CN108951574A - 一种减轻抽水蓄能电站厂房振动的电站设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减轻抽水蓄能电站厂房振动的电站设计方法，包括在电站设计中采取的以下三个方面优化：1)优化抽水蓄能电站引水管路的布置，选择一管多机的引水布置方式，以减小抽水蓄能电站的水头变幅；2)优化厂房结构设计，改变厂房结构的固有频率f₀，避免f₀＝n_z·f_r，从而防止因厂房结构固有频率等于n_z倍叶频而发生共振，式中的f_r为叶频，n_z为叶片对导叶的整数覆盖系数；3)在机组间厂房楼板设防干涉缝，用弹性材料填充，以防止相邻机组同时运行时因同频率振动干涉而导致的振动倍增。

Description

一种减轻抽水蓄能电站厂房振动的电站设计方法

技术领域

本发明涉及一种减轻抽水蓄能电站厂房振动的电站设计方法，属于水力机械和抽水蓄能技术领域。

背景技术

我国的抽水蓄能电站发展很快，目前的装机总量已超过2500万千瓦。根据国家能源局未来电力发展规划，新开工建设4000万千瓦抽水蓄能电站，到2025年达到装机 9000万千瓦。但是，在抽水蓄能电站的运行中，常遇到大幅值、高频率压力脉动，引 起水泵水轮机顶盖、机架和机组其它设备剧烈振动，部分抽水蓄能电站还产生非常强 烈的厂房振动，噪声强烈，个别还因为厂房振动造成厂房结构裂纹，严重威胁到电站 安全及机组稳定运行。根据调查分析，厂房振动严重的抽水蓄能电站绝大多数是由水 力因素引起，其振动主频率往往和水泵水轮机顶盖、下机架等振动的主频率相同，是 水泵水轮机转轮叶片通过频率f_r(以下简称“叶频”，f_r＝Z_r·f_n，其中f_n为转速频率， Z_r为水泵水轮机转轮叶片数)的倍频，以2倍频和3倍频居多，公认为由“旋转”的 转轮和“静止”的导叶之间的“动静”相互干扰引起。

但是，由于目前对水泵水轮机转轮和导叶之间的动静干扰原理还不太清楚，在电站设计、水泵水轮机设计等方面都缺乏针对性比较强的方法措施，更难以做到有的放 矢。

因此，有必要研究水泵水轮机动静干扰的机理及对厂房振动的影响，并在此基础上提出减轻水泵水轮机动静干扰电站设计措施和方法，减轻机组和厂房振动。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种减轻抽水蓄能电站厂房振动的电站设计方法，该方法是在弄清水泵水轮机动静干扰机理及对厂房振动影响的基础上提出的， 能够有效减轻水泵水轮机动静干扰带来的机组和厂房振动等危害。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种减轻抽水蓄能电站厂房振动的电站设计方法，包括在电站设计中采取的以下三个方面优化：1)优化抽水蓄能电站引 水管路的布置，选择一管多机的引水布置方式，以减小抽水蓄能电站的水头变幅；2) 优化厂房结构设计，改变厂房结构的固有频率f₀，避免f₀＝n_z·f_r，从而防止因厂房结 构固有频率等于n_z倍叶频而发生共振，式中的f_r为叶频，n_z为叶片对导叶的整数覆盖 系数；3)在机组间厂房楼板设防干涉缝，用弹性材料填充，以防止相邻机组同时运行 时因同频率振动干涉而导致的振动倍增。

所述步骤2中的f_r等于转速频率f_n和转轮叶片数Z_r乘积；n_z为叶片对导叶的整数覆盖系数，n_z＝int(Z_g/Z_r)，其中Z_g为导叶数，int()表示取整运算，遵从四舍五入 原则。

所述步骤1)中，抽水蓄能电站引水管路采用一管二机或一管三机的引水布置方式。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明方法是在弄清水泵水轮机动静干扰机理及对厂房振动影响的基础上提出的，能够通过对电站水头变幅及引 水方式、水泵水轮机安装高程、厂房结构设计及参数选择等的选择优化，有效减轻水 泵水轮机动静干扰带来的机组和厂房振动等危害。2、本发明提出的一管多机方案即可 以提高发电和抽水效率，又可以减轻低水头运行时机组和厂房振动，更可以降低引水 管路建设投资。3、本发明提出的减轻厂房振动措施都简单明确易操作，不用增加大量 投资。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出了一种减轻抽水蓄能电站厂房振动的电站设计方法，包括在电站设计中采取的以下三个方面优化：

1)优化抽水蓄能电站引水管路的布置，选择一管多机的引水布置方式，以减小抽水蓄能电站的水头变幅。

一管多机指在一条引水管路上安装多台水泵水轮机，具体地，可以选择一管二机、一管三机的引水布置，和单管单机相比可减小电站引水管道的水头损失，从而可增高 电站最低水头。因抽水蓄能电站的水头越低，水泵水轮机导叶与转轮间(统称“无叶 区”)压力脉动越大，机组和厂房振动也越大，故此措施不仅可提高发电效益，还可降 低压力脉动和厂房振动。

由于抽水蓄能电站单机运行较多(尤其是电站水头处于最高水头或最低水头附近时)，一管多机电站可以在单机运行时比单管单机电站降低管道水头损失，从而实现增 高发电水头。而抽水蓄能电站绝大多数采用混流可逆式水泵水轮机，其最优水头均高 于电站最高水头，其水头越低无叶区压力脉动幅值越大，稳定性越差。因此，增高电 站运行水头，可达到减轻机组和厂房振动之目的。

2)优化厂房结构设计，改变厂房结构的固有频率f₀，避免f₀＝n_z·f_r，从而防止因厂房结构固有频率等于n_z倍叶频而发生共振。其中，f_r为叶频，是转速频率f_n和转轮 叶片数Z_r乘积；n_z为叶片对导叶的整数覆盖系数，n_z＝int(Z_g/Z_r)，其中Z_g为导叶数， int()表示取整运算，遵从四舍五入原则。

一方面要避免厂房结构固有频率f₀和n_z·f_r相等或接近，以防止引起该频率共振。举例来说，如Z_g＝20，Z_r＝9，则n_z＝2，则需防止厂房结构固有频率f₀＝18f_n；如Z_g＝20， Z_r＝7，则n_z＝3，则需防止厂房结构固有频率f₀＝21f_n。

申请人经过研究发现，水泵水轮机在无叶区因转轮扰动产生叶频横波压力脉动，在向上游传播中又可能扰动导叶进口的脱流漩涡空腔，造成漩涡空腔产生膨胀-收缩循环，每个漩涡空腔的膨胀-收缩循环频率即叶频；而每个叶片覆盖范围内有n_z个导叶 及其产生的脱流漩涡，故可形成频率为n_z·f_r的附加压力脉动。该附加压力脉动因空腔 膨胀-收缩而生，属疏密波，以纵波方式向周围发散传播。在所有抽水蓄能电站中，凡 振动严重的，其频率多为n_z·f_r。因此，需严格禁止厂房固有频率等于该频率，防止共 振发生。

3)在机组间厂房楼板设防干涉缝，用弹性材料填充，以防止相邻机组同时运行时因同频率振动干涉而导致的振动倍增。

本发明所提出的减轻抽水蓄能电站机组和厂房振动危害的电站设计方法，是基于我们对国内大量抽水蓄能电站水泵水轮机转轮叶片和活动导叶动静干扰及引起机组振动、厂房振动实际状况总结发现的2个规律：

(1)水泵水轮机旋转的转轮叶片和静止的活动导叶之间会产生动静干扰，并产生比无叶区压力脉动频率更高的压力脉动，其频率f是叶频f_r(f_r＝Z_r·f_n，Z_r是转轮叶片 数，f_n是转速频率，简称转频)的整数倍，f＝n_z·f_r，n_z＝int(Z_g/Z_r)，并导致该频率的 机组振动和厂房振动；

(2)在水泵水轮机的水轮机工况，之所以产生幅值很大无叶区压力脉动，是因为转轮按水泵设计，水轮机最优水头大于电站最高水头，不在电站运行范围。电站水头 越低，无叶区压力脉动越大，电站也越不稳定，机组和厂房振动增大。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或 等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种减轻抽水蓄能电站厂房振动的电站设计方法，包括在电站设计中采取的以下三个方面优化：1)优化抽水蓄能电站引水管路的布置，选择一管多机的引水布置方式，以减小抽水蓄能电站的水头变幅；2)优化厂房结构设计，改变厂房结构的固有频率f₀，避免f₀＝n_z·f_r，从而防止因厂房结构固有频率等于n_z倍叶频而发生共振，式中的f_r为叶频，n_z为叶片对导叶的整数覆盖系数；3)在机组间厂房楼板设防干涉缝，用弹性材料填充，以防止相邻机组同时运行时因同频率振动干涉而导致的振动倍增。

2.如权利要求1所述的一种减轻抽水蓄能电站厂房振动的电站设计方法，其特征在于：所述步骤2中的f_r等于转速频率f_n和转轮叶片数Z_r乘积；n_z为叶片对导叶的整数覆盖系数，n_z＝int(Z_g/Z_r)，其中Z_g为导叶数，int()表示取整运算，遵从四舍五入原则。

3.如权利要求1所述的一种减轻抽水蓄能电站厂房振动的电站设计方法，其特征在于：所述步骤1)中，抽水蓄能电站引水管路采用一管二机或一管三机的引水布置方式。