CN109208956A - 一种抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法,包括:S1、根据已产生局部强烈振动的若干抽水蓄能电站厂房设计资料进行有限元建模;S2、采用粘弹性边界,根据厂房设计力学参数,对厂房各局部结构自振频率进行有限元计算,计算结果表明厂房立柱自振频率接近机组水力振源主频;S3、采用锤击测试法对所述厂房立柱进行自振频率测试,测试结果与步骤S2中计算结果一致,验证了所述有限元模型的正确性;S4、通过有限元计算分析和自振频率测试分析,得到该电站厂房出现局部强烈振动的原因在于立柱自振频率接近机组水力振源频率而发生共振;S5、采用有限元方法推广应用到新建抽水蓄能电站厂房立柱及其两端楼板的动力参数设计。
Description
技术领域
本发明属于抽水蓄能电站领域的技术领域,具体涉及一种抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法。
背景技术
随着我国大力发展抽水蓄能电站,抽水蓄能电站的机组出力和运行水头得到不断突破。为了提高抽水蓄能电站的调峰调频经济效益,目前基本采用高水头大机组,机组运行水头基本不低于300m,机组转速不低于300r/min,单台机组出力不低于250MW。
由于现行《水电站厂房设计规范》(NB35011-2016)和《水电站地下厂房设计规范》(NB/T 35090-2016)对主厂房上部结构(板梁柱等)的动力设计均缺乏相关条文,目前为数不少已经投产运行的抽水蓄能电站厂房振动强烈,究其原因在于立柱水平第一阶自振频率接近机组水力振源主频。因此,对抽水蓄能电站主厂房立柱开展动力设计,避免立柱第一阶自振频率接近水力振源主频,是大型抽水蓄能电站主厂房动力设计的关键技术之一。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法,以解决现有抽水蓄能电站厂房因立柱第一阶自振频率接近机组水力振源主频而造成厂房振动强烈问题。
为了达到上述目的,本发明采取的技术方案是:
提供一种抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法,其包括:
S1、根据已建的产生局部结构强烈振动的若干抽水蓄能电站厂房设计资料进行有限元建模;与立柱动力特性相关的厂房设计尺寸为:发电机层楼板厚度T1=1.1m,母线层楼板厚度T2=1.1m,发电机层楼板厚度T3=1.1m;母线层层高H1=5.0m,水轮机层层高H2=5.4m,蜗壳层层高H3=6.2m;立柱截面边长W=1.0m;
S2、采用粘弹性边界模拟围岩对厂房的约束与能量逸散,根据厂房设计力学参数对水工混凝土结构取值,并对厂房各局部结构或单体结构的自振频率进行有限元计算,计算结果表明厂房立柱自振频率接近机组水力振源主频;
S3、采用锤击测试法对所述厂房立柱进行自振频率测试,所得测试结果与步骤S2中计算结果一致,该测试结果验证了所述有限元模型的正确性;
S4、通过所述有限元计算分析和自振频率测试分析,得到该电站厂房出现局部强烈振动的原因在于立柱自振频率接近机组水力振源频率而发生共振;
S5、采用所述有限元方法推广应用到新建抽水蓄能电站厂房立柱以及立柱两端楼板的动力参数设计。
优选地,基于有限元建模仿真得到厂房立柱动力放大系数随频率比和阻尼比的关系函数:
其中,D为动力放大系数,β为振源频率与结构自振频率ω之比,即ξ为结构的阻尼比;
对于抽水蓄能电站,厂房结构取阻尼比ξ<0.05,当|1-β|>0.2时,振源频率与结构自振频率ω相差超过20%时,动力放大系数D一般不会超过2,即厂房立柱与机组水力振源不会发生共振。
优选地,基于有限元建模仿真对厂房进行设计,其发电机层楼板、母线层楼板和水轮机层楼板为厚板结构或板梁组合结构。
优选地,厚板结构的参数设计为:
发电机层楼板厚度T1=0.9m~1.0m,母线层楼板厚度T2=0.9m~1.0m,水轮机层楼板厚度T3=0.9m~1.0m;
板梁组合结构的参数设计为:
发电机层楼板厚度T1=0.7m~0.8m,母线层楼板厚度T2=0.7m~0.8m,水轮机层楼板厚度T3=0.7m~0.8m;梁高1.0m~1.2m;
层高设计为:母线层H1=5.0m~5.5m,水轮机层H2=5.5m~6.5m,蜗壳层H3=6.5m~9.0m;
立柱截面采用方柱,其截面边长为:
当机组转速为n=300~335r/min时,立柱截面边长W=0.8m~0.85m;
当机组转速为n=400~430r/min时,立柱截面边长W=0.95m~1.05m;
当机组转速为n≥500r/min时,立柱截面边长W=1.0m~1.2m。
本发明提供的抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法,具有以下有益的效果:
本发明根据现有已建的产生局部结构强烈振动的若干抽水蓄能电站厂房进行有限元建模,进而通过仿真进行原因查找,得到厂房发生局部强烈振动的原因,并采用锤击法对仿真结果进行验证,进而将上述有限元计算方法推广应用到新建抽水蓄能电站厂房立柱以及立柱两端楼板的动力参数设计。
本发明能够避免新建大型抽水蓄能电站主厂房因立柱的低阶自振频率与机组水力振源接近而发生强烈振动,保护了厂房结构、机组和仪器以及工作人员安全,具有重大经济效益。
附图说明
图1为抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法的流程图。
图2为抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法抽水蓄能电站立柱Y向第一阶自振频率与振型(f=96.8Hz)。
图3为抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法动力放大系数D随频率比β和阻尼比ξ的变化关系。
图4为抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法抽水蓄能电站立柱Y向传递函数(f=100.0Hz)。
图5为抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法抽水蓄能电站横剖面图示意图。
图6为抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法抽水蓄能电站发电机层平面布置图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例,参考图1,提供一种抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法,其包括如下步骤:
S1、根据已建的产生局部结构强烈振动的若干抽水蓄能电站厂房设计尺寸进行有限元建模;与立柱动力特性相关的厂房设计尺寸为:发电机层楼板厚度T1=1.1m,母线层楼板厚度T2=1.1m,发电机层楼板厚度T3=1.1m;母线层层高H1=5.0m,水轮机层层高H2=5.4m,蜗壳层层高H3=6.2m;立柱截面边长W=1.0m;
S2、采用粘弹性边界模拟围岩对厂房的约束与能量逸散,根据厂房设计力学参数对水工混凝土结构取值,并对厂房各局部结构或单体结构的自振频率进行有限元计算,计算结果表面厂房立柱自振频率接近机组水力振源主频(机组转速为333.3r/min,即水力主振源主频为99.9Hz;);
S3、采用锤击现场测试法对所述厂房立柱进行自振频率测试,所得测试结果与步骤S2中计算结果一致,该测试结果验证了所述有限元模型的正确性;
S4、通过所述有限元计算分析和自振频率测试分析,得到该电站厂房出现局部强烈振动的原因在于立柱自振频率接近机组水力振源频率而发生共振;
S5、采用所述有限元方法推广应用到新建抽水蓄能电站厂房立柱以及立柱两端楼板进行参数设计。
基于有限元建模仿真得到厂房立柱动力放大系数随频率比和阻尼比的关系函数:
其中,D为动力放大系数,β为振源频率与结构自振频率ω之比,即ξ为结构的阻尼比。
动力放大系数随频率比和阻尼比的关系函数为本发明的基本原理,参考图3,取阻尼比ξ<0.05,由图可知,当|1-β|>0.2时,振源频率与结构自振频率ω相差超过20%时,动力放大系数D一般不会超过2,即厂房立柱与机组不会发生共振。
根据本申请的一个实施例,以国内的某抽水蓄能电站为例,电站的发电机层楼板、母线层楼板以及水轮机层楼板的厚度1.05m;母线层层高4.9m,水轮机层层高5.4m,蜗壳层层高6.5m;立柱截面为1.0m×1.0m;机组转速为333.3r/min,即水力主振源主频为99.9Hz。而该电站投入运行后,母线层立柱顶部区域的发电机层楼板出现剧烈振动。
基于有限元方法对该抽水蓄能电站厂房进行建模,采用粘弹性边界模拟围岩对厂房的约束与能量逸散,厂房结构的力学参数根据水工混凝土结构设计规范取值,并对该厂房各局部结构开展了自振频率分析。
参考图2,由有限元模型可得,厂房各层楼板的自振频率与水力主振源主频99.9Hz超过50%。但是,母线层部分立柱的第一阶自振频率接近水力主振源主频99.9Hz,其中一立柱的自振频率为96.8Hz。
参考图4,采用锤击法对厂房立柱进行自振频率测试,由图可知,该立柱的自振频率为100.0Hz,该结果验证了有限元计算模型的有效性和精确性。
因此,可得到该电站厂房出现强烈振动的原因在于立柱自振频率接近机组水力振源主频,且两者的频率差小于20%。
根据所述有限元方法对本实施例的抽水蓄能电站厂房立柱参数重新调整,将立柱尺寸调整为0.85m×0.85m,其它尺寸不变,按照上述计算方法得到该立柱的Y向第一阶自振频率降为81.3Hz,与水力振源主频99.9Hz相差为22.9%,即立柱自振频率与机组水力振源主频之间的频率差大于20%,从而可避免产生局部共振。
根据本申请的一个实施例,基于本发明的方法进行大型抽水蓄能电站厂房的动力设计,其详细结构和参数如下:
参考图5和图6,基于有限元仿真对厂房进行设计,其发电机层楼板、母线层楼板和水轮机层楼板为厚板结构或板梁组合结构。
其中,厚板结构的参数设计为:
发电机层楼板厚度T1=0.9m~1.0m,母线层楼板厚度T2=0.9m~1.0m,水轮机层楼板厚度T3=0.9m~1.0m。
板梁组合结构的参数设计为:
发电机层楼板厚度T1=0.7m~0.8m,母线层楼板厚度T2=0.7m~0.8m,水轮机层楼板厚度T3=0.7m~0.8m;梁高1.0m~1.2m;
层高设计为:母线层H1=5.0m~5.5m,水轮机层H2=5.5m~6.5m,蜗壳层H3=6.5m~9.0m。
立柱截面采用方柱,其截面边长为:
当机组转速为n=300~335r/min时,立柱截面边长W=0.8m~0.85m;
当机组转速为n=400~430r/min时,立柱截面边长W=0.95m~1.05m;
当机组转速为n≥500r/min时,立柱截面边长W=1.0m~1.2m。
本发明根据现有已建的产生局部结构强烈振动的若干抽水蓄能电站厂房进行有限元建模,进而通过仿真进行原因查找,得到厂房发生局部强烈振动的原因,并采用锤击法对仿真结果进行验证,进而将上述有限元计算方法推广应用到新建抽水蓄能电站厂房立柱以及立柱两端楼板的动力参数设计。
本发明能够避免新建大型抽水蓄能电站主厂房因立柱的低阶自振频率与机组主振源主频接近而发生强烈振动,保护了厂房结构、机组和仪器以及工作人员安全,具有重大经济效益。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述,但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内,本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (4)
1.一种抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法,其特征在于,包括:
S1、根据已建的产生局部结构强烈振动的若干抽水蓄能电站厂房设计资料进行有限元建模;与立柱动力特性相关的厂房设计尺寸为:发电机层楼板厚度T1=1.05m,母线层楼板厚度T2=1.05m,发电机层楼板厚度T3=1.05m;母线层层高H1=4.9m,水轮机层层高H2=5.4m,蜗壳层层高H3=6.2m;立柱截面边长W=1.0m;
S2、采用粘弹性边界模拟围岩对厂房的约束与能量逸散,根据厂房设计力学参数对水工混凝土结构取值,并对厂房各局部结构或单体结构的自振频率进行有限元计算,计算结果表明厂房立柱自振频率接近机组水力振源主频;
S3、采用锤击现场测试法对所述厂房立柱进行自振频率测试,所得测试结果与步骤S2中计算结果一致,该测试结果验证了所述有限元模型的正确性;
S4、通过所述有限元计算分析和自振频率测试分析,得到该电站厂房出现局部强烈振动的原因在于立柱自振频率接近机组水力振源频率而发生共振;
S5、采用所述有限元方法推广应用到新建抽水蓄能电站厂房立柱以及立柱两端楼板的动力参数设计。
2.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法,其特征在于,基于有限元建模仿真得到厂房立柱动力放大系数随频率比和阻尼比的关系函数:
其中,D为动力放大系数,β为振源频率与结构自振频率ω之比,即ξ为结构的阻尼比;
对于抽水蓄能电站,厂房结构取阻尼比ξ<0.05,当|1-β|>0.2时,振源频率与结构自振频率ω相差超过20%时,动力放大系数D一般不会超过2,即厂房立柱与机组水力振源不会发生共振。
3.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法,其特征在于:基于有限元建模仿真对厂房进行设计,其发电机层楼板、母线层楼板和水轮机层楼板为厚板结构或板梁组合结构。
4.根据权利要求3所述的抽水蓄能电站主厂房立柱动力设计方法,其特征在于,所述厚板结构的参数设计为:
发电机层楼板厚度T1=0.9m~1.0m,母线层楼板厚度T2=0.9m~1.0m,水轮机层楼板厚度T3=0.9m~1.0m;
板梁组合结构的参数设计为:
发电机层楼板厚度T1=0.7m~0.8m,母线层楼板厚度T2=0.7m~0.8m,水轮机层楼板厚度T3=0.7m~0.8m;梁高1.0m~1.2m;
层高设计为:母线层H1=5.0m~5.5m,水轮机层H2=5.5m~6.5m,蜗壳层H3=6.5m~9.0m;
立柱截面采用方柱,其截面边长为:
当机组转速为n=300~335r/min时,立柱截面边长W=0.8m~0.85m;
当机组转速为n=400~430r/min时,立柱截面边长W=0.95m~1.05m
当机组转速为n≥500r/min时,立柱截面边长W=1.0m~1.2m。
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