1 引言
隨著抽水蓄能電站事業的迅猛發展，裝機容量、轉速和額定水頭等參數不斷增大。抽水蓄能電站具有抽水和發電工況變換頻繁的特點，易導致機組運行不穩定，產生振動問題。其廠房和機組結構與常規水電站不同，且缺乏現場實測資料完善設計規范，因此廠房結構振動問題研究更為緊要。
現有研究多采用現場試驗與有限元數值分析結合的方法，如彭濤對十三陵抽水蓄能電站 #1 機組廠房結構進行振動監測，得出機械和水力振源為主要振源;王學謙等對比時程有限元法計算結果與現場實測值，發現 2 倍葉片過流頻率是主要水力振源;何直通過現場振動測試，發現廠房樓板采用厚板加深梁結構可提高整體剛度。但現有研究缺乏機組開停機、甩負荷等瞬態工況的振動監測。
本文依托某抽水蓄能電站實際工程，開展地下廠房結構在發電、抽水開停機和不同出力甩負荷等瞬態工況下的動力特性監測分析，旨在揭示廠房下部結構振動能量傳遞路徑，完善抽水蓄能電站廠房結構動力設計。
2 測試方案和測點布置
2.1 工程概況
某抽水蓄能電站地下廠房裝有 4 臺單機容量為 300MW 的立軸可逆式水泵水輪發電機組，發電機正常轉速 375r/min、飛逸轉速 510r/min，水輪機固定導葉和活動導葉數 22 個，轉輪葉片數 9 個，機組轉頻(6.25Hz)和轉輪葉片數頻率(56.25Hz)為主要激振頻率。
地下廠房從上到下依次為發電機層、母線層、水泵水輪機層、球閥廊道層，蝸殼層以下為尾水管層，三層樓板厚度均為 1000mm，為抗振相對薄弱部位。
2.2 測試工況
采集多種瞬態工況下的廠房結構振動響應數據，具體工況如下：
序號測試工況名稱工況編號序號測試工況名稱工況編號
1#4 機組發電開機4FD-ON5#4 機組 25% 甩負荷4LS-25
2#4 機組發電關機4FD-OFF6#4 機組 50% 甩負荷4LS-50
3#2 機組抽水開機2CS-ON7#4 機組 75% 甩負荷4LS-75
4#2 機組抽水關機2CS-OFF8#4 機組 100% 甩負荷4LS-100
2.3 測點布置
#4 機組共布置 47 個測點，#2 機組測點主要布置在三層樓板結構，分一～四象限布置。
發電機層：測點按象限分布于樓板結構。
母線層：測點覆蓋上游側、下游側及各象限。
機墩風罩結構：包括風罩頂部、機架基礎等關鍵部位。
3 各工況下廠房結構振動特征分析
3.1 開、停機工況下廠房結構振動特征分析
3.1.1 樓板結構響應幅值
對比 #4 機組發電開停機(4FD-ON、4FD-OFF)和 #2 機組抽水開停機(2CS-ON、2CS-OFF)工況下三層樓板各象限振動響應峰值，結果如下：
發電開停機工況樓板振動加速度、速度和位移峰值均大于抽水開停機工況，說明發電瞬態工況為控制工況。
發電工況中，開機工況響應峰值遠大于關機工況;抽水工況中，開機工況響應峰值小于關機工況，表明振動影響與機組啟閉動作密切相關。
三層樓板振動響應峰值整體呈現水輪機層 > 母線層 > 發電機層，且三個振動指標規律相近。
對照現行振動控制標準，三層樓板振動加速度、速度、位移峰值基本符合限值，僅水輪機層個別測點在 4FD-ON 工況下略超，推測因開機過程中某一頻率與樓板自振頻率接近產生共振，但持續時間短，對整體結構無不利影響。
3.1.2 機墩風罩結構響應幅值
#4 機組機墩風罩結構在開停機工況下的振動響應顯示：
風罩頂部和下機架基礎振動加速度、速度和位移基本
符合現行振動控制標準建議限值，但個別點及定子基礎振動加速度和速度響應值超限，最大加速度達一定數值。由于開停機工況持續時間較短，廠房整體結構振動響應很快趨于穩定。
發電開機工況下機墩振動響應值明顯大于關機工況，且機墩風罩結構各部位振動響應幅值分布規律與樓板結構類似，說明發電開機過程中推力軸承承受的脈動荷載可能占主要成分，產生的振動能量更大。
3.2 甩負荷工況下廠房結構振動特征分析
3.2.1 樓板結構響應
50% 及以下甩負荷工況時，發電機層、母線層、水輪機層三層樓板各方向振動加速度峰值基本符合標準建議限值;75% 及以上甩負荷工況下，部分測點振動加速度峰值超限，其中 100% 甩負荷工況母線層和水輪機層樓板各象限各方向振動加速度峰值基本均大于 10m/s²，水輪機層因距離蝸殼更近，受水流脈動影響最為明顯。
三層樓板振動加速度峰值整體呈現水輪機層 > 母線層 > 發電機層;水平方向上，母線層和水輪機層以第一象限振動響應突出，發電機層以第二象限突出。
各甩負荷工況下，所有測點振動位移峰值均未超過 0.2mm，表明樓板結構抗振性能良好，未出現明顯損傷開裂。
3.2.2 機墩風罩結構響應
機墩風罩結構振動加速度峰值隨甩負荷值增大而增長，風罩頂部、定子基礎和下機架基礎在 75%、100% 甩負荷工況下均超過 10m/s²，因這些結構是振動能量傳遞的主要路徑，對振動更敏感。
各結構部位振動加速度峰值排序為定子基礎 > 下機架基礎 > 風罩頂部，說明振動響應主要從與推力軸承連接的機墩風罩結構向外傳遞，部分從蝸殼座環向混凝土傳播。
各甩負荷工況下，振動位移峰值整體小于 0.2mm，僅定子基礎部分工況超限，反映廠房結構整體抗振能力較好。
3.3 各瞬態工況下廠房結構振動特征比較分析
第一象限各層樓板、機墩風罩在 6 個瞬態工況下的豎向振動加速度峰值變化趨勢一致，數值上表現為 100% 甩負荷 > 75% 甩負荷 > 發電開機 > 50% 甩負荷 > 25% 甩負荷 > 發電關機。
100%、75% 甩負荷工況振動能量巨大，部分部位振動響應超過行業規范建議值(加速度 > 10m/s²)。
100% 甩負荷工況出現概率低，但引起的振動最強烈，單次損傷可能更嚴重;開停機工況振動響應雖未達最大，但長期操作可能形成累積損傷，需關注其對廠房結構長期運行安全的影響。
4 結論
瞬態工況下廠房結構各典型部位振動響應峰值明顯大于穩態工況，振動響應峰值大小規律為定子基礎 > 下機架基礎 > 風罩頂部。
機組開停機的動作順序及持續時間對振動響應影響顯著，可通過短暫間歇性開停機動作和延長工況操作時間控制瞬時振動能量幅值。
100% 甩負荷工況下廠房結構振動最強烈，最大振動加速度可達 30m/s² 以上，易造成沖擊性損傷，建議日常運行盡量避免該工況，若發生需及時巡檢關鍵結構部位，排除安全隱患。
參考文獻
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