有廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值,但在研究機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題時(shí),對(duì)機(jī)組在瞬態(tài)工況和穩(wěn)態(tài)工況的機(jī)組振動(dòng)性能的研究較少。深入研究以上兩類(lèi)工況下機(jī)組振動(dòng)特性,有利于研判機(jī)組在各類(lèi)工況下的振動(dòng)規(guī)律,對(duì)于保障抽水蓄能電站長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

本文以豐寧抽水蓄能電站1#機(jī)組為研究對(duì)象,選取1#機(jī)組發(fā)電機(jī)上機(jī)架、水輪機(jī)頂蓋、和尾水管為測(cè)點(diǎn),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了在發(fā)電開(kāi)機(jī)、發(fā)電停機(jī)、抽水開(kāi)機(jī)、抽水停機(jī)、穩(wěn)態(tài)抽水和穩(wěn)態(tài)發(fā)電六種工況下機(jī)組在廠房橫向、廠房縱向和廠房豎向的振動(dòng)加速度幅值,得到了不同工況、不同振動(dòng)加速度下的機(jī)組振動(dòng)規(guī)律。

1 豐寧抽水蓄能電站機(jī)組參數(shù)

豐寧抽水蓄能電站地下廠房?jī)?nèi)總共安裝 12 臺(tái)單機(jī)容量300MW的大功率發(fā)電機(jī)組,是目前世界上在建容量最大的抽水蓄能電站項(xiàng)目。一、二期工程各安裝6臺(tái)300MW的可逆式水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)具有周調(diào)節(jié)性能。發(fā)電機(jī)層以下為整體澆筑混凝土結(jié)構(gòu),分為 6 層,自上而下分別為發(fā)電機(jī)層、母線層、水輪機(jī)層、蝸殼夾層、蝸殼層、尾水管層。機(jī)組布局采用采用一機(jī)一縫的結(jié)構(gòu)型式,安裝場(chǎng)和主廠房之間、副廠房與主廠房之間設(shè)有結(jié)構(gòu)縫,機(jī)組基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組基本參數(shù)

機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況時(shí),機(jī)器可靠安全的運(yùn)行要求振動(dòng)加速度應(yīng)該控制在一定限值之下,此限值是與可接受的動(dòng)載荷和機(jī)器有足夠裕度的徑向間隙相適應(yīng)的,此限值稱(chēng)機(jī)組安全值,通常認(rèn)為振動(dòng)在安全值內(nèi)的機(jī)器可以無(wú)限制地長(zhǎng)期運(yùn)行,根據(jù)文獻(xiàn)[13]的規(guī)定:轉(zhuǎn)速為428r·min-1的水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組的機(jī)組安全值為0.68～1.18m/s2;機(jī)組瞬態(tài)啟動(dòng)/關(guān)閉時(shí),其安全值為穩(wěn)態(tài)是安全值的2～4倍,即為1.36～4.72m/s2。

2 地下廠房振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)工況與測(cè)點(diǎn)

2.1 振源測(cè)試設(shè)備

本次測(cè)試使用的加速度傳感器為SCA620型電容性加速度傳感器,如圖1(a)所示,量程為0.12g或者1.2g,2.5V對(duì)應(yīng)零點(diǎn),靈敏度0.01V/g,0.5～4.5V輸出,具有靈敏度高、測(cè)試穩(wěn)定等特點(diǎn)。SCA620型電容性加速度傳感器是通過(guò)間隙的改變來(lái)獲得可變電容,再對(duì)電容量進(jìn)行測(cè)定而后得到機(jī)械振動(dòng)參數(shù)的。SCA620型電容性加速度傳感器內(nèi)具有四個(gè)基本元件,即傳感器板、振蕩器、觸發(fā)電路和輸出端,如圖2所示。待測(cè)物體和傳感器板構(gòu)成了振蕩器反饋電路。當(dāng)物體和傳感器板靠近時(shí),反饋電容出現(xiàn);當(dāng)大電容出現(xiàn)時(shí),就會(huì)開(kāi)始振蕩,物體越遠(yuǎn)離傳感器尖端時(shí)振蕩幅度降低,而靠近時(shí)幅度增加。觸發(fā)電路感應(yīng)振蕩水平并得以控制,從而改變輸出端開(kāi)關(guān)裝置的狀態(tài)。輸出端輸出觸發(fā)電路的電信號(hào),并最終由信號(hào)分析系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)分析。

圖1 SCA620型電容性加速度傳感器

圖2 傳感器工作原理示意圖

每個(gè)振動(dòng)傳感器在測(cè)定實(shí)驗(yàn)前,需進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法采用比較標(biāo)定法,如圖3所示。將被標(biāo)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)振傳感器“背靠背”安裝在振動(dòng)臺(tái)上。標(biāo)定時(shí),分別測(cè)出被標(biāo)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)振傳感器的輸出電壓值Ua和U,若標(biāo)準(zhǔn)測(cè)振傳感器的加速度靈敏度為Sa0,則被標(biāo)傳感器加速度靈敏度Sa為:

圖3 比較標(biāo)定法示意圖

Sa=Sa0·U/Ua

(1)

頻率響應(yīng)的標(biāo)定,在振幅恒定條件下,改變振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率,測(cè)出傳感器輸出電壓與振動(dòng)頻率的關(guān)系,即幅頻響應(yīng)。比較被標(biāo)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出信號(hào)間的相位差,可得傳感器的相頻特性。

動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試儀為東華DH-5922N多通道振動(dòng)測(cè)試與模態(tài)分析儀,如圖4所示,該系統(tǒng)融合了電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域先進(jìn)的技術(shù),具有高性能、高精度、適配性強(qiáng)、安全可靠的特點(diǎn),每臺(tái)計(jì)算機(jī)可控制多通道以上同步并行采樣,滿(mǎn)足多通道、高精度、高速動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量需求可以廣泛用于各類(lèi)振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)驗(yàn)。動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)各部件串連圖如圖5所示,三個(gè)加速度傳感器通過(guò)電荷適配器連接于同步時(shí)鐘盒三個(gè)接口處,通過(guò)同步時(shí)鐘盒對(duì)加速度傳來(lái)的電信號(hào)進(jìn)行相位同步,保證所有通道的同步采樣,同步后的電信號(hào)通過(guò)同步時(shí)鐘線連接到動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試儀三個(gè)通道中,經(jīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試儀解調(diào)后,最終傳至計(jì)算機(jī)中,將采集實(shí)時(shí)保存與硬盤(pán)當(dāng)中,方便后續(xù)研究。

圖4 DH-5922N多通道振動(dòng)測(cè)試與分析儀

圖5 動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)各部件串連圖

2.2 地下廠房測(cè)試工況

抽水蓄能電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性相對(duì)普通水電站有著更復(fù)雜的特點(diǎn)。抽水蓄能電站在發(fā)電和抽水時(shí),功率相對(duì)穩(wěn)定,廠房結(jié)構(gòu)能夠以相對(duì)穩(wěn)定頻率和振幅進(jìn)行持續(xù)的穩(wěn)定振動(dòng);在電站開(kāi)/關(guān)機(jī)時(shí),由于機(jī)組在瞬間獲取/釋放巨大能量,廠房結(jié)構(gòu)會(huì)在瞬時(shí)產(chǎn)生振幅值較高的振動(dòng)。抽水蓄能電站地下廠房結(jié)構(gòu)布局較為復(fù)雜,同時(shí)由于抽水蓄能電站生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)方式不同于普通電站,機(jī)組需進(jìn)行頻繁開(kāi)、關(guān)機(jī),使得其振動(dòng)特性更加復(fù)雜多變,對(duì)地下廠房結(jié)構(gòu)抗震能力提出更高要求。針對(duì)以上特點(diǎn),選取穩(wěn)態(tài)發(fā)電、穩(wěn)態(tài)抽水兩種穩(wěn)態(tài)工況和發(fā)電開(kāi)機(jī)、發(fā)電停機(jī)、抽水開(kāi)機(jī)、抽水停機(jī)四種瞬態(tài)工況作為地下廠房振動(dòng)測(cè)試工況,見(jiàn)表2 。

表2 測(cè)試工況

2.3 地下廠房測(cè)點(diǎn)布置

豐寧抽水蓄能電站地下廠房震源主要為機(jī)械振動(dòng)和水力振動(dòng),其振動(dòng)傳遞途徑一般由機(jī)組振動(dòng)較為劇烈部位傳遞到機(jī)組混凝土支撐結(jié)構(gòu),再?gòu)闹谓Y(jié)構(gòu)傳遞到其他廠房結(jié)構(gòu),因此尾水管、水輪機(jī)組頂蓋、及機(jī)組上、下機(jī)架等振動(dòng)較為明顯的部位可認(rèn)為最適合的振源測(cè)試位置?；谝陨险裨礈y(cè)試點(diǎn)選取原則,對(duì)1#機(jī)組進(jìn)行振源測(cè)試,在1#機(jī)組的尾水管、水輪機(jī)頂蓋和發(fā)電機(jī)上機(jī)架各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn),對(duì)6種測(cè)試工況下,每個(gè)測(cè)點(diǎn)的三個(gè)振動(dòng)方向(廠房縱向、廠房橫向和廠房豎向)的加速度最大值和加速度平均值和進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量。根據(jù)以上機(jī)組振動(dòng)特性測(cè)試方案,每臺(tái)機(jī)組共布置9個(gè)SCA620型電容性加速度傳感器同時(shí)測(cè)量,分三次單獨(dú)測(cè)量,機(jī)組測(cè)點(diǎn)布局圖如圖6所示。

圖6 1#機(jī)組段振源測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置方案

3 地下廠房振動(dòng)特性結(jié)果與分析

3.1 振動(dòng)加速度平均值測(cè)試結(jié)果

振動(dòng)加速度平均值接近于振動(dòng)信號(hào)的能量值,它象征著振動(dòng)的破壞能力,是保證機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。設(shè)廠房橫向加速度為a1,廠房縱向加速度為a2,廠房豎向加速度為a3,取合加速度a為:

(2)

1#機(jī)組在各測(cè)試工況下,發(fā)電機(jī)上機(jī)架、水輪機(jī)頂蓋和尾水管三個(gè)測(cè)點(diǎn)在三個(gè)振動(dòng)方向(廠房橫向、廠房縱向、廠房豎向)及合加速度方向的機(jī)組振動(dòng)加速度平均值分如圖3所示。

由圖7(a)～(c)可知,1#機(jī)組工作時(shí),在相同工況下,發(fā)電機(jī)上機(jī)架在廠房縱向加速度平均值大于橫向和縱向加速度平均值,廠房縱向最大值0.29m/s2出現(xiàn)在抽水開(kāi)機(jī)工況,水輪機(jī)頂蓋橫向和豎向振動(dòng)加速度平均值較為接近,最大值0.670m/s2出現(xiàn)在抽水開(kāi)機(jī)工況;尾水管縱向加速度平均值顯著大于橫向和豎向振動(dòng)加速度平均值,最大值0.490m/s2出現(xiàn)在抽水開(kāi)機(jī)和抽水停機(jī)兩種工況下。

圖7 1#機(jī)組振動(dòng)加速度平均值

由圖7(d)可知,機(jī)組在穩(wěn)態(tài)發(fā)電、穩(wěn)態(tài)抽水兩種穩(wěn)態(tài)工況下,機(jī)組振動(dòng)加速度平均值在0.098～0.196m/s2之間,最大值0.157m/s2出現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)抽水工況;機(jī)組在發(fā)電開(kāi)機(jī)、發(fā)電停機(jī)、抽水開(kāi)機(jī)和抽水停機(jī)四種瞬態(tài)工況下,水輪機(jī)頂蓋振動(dòng)加速度平均值為發(fā)電機(jī)上機(jī)架和尾水管的2倍,抽水開(kāi)機(jī)工況時(shí)機(jī)組振動(dòng)加速度平均值最大,該工況下發(fā)電機(jī)上機(jī)架、水輪機(jī)頂蓋、尾水管加速度平均值分別為0.500m/s2、1.109m/s2、0.568m/s2;瞬態(tài)工況的振動(dòng)加速度平均值為穩(wěn)態(tài)工況加速度平均值的4～6倍,瞬態(tài)工況振動(dòng)較為劇烈,在電站生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)以上工況上機(jī)組振動(dòng)情況。

3.2 振動(dòng)加速度最大值測(cè)試結(jié)果

振動(dòng)加速度最大值是機(jī)組振動(dòng)過(guò)程中,振動(dòng)加速度的峰值,一般存在時(shí)間短,但能產(chǎn)生較大的振動(dòng)能量,對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的影響也較大。1#機(jī)組振動(dòng)加速度最大值如圖8所示。機(jī)組振動(dòng)加速度最大值分布規(guī)律與機(jī)組振動(dòng)加速度平均值分布規(guī)律類(lèi)似,瞬態(tài)工況振動(dòng)加速度最大值為穩(wěn)態(tài)工況的4～6倍,在瞬態(tài)工況下,開(kāi)機(jī)工況振動(dòng)加速度最大值大于停機(jī)工況;在穩(wěn)態(tài)工況下,穩(wěn)態(tài)抽水工況振動(dòng)加速度最大值略小于穩(wěn)態(tài)抽水工況,穩(wěn)態(tài)抽水時(shí)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度最大值在0.107～0.598m/s2之間;相同工況下,振動(dòng)加速度最大值為振動(dòng)加速度平均值的4～10倍,發(fā)電機(jī)上機(jī)架機(jī)振動(dòng)加速度最大值1.96m/s2出現(xiàn)抽水開(kāi)機(jī)工況,水輪機(jī)頂蓋振動(dòng)加速度最大值3.880m/s2,為發(fā)電開(kāi)機(jī)工況。尾水管振動(dòng)加速度最大值1.391m/s2,為抽水開(kāi)機(jī)工況,此時(shí)振動(dòng)加速度小于安全閾值4.72m/s2,機(jī)組振動(dòng)安全性可以保證。

圖8 1#機(jī)組振動(dòng)加速度最大值

4 結(jié)論

(1) 相同工況下發(fā)電機(jī)上機(jī)架和水輪機(jī)頂蓋在不同方向上的振動(dòng)規(guī)律一般表現(xiàn)為廠房橫向振動(dòng)與廠房豎向振動(dòng)加速度平均值基本相同,約為廠房豎向振動(dòng)加速度平均值的1.50～1.63倍,尾水管主要振動(dòng)方向?yàn)閺S房縱向,其振動(dòng)加速度平均值在0.196～0.490m/s2之間。

(2) 機(jī)組在穩(wěn)態(tài)發(fā)電、穩(wěn)態(tài)抽水兩種穩(wěn)態(tài)工況下,機(jī)組振動(dòng)加速度平均值在0.098～0.196m/s2之間,最大值1.568m/s2出現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)抽水工況。

(3) 瞬態(tài)工況的振動(dòng)加速度平均值為穩(wěn)態(tài)工況加速度平均值的4～6倍,瞬態(tài)工況振動(dòng)振動(dòng)較為劇烈。機(jī)組在發(fā)電開(kāi)機(jī)、發(fā)電停機(jī)、抽水開(kāi)機(jī)和抽水停機(jī)四種瞬態(tài)工況下,水輪機(jī)頂蓋振動(dòng)加速度平均值為發(fā)電機(jī)上機(jī)架和尾水管的2倍,抽水開(kāi)機(jī)工況時(shí)機(jī)組振動(dòng)加速度平均值最大,在電站生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)以上工況上機(jī)組振動(dòng)情況。

(4) 機(jī)組振動(dòng)加速度最大值分布規(guī)律與機(jī)組振動(dòng)加速度平均值分布規(guī)律類(lèi)似,瞬態(tài)工況振動(dòng)加速度最大值為穩(wěn)態(tài)工況的4～6倍,振動(dòng)加速度最大值為振動(dòng)加速度平均值的4～10倍,水輪機(jī)頂蓋振動(dòng)加速度最大可達(dá)3.616m/s2,小于安全閾值4.72m/s2,機(jī)組振動(dòng)安全性可以保證。