1 引言
随着抽水蓄能电站事业的迅猛发展，装机容量、转速和额定水头等参数不断增大。抽水蓄能电站具有抽水和发电工况变换频繁的特点，易导致机组运行不稳定，产生振动问题。其厂房和机组结构与常规水电站不同，且缺乏现场实测资料完善设计规范，因此厂房结构振动问题研究更为紧要。
现有研究多采用现场试验与有限元数值分析结合的方法，如彭涛对十三陵抽水蓄能电站 #1 机组厂房结构进行振动监测，得出机械和水力振源为主要振源;王学谦等对比时程有限元法计算结果与现场实测值，发现 2 倍叶片过流频率是主要水力振源;何直通过现场振动测试，发现厂房楼板采用厚板加深梁结构可提高整体刚度。但现有研究缺乏机组开停机、甩负荷等瞬态工况的振动监测。
本文依托某抽水蓄能电站实际工程，开展地下厂房结构在发电、抽水开停机和不同出力甩负荷等瞬态工况下的动力特性监测分析，旨在揭示厂房下部结构振动能量传递路径，完善抽水蓄能电站厂房结构动力设计。
2 测试方案和测点布置
2.1 工程概况
某抽水蓄能电站地下厂房装有 4 台单机容量为 300MW 的立轴可逆式水泵水轮发电机组，发电机正常转速 375r/min、飞逸转速 510r/min，水轮机固定导叶和活动导叶数 22 个，转轮叶片数 9 个，机组转频(6.25Hz)和转轮叶片数频率(56.25Hz)为主要激振频率。
地下厂房从上到下依次为发电机层、母线层、水泵水轮机层、球阀廊道层，蜗壳层以下为尾水管层，三层楼板厚度均为 1000mm，为抗振相对薄弱部位。
2.2 测试工况
采集多种瞬态工况下的厂房结构振动响应数据，具体工况如下：
序号测试工况名称工况编号序号测试工况名称工况编号
1#4 机组发电开机4FD-ON5#4 机组 25% 甩负荷4LS-25
2#4 机组发电关机4FD-OFF6#4 机组 50% 甩负荷4LS-50
3#2 机组抽水开机2CS-ON7#4 机组 75% 甩负荷4LS-75
4#2 机组抽水关机2CS-OFF8#4 机组 100% 甩负荷4LS-100
2.3 测点布置
#4 机组共布置 47 个测点，#2 机组测点主要布置在三层楼板结构，分一～四象限布置。
发电机层：测点按象限分布于楼板结构。
母线层：测点覆盖上游侧、下游侧及各象限。
机墩风罩结构：包括风罩顶部、机架基础等关键部位。
3 各工况下厂房结构振动特征分析
3.1 开、停机工况下厂房结构振动特征分析
3.1.1 楼板结构响应幅值
对比 #4 机组发电开停机(4FD-ON、4FD-OFF)和 #2 机组抽水开停机(2CS-ON、2CS-OFF)工况下三层楼板各象限振动响应峰值，结果如下：
发电开停机工况楼板振动加速度、速度和位移峰值均大于抽水开停机工况，说明发电瞬态工况为控制工况。
发电工况中，开机工况响应峰值远大于关机工况;抽水工况中，开机工况响应峰值小于关机工况，表明振动影响与机组启闭动作密切相关。
三层楼板振动响应峰值整体呈现水轮机层 > 母线层 > 发电机层，且三个振动指标规律相近。
对照现行振动控制标准，三层楼板振动加速度、速度、位移峰值基本符合限值，仅水轮机层个别测点在 4FD-ON 工况下略超，推测因开机过程中某一频率与楼板自振频率接近产生共振，但持续时间短，对整体结构无不利影响。
3.1.2 机墩风罩结构响应幅值
#4 机组机墩风罩结构在开停机工况下的振动响应显示：
风罩顶部和下机架基础振动加速度、速度和位移基本
符合现行振动控制标准建议限值，但个别点及定子基础振动加速度和速度响应值超限，最大加速度达一定数值。由于开停机工况持续时间较短，厂房整体结构振动响应很快趋于稳定。
发电开机工况下机墩振动响应值明显大于关机工况，且机墩风罩结构各部位振动响应幅值分布规律与楼板结构类似，说明发电开机过程中推力轴承承受的脉动荷载可能占主要成分，产生的振动能量更大。
3.2 甩负荷工况下厂房结构振动特征分析
3.2.1 楼板结构响应
50% 及以下甩负荷工况时，发电机层、母线层、水轮机层三层楼板各方向振动加速度峰值基本符合标准建议限值;75% 及以上甩负荷工况下，部分测点振动加速度峰值超限，其中 100% 甩负荷工况母线层和水轮机层楼板各象限各方向振动加速度峰值基本均大于 10m/s²，水轮机层因距离蜗壳更近，受水流脉动影响最为明显。
三层楼板振动加速度峰值整体呈现水轮机层 > 母线层 > 发电机层;水平方向上，母线层和水轮机层以第一象限振动响应突出，发电机层以第二象限突出。
各甩负荷工况下，所有测点振动位移峰值均未超过 0.2mm，表明楼板结构抗振性能良好，未出现明显损伤开裂。
3.2.2 机墩风罩结构响应
机墩风罩结构振动加速度峰值随甩负荷值增大而增长，风罩顶部、定子基础和下机架基础在 75%、100% 甩负荷工况下均超过 10m/s²，因这些结构是振动能量传递的主要路径，对振动更敏感。
各结构部位振动加速度峰值排序为定子基础 > 下机架基础 > 风罩顶部，说明振动响应主要从与推力轴承连接的机墩风罩结构向外传递，部分从蜗壳座环向混凝土传播。
各甩负荷工况下，振动位移峰值整体小于 0.2mm，仅定子基础部分工况超限，反映厂房结构整体抗振能力较好。
3.3 各瞬态工况下厂房结构振动特征比较分析
第一象限各层楼板、机墩风罩在 6 个瞬态工况下的竖向振动加速度峰值变化趋势一致，数值上表现为 100% 甩负荷 > 75% 甩负荷 > 发电开机 > 50% 甩负荷 > 25% 甩负荷 > 发电关机。
100%、75% 甩负荷工况振动能量巨大，部分部位振动响应超过行业规范建议值(加速度 > 10m/s²)。
100% 甩负荷工况出现概率低，但引起的振动最强烈，单次损伤可能更严重;开停机工况振动响应虽未达最大，但长期操作可能形成累积损伤，需关注其对厂房结构长期运行安全的影响。
4 结论
瞬态工况下厂房结构各典型部位振动响应峰值明显大于稳态工况，振动响应峰值大小规律为定子基础 > 下机架基础 > 风罩顶部。
机组开停机的动作顺序及持续时间对振动响应影响显著，可通过短暂间歇性开停机动作和延长工况操作时间控制瞬时振动能量幅值。
100% 甩负荷工况下厂房结构振动最强烈，最大振动加速度可达 30m/s² 以上，易造成冲击性损伤，建议日常运行尽量避免该工况，若发生需及时巡检关键结构部位，排除安全隐患。
参考文献
[1] 舒扬棨，王日宣。水电站厂房动力分析 [M]. 北京：水利电力出版社，1987.
[2] 董毓新。水轮发电机组振动 [M]. 大连：大连理工大学出版社，1989.
[3] 马震岳，董毓新。水电站机组及厂房振动的研究与治理 [M]. 北京：中国水利水电出版社，2004.
[4] 尚银磊。大型抽水蓄能电站厂房振动相关问题研究 [D]. 北京：中国水利水电科学研究院，2016.
[5] 彭涛。十三陵抽水蓄能电站地下厂房结构振动监测 [J]. 水电自动化与大坝监测，2005 (5): 49-52.
[6] 王学谦，赵兰浩。抽水蓄能电站地下厂房振因仿真分析 [J]. 南水北调与水利科技，2013, 11 (3): 76-81.
[7] 何直。广州抽水蓄能电站地下厂房结构型式对其抗震性能影响研究 [J]. 水力发电，2014, 40 (11): 75-78.
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