简要信息
【获奖类型】应用一等奖
【任务来源】长江勘测规划设计研究院、中国长江三峡工程开发总公司、中国长江电力股份有限公司
【课题编号】K020329、K020341、K0203642006
【课题起止时间】2002年7月～2006年6月
【完成单位】抗震中心
【主要完成人】陈厚群、李德玉、欧阳金惠、王 济、王海波、禹 莹、魏 力、王全柱、周爱林
立项背景
大型水电站的厂房结构振动问题是工程界和学术界都十分关注的交叉学科问题。迄今为止，由于其问题的复杂性，对机组和厂房在多种耦合因素下的振动和稳定性机理的了解尚停留在定性研究的水平上。从工程实践方面，我国已投产的装备大型混流式水轮机的电站，如岩滩、李家峡、二滩、五强溪、隔河岩、小浪底、大朝山、鲁布革等水电站都出现了不同程度的水力机组振动和稳定性问题，严重影响电站功率的发挥和经济效益，有的甚至导致水轮机叶片断裂、尾水管管壁撕裂等事故，或是由于机组的强烈振动引起厂房等土木建筑物结构发生较强烈的振动，危及整个电站的安全、稳定和高效运行。例如岩滩电站由于机组振动引发了楼板强烈振动，引起保护柜压板松动掉落引起误动，导致机组事故停机，严重危及电厂的安全运行，不得不采取运行限制，以避开机组在不稳定区域运行，这样不但损失了发电量，也降低了机组的调峰能力。
三峡机组由于容量大、水头变幅大、机组尺寸大等原因，其稳定性面临史无前例的挑战，因此，三峡电站机组的稳定性指标被置于技术评标之首。随着机组容量和水头的增大，水轮机组运行引起的厂房结构的振动问题更显突出，其对电站的正常安全运行的影响也日益受到关注。因此，通过数值模拟和现场振动测试相结合的研究手段，深入研究不同水位、不同运行工况下三峡厂房结构的振动状态，评价其振动安全，对三峡电站的正常安全运行提供技术依据具有重要意义，同时也将对我国大型混流式水电站厂房抗振问题提供新的研究途径，其研究成果具有十分重要的学术和应用价值。
研究内容
“三峡电站厂房抗振研究”选取典型的三峡厂房结构，对单个机组段的复杂结构进行了精确仿真模拟和厂房结构的自振特性分析；同时根据三峡水轮机模型试验成果，从定量角度计算分析了三峡左岸电站VGS机组厂房结构在6种设计水位下的振动响应。计算结果表明：楼板的不同方向的位移响应表现为顺河向最大，竖向次之，横河向最小；加速度响应表现为：竖向最大，顺河向次之，横河向最小；发电机层楼板的竖向位移表现为低频振动，其主频与尾水管内的低频涡带频率相等；厂房结构的加速度主频与蜗壳以及导叶后转轮前的脉动压力频率相等。同时，参照相关建筑物结构振动评价标准，对于三峡电站厂房在水力激振作用下的抗振性能进行初步评价。
为了检验计算结果和完善计算模型，针对135m水位以及145m水位和156m水位先后开展了“三峡电站厂房现场振动测试及分析研究”和“156m水位下三峡电站厂房现场振动测试及分析研究”。135m水位下的振动测试针对7＃机组的楼板、发电机层、蜗壳进人门、上下游锥管等部位开展了变负荷试验、甩负荷试验、设计正常负荷稳态运行试验的振动测试，同时对中控室开展了振动测试。在总结上述计算分析以及135m水位的厂房振动测试的基础之上，145m和156m水位重点针对三峡电站8＃机组的厂房结构的楼板、发电机层开展了变负荷试验和满负荷稳态运行试验的振动测试。
两次现场测试的结果都表明：
（1）测试结果和计算结果中竖向位移的分布规律大致相同，其总体趋势是：下游楼板的振动比上游楼板大；
（2）测试结果与计算结果的竖向动力响应最大值的位置相同；
（3）振动响应的主频基本一致，两者竖向位移的主频都以低频为主，加速度的主频以高频为主。
由此说明，计算结果和测试结果具有可比性，计算模型基本合理，计算方法比较可行。
同时，145m和156m两种水位变负荷试验结果表明，低负荷区厂房振动幅值较大。从厂房振动安全的角度考虑，提出的“145m水位下机组运行负荷应大于40万千瓦，156m水位机组运行负荷应大于48万千瓦”的建议，对三峡电站运行具有重要的指导意义。
创新点
主要创新点包括：
（1）模拟了三峡电站单个机组段厂房复杂结构，建立了与实际结构基本一致的三维有限元模型。
（2）根据三峡水轮机模型试验成果，参照有关国内外水轮机模型试验研究的规律性成果，开创性地提出以少量典型压力脉动测点模拟生成整个水轮机流道内压力脉动场的方法，利用商业有限元进行二次开发，构造了时域内流道三维空间的脉动压力场，首次从定量角度计算分析了三峡左岸电站VGS机组厂房结构在6种设计水位下的振动响应。
（3）针对水电站厂房振动问题，首次将计算分析与试验紧密结合，两者得到相互验证和完善。
应用前景及社会经济效益
上述三个项目都已通过委托单位验收，其成果已被相关单位采纳和应用。
通过本项目的研究，不仅为三峡电站厂房结构振动预测和电站的正常运行提供科学方法和依据，同时为在建和即将建设的大型水电站厂房结构的振动预测提供参考，因此具有较大的社会价值和经济效益。
