水電站廠房動力分析論文

1、水電站廠房動力分析論文 摘要摘要：國內水利水電工程建設目前正處于前所未有的蓬勃發(fā)展時期，許多低水頭徑流式水電站建設逐步在我國的江河上興建，其中燈泡貫流式水電站由于流道平坦，機組過流量大、單位轉速高、效率高、尺寸小、重量輕、能量及經濟指標好等優(yōu).點成為目前比較普遍的一種開發(fā)型式。然而，由于燈泡貫流式水電站廠房獨特的布置型式，致使應力分布有不同于常規(guī)水電站廠房的特征，非凡是在高地震烈度區(qū)修建的燈泡貫流式水電站。因此，本項目的探究分析具有十分重要的現實意義。 摘要：燈泡貫流式水電站靜、動力計算分析有限元 1.3燈泡貫流式水電站廠房布置及特征2951 1.3.1廠房類型 燈泡式貫流機組廠房多為擋水廠房

2、，廠房本身作為樞紐擋水建筑物的一部分。擋水廠房可分為單純擋水廠房和溢流廠房。由于廠房兼作擋水建筑物，其設計標準和閘坎等擋水建筑物相同。 單純擋水廠房為通常采用的形式，其結構簡單，廠房四面有足夠高的擋水墻擋水，水庫上游來水流量大于發(fā)電用水時，多余水量由瀉水閘棄水。 溢流廠房可通過廠房頂瀉流，分擔瀉水任務，減少瀉水閘孔數，節(jié)省瀉水閘工程量。溢流廠房上、下游擋水墻無須設置到水庫最高水位以上，廠房本身土建工程量也可減少。同時廠房的浮托力也減少，廠房的接觸力也可大為改善。廠房頂溢流堰面可設閘門也可不設閘門。不設閘門時，水位超過溢流堰面時，自由溢流棄水，可省去金屬結構工程量。樞紐正常蓄水位較高時，通常設置

3、閘門擋水，水庫需要棄水時，由閘門控制瀉流。在溢流棄水發(fā)電時，由于水流的射流功能增加發(fā)電量，在溢流棄水不發(fā)電時，減少或清除了廠房尾水的回流淤積。溢流廠房的結構復雜，比常規(guī)擋水廠房施工難度大。在有條件的情況下采用溢流廠房其經濟效益還是很好的。 1.3.2廠房布置及特征 （1）流道及進出口設備布置 燈泡式水輪發(fā)電機組過水流道外形由生產廠家根據試驗確定并提供給設計部門，流道通?？煞殖蛇M口段、中段和出口段。燈泡式水輪發(fā)電機組放置在流道中段內，其上游部分為進口段，下游部分為出口段。 流道進口段通常布置有攔污柵、檢修閘門及其所屬的起閉設備和進口閘墩、胸墻及橋面結構。上游閘門至機組首部距離很近，流道進口的布置

4、主要是確定攔污形式和攔污柵、檢修門及壩頂公路的相對位置。 大多數燈泡貫流式機組電站在廠房渠道進水口處依次設置攔污浮排、攔沙坎、攔污柵,以攔截飄浮物和防止推移質泥沙進入機組流道?，F在有部分電站,取消攔污浮排,在電站進水口上游的攔沙坎上設置一排攔污柵,即把攔污柵布置在進水墩前緣上游數十米處。采用這種通敞式布置的主要優(yōu)點有摘要:因攔污柵離廠房有一定的距離,使廠房前有一相對靜水區(qū),水流流態(tài)比較穩(wěn)定,過柵流速較小,污物輕易清除,由于攔污柵引起的水頭損失小,可以提高機組出力;一旦某孔攔污柵被污物堵塞嚴重,水流可以從其它孔通過,在廠房前的靜水區(qū)內進行調整,不至于對某一機組的發(fā)電出力產生明顯的影響,因此,通敞

5、式攔污柵不失為一種好的布置形式。 流道出口段布置有尾水閘門及其啟閉設備。由于貫流式機組流道平直,機組上下游閘門的設計水頭和操作水頭相差不大,從經濟角度尾水閘門亦具備作為工作閘門的條件。尾水快速閘門和尾水事故閘門是貫流式機組電站尾水閘門布置的兩種類型,也是防機組飛逸事故的常用過速保護辦法,當電站采用機組和尾水閘門聯(lián)合運行方式時,又是控制電站流量流道的工作閘門。 （2）主廠房布置 燈泡貫流式機組主機成臥式布置在流道內，尾水管為直錐形，對溢流式和非溢流式等各種廠房結構有很強的適應性，溢流式廠房雖然可節(jié)省廠房投資，但這種廠房有噪音大、通風采光條件差、吊物孔受氣候影響、溢流面的吊物孔密封要求高等缺點，在

6、我國所建崖電站中大多采用非溢流封閉式廠房。 機組間距、廠房高度、跨度燈泡貫流式機組的安裝程序有兩種摘要:第一種，尾水管里襯(包括法蘭段)管形座接力器基礎(廠房封頂)橋機機組。第二種，尾水管里襯(廠房到頂)橋機管形座機組尾水管里襯法蘭段。 主廠房高度主要決定于配水環(huán)(導水機構)組件翻身的吊裝要求。各大件吊裝方法必須和廠家協(xié)商，認真對待，一旦沒有考慮周到，將給安裝檢修帶來很大麻煩。 主廠房跨度主要由機組結構尺寸和發(fā)電機、水輪機各部件的安裝要求決定。在發(fā)電機轉子、定子安裝前，先將燈泡頭冷卻套(或發(fā)電機上游柜架)吊入機坑內。為了方便安裝，應認真審查廠家發(fā)電機安裝豎并的尺寸，滿足幾個大件的安裝要求。 燈

7、泡式機組間距主要由流道尺寸決定，一般比常規(guī)機組小。由于管形座的支臂已形成進入機組內部的通道，有些大型機組此通道和廊道相接，故在機組之間不必設置樓梯，只需在主廠房兩端設置樓梯至水輪機廊道。樓梯進口可設在主廠房下游側副廠房內。 目前國內已運行和在建的燈泡貫流式機組電站，主廠房的布置形式各有其特征，歸納起來有以下幾種摘要: 主廠房分運行層、管道層和廊道層共三層的格式。國產機組的調速器和油壓裝置管道接口以及回油箱等設備均布置在樓板下面，加之輔助設備較多，尺寸大，假如都布置在運行層，水工結構、設備布置方面都有一些困難?；蛘呒偃缦掠嗡惠^高，安裝場需抬高，運行層和安裝場取同一高程的話，下面的空間高，可增設

8、管道層。這樣，運行層顯得整潔、美觀、方便，把一些閥門、自動化元件等附屬設備布置在管道層也便于操作維護，兩全其美。而運行層設一整層還是局部，通常又有兩種方式摘要:運行層為局部，布置成半弧島式，僅下游側設有運行層，發(fā)電機、水輪機豎井的蓋板在管道層。這樣可減少噪音的影響，管道層檢修維護方便，節(jié)省投資，但這種布置由于運行層面積小，運行維護不夠方便。運行層為整層，將發(fā)電機和水輪機安裝豎井的蓋板布置在運行層，這樣就形成了整個運行層地面，比較寬敞，運行管理方便。 對于管道層中管道、電纜的布置方式，可根據此層的高度以及其它綜合因素分如下在運行層的樓板下面架空和在管道層分別設置管道溝及電纜溝兩種。 廊道層是貫穿

9、各機組的通道，此層布置有軸承油箱、測量管路、排水泵等輔助設備。 主廠房分運行層和廊道層共二層的格式。 如前所述，進口機組的調速器、回油箱、油壓裝置之間聯(lián)接管路的接口在側面，閥門自動化元件布置較集中，組合體積小，其管道及閥門等輔助設備只需在主機四周稍微低一點的坑中布置便可，有些自動化元件布置在燈泡體內，只需將聯(lián)接管路和電纜布置在機組兩側的電纜溝和管道溝內，不必設管道層。這樣，既節(jié)省土建費用又方便運行，主廠房寬敞。例如摘要:南津渡、馬跡塘等電站都是如此。 由于國產機組調速器、油壓裝置等設備的要求，耀設管道層即主廠房分三層是合理的，假如制造廠能鈞調速器及油壓裝置的結構進行改造，使自動化元件盡量布置在

10、機械拒內或燈泡體內，連接管接口布置采幾進口機組的形式，這樣主機室就可以分兩層布置，既司減少工程量又便于運行管理。 （3）副廠房的布置 副廠房必須便于同主廠房聯(lián)系,還應注重運行人員的工作條件。為了充分利用尾水管基礎結構以上的空間,副廠房布置在主機室的下游側,這是燈泡貫流式機組電站常用的格局。機旁盤、勵磁盤宜布置在這里且和操作層同高程,便于運行管理。在尾水管上部布置副廠房節(jié)省投資,但是這樣副廠房通風差、噪音大,工作環(huán)境差。尤其是有些尾水副廠房頂層兼作公路橋梁(如馬跡塘水電站),汽車開過時振動、噪聲都比較大。因此中心控制室、載波通信室、資料室等主要生產副廠房(這些需要運行人員8h連續(xù)工作的場所),不

11、宜放在尾水平臺上副廠房內,應放在靠近岸邊安裝場靠下游側的副廠房內(如木京電站)。為改善下游側副廠房的通風條件和采光條件,可將下游擋水墻向后移,使之和副廠房有一定的距離,這樣可以在副廠房的墻上開設窗戶,改善通風和采光條件(如都平電站、木京電站)。 （4）安裝場布置 安裝場面積的確定應按大修時放置機組各主要部件來考慮，也要適當考慮安裝的要求，當電站要求幾臺機組同時安裝時，應適當加大安裝場的面積。根據幾座已建電站的經驗，安裝場主要考慮轉輪、配水環(huán)、轉子、定子、主軸(包括推力軸承和導軸承)等五大件的組裝和翻身所需場地，其他一些小部件，可在主廠房內進行。安裝場長度取2倍的機組間距，便能滿足要求。 1.4

12、燈泡貫流式水電站廠房結構應力的探究方法 1.4.1廠房結構應力的探究的必要性 燈泡貫流式水電站廠房一般由上游擋水閘門、流道、下游擋水閘門、排沙孔、主廠房上部結構等部分組成，由于是由多個孔洞組成的復雜三維孔洞結構，作為擋水建筑物，要承受上、下游水平功能力，使河床式廠房的內力分布較其它型式的廠房更加復雜，而燈泡貫流式機組較軸流式相比，其機組型式、受力方式有自身特征，非凡是對于廠內溢流式廠房使得廠房結構布置和受力條件更加復雜，設計中許多技術新問題需要通過計算深入探究，為了全面了解各設計工況（非凡是廠房表孔泄流情況）廠房壩段應力、位移狀態(tài)，使廠房結構設計更加合理、平安、經濟，采用整體三維靜動力有限元計

13、算是十分必要的。 通過整體三維靜動力有限元計算，了解廠房流道的應力、變形、配筋及防裂情況；廠房表孔閘墩和底板的應力、變形、配筋及防裂情況；廠房上部結構的自振頻率應大于表孔過流脈動優(yōu)勢頻率，以防止共振；廠房流道、表孔邊墩的自振頻率同機組頻率要相對錯開，以防止共振。 1.4.2廠房結構靜力的探究方法 目前對水電站廠房結構應力及穩(wěn)定分析方法有摘要：結構力學法、材料力學法和有限元法5256。 結構力學法和材料力學法對電站廠房應力及穩(wěn)定分析計算中比較簡單，但是對于比較復雜的廠房結構過于簡化計算模型將導致計算結果不能反映廠房結構的實際應力狀態(tài)，尤其在某些應力狀態(tài)比較復雜的部位由于過于簡化而引起計算結果錯誤

14、，而且結構力學法和材料力學法對于求解瞬態(tài)及動力學分析也比較困難。 有限元法是20世紀40年代提出的處理材料屬性和邊界條件較復雜新問題的一種有效的離散化的數值方法，離散后的單元和單元之間只通過節(jié)點相聯(lián)系，所有的力和位移都通過節(jié)點進行計算。利用有限元法對廠房結構進行應力分析計算有以下優(yōu)點摘要：（1）大型水電站廠房的物理模型制作不易，有些因素模擬困難，不能作過程仿真分析，而有限元模型則易于模擬；（2）有限元模型能突出構成建筑物本質特征的因素，便于分析了解建筑物的性能；（3）可以變動模型有關因素條件進行敏度分析，了解他們對廠房影響的程度及趨向，為改進設計提出啟示；（4）能針對廠房的某一部分進行具體模擬

15、，來計算結構中重要部位的應力分布狀況；（5）能進行非線性分析、模態(tài)分析以及動力分析。 1.4.3廠房結構動力的探究方法57 動力學新問題在國民經濟和科學技術的發(fā)展中有著廣泛的應用領域。最經常碰到的是結構動力學新問題，它主要包括動力特性分析和動力時程分析兩種類型。對水電站廠房的動力分析主要探究廠房結構在地震和機組震動功能下廠房結構的應力分布以及其穩(wěn)定性。因此，對廠房結構的動力分析也就是抗震分析。目前，對水電站廠房動力分析的方法常有以下幾種摘要： （1）振型分解反應譜法 根據振動分析，多質點體系的振動可以分解成各個振型的組合，而每一振型又是一個廣義的單自由度體系，利用反應譜便可以得出每一振型水平地

16、震功能。經過內力分解計算出每一振型相應的結構內力，按照一定的方法進行各振型的內力組合。 該方法考慮了多個振型的影響，計算精度較高，但該方法是利用反應譜得出每一振型的地震反應，以靜力方式進行結構分析，屬于擬靜力法的范疇. （2）時程分析法 根據結構振動的動力方程，選擇適當的強震記錄作為地面運動，然后按照所設計的建筑物確定結構振動的計算模型和結構恢復力模型，利用數值解法求解動力方程。該方法可以直接計算出地震地面運動過程中結構的各種地震反應(位移、速度和加速度)的變化過程，并且能夠描述強震功能下，結構在彈性和彈塑性階段的變形情況直至倒塌的全過程。該方法屬動力分析的方法，由它可以了解結構反應的全過程，

17、由此可以找出結構地震過程中的薄弱部位和環(huán)節(jié)，以便修正結構的抗震設計.但該方法耗時太多，并且所選的地震波也不一定就能代表結構實際要遭遇的地震。所以，目前只對一些體型較復雜的建筑和超過一定高度范圍的高層建筑，才應用該方法來檢驗結構抗震性能。 （3）隨機分析法 由于她震動的隨機性和復雜性，結構的地震反應也應該是隨機而復雜的，因而只能求得結構地震反應的統(tǒng)計特征，或者求得具有出現概率意義上的最大反應，這一方法從隨機觀點處理了反應超過定值的概率，使抗震設計從平安系數法過渡到了概率理論的分部系數法，它屬于結構地震反應分析的非確定性分析法。 （4）能量分析法 地震功能下，地震動的能量輸入到結構，要轉換成結構的應變能而耗散地震動的能量。該方法就是分析這種能量的轉換關系或直接比較能量的輸入和耗散，以結構在地震中的變形、強度和能量吸收能力作為衡量標準，按答應耗能狀態(tài)進行設計，控制結構的變形和強度。用能量耗散性質可以反應結構的地震非彈性反應.能量耗散的全過程，既反映了結構的變形，又表達了地震反復功能的次數即強震的持續(xù)時間，從而