胡云霞，呂小蘭，何喜洋

(中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

0 引言

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)作為安全、高效、清潔的能源利用方式，越來越受到國內(nèi)外電力行業(yè)及政府的重視[1-2]。我國大力推廣的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組以往項(xiàng)目的技術(shù)和設(shè)備全部靠進(jìn)口，使得我國的燃機(jī)發(fā)電技術(shù)對國外技術(shù)有非常大的依賴性。

我國廣東某2×472.52 MW燃機(jī)項(xiàng)目(簡稱“廣東燃機(jī)項(xiàng)目”)機(jī)島設(shè)備采用國產(chǎn)成套供貨的引進(jìn)技術(shù)，即F級改進(jìn)型燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組。該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組配置為“一拖一”多軸形式，汽輪機(jī)采用我國某汽輪機(jī)廠全新開發(fā)的三壓、雙缸、再熱、抽汽、軸排型式汽輪機(jī)。該項(xiàng)目汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)型式為嵌入式，與傳統(tǒng)框架式汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)有較大區(qū)別，屬于DL 5022—2012《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[3]規(guī)定的新型汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)(簡稱“汽機(jī)基座”)。本文對該汽機(jī)基座進(jìn)行了詳細(xì)的動(dòng)力分析及模型研究，重點(diǎn)分析該汽機(jī)基座與傳統(tǒng)剛性基礎(chǔ)在動(dòng)力特性方面的聯(lián)系與區(qū)別。

1 結(jié)構(gòu)方案

廣東燃機(jī)項(xiàng)目采用國產(chǎn)全新開發(fā)的三壓、雙缸、再熱、抽汽、軸排型式汽輪機(jī)，供熱采用高排抽汽方案，不僅能滿足額定222 t/h供熱要求，也滿足最大300 t/h供熱(高排+熱再)要求。本項(xiàng)目汽輪發(fā)電機(jī)本體及結(jié)構(gòu)布置如圖1和圖2所示。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)層平面布置

圖2 汽輪機(jī)本體及凝汽器“嵌入”基礎(chǔ)

由于采用了軸向排氣方式，臺(tái)板1號軸承處的橫梁被迫取消以便于凝汽器的“嵌入”；此外，1號、2號軸承之間的縱梁開孔后最窄處僅1 m寬，構(gòu)成了基座結(jié)構(gòu)的薄弱部位。為了彌補(bǔ)橫梁缺失和開孔薄弱部位的影響，在機(jī)務(wù)專業(yè)允許的空間范圍內(nèi)布置了墻體。

2 計(jì)算模型

根據(jù)文獻(xiàn)[4]及文獻(xiàn)[5]，動(dòng)力計(jì)算按振動(dòng)線位移控制，各軸承擾力值如表1所示；計(jì)算振動(dòng)線位移時(shí)，采用空間多自由度“桿系+板殼”計(jì)算模型[6](如圖3所示)，柱腳嵌固于筏板頂面；采用通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件SAP 2000的頻域分析功能實(shí)現(xiàn)單個(gè)擾力的振動(dòng)線位移計(jì)算，另外，自行編制了VBA計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行各擾力點(diǎn)振動(dòng)位移的SRSS組合，程序界面如圖4所示。

表1 各軸承擾力值 kN

圖3 汽機(jī)基座空間桿系計(jì)算模型

圖4 振動(dòng)線位移提取程序界面

動(dòng)力分析時(shí)，為方便程序?qū)崿F(xiàn)，未使用時(shí)程分析，而使用SAP2000中特有的頻域分析功能。按規(guī)范要求取用0.062 5阻尼比，對應(yīng)SAP2000頻域分析中的阻尼系數(shù)0.125[7-8]；地震作用計(jì)算時(shí)，仍然使用0.05阻尼比；按德國規(guī) 范《Machine foundations – Flexible Structures that Support Machines with Rotating Elements》(DIN 4024 Part 1)[9]進(jìn)行動(dòng)力分析校核時(shí)，阻尼比取用0.02，對應(yīng)阻尼系數(shù)為0.04。

為了用梁單元模擬基座的“肥梁胖柱”，工程中常用的做法是采用剛性桿。剛性桿能夠在模型中顯示出來，容易直觀檢查；缺點(diǎn)是需要自行設(shè)置桿的剛度，并且不同的剛度有著不同的內(nèi)力分析結(jié)果[9-12]。另外，剛性桿不宜設(shè)置太多“零”，因?yàn)闂U件之間剛度差異太大就會(huì)有舍入誤差，計(jì)算結(jié)果會(huì)失真甚至發(fā)散。為了解決上述矛盾，先在SAP2000中使用常規(guī)梁單元連接梁柱構(gòu)件，再通過SAP2000二次開發(fā)將其全部轉(zhuǎn)換為剛域，如圖5所示。

圖5 剛域轉(zhuǎn)換程序界面

3 動(dòng)力分析

按照規(guī)范要求，分別進(jìn)行模態(tài)分析及擾力作用下的振動(dòng)線位移分析?；B(tài)分析結(jié)果如表2所示。可見，被移除尾部橫梁后，基礎(chǔ)的剛度仍然較大，如圖6所示；常規(guī)剛性基礎(chǔ)第1頻率在4.0～6.0 Hz左右。如圖7所示。第4振型之后開始出現(xiàn)嵌入框架部分的局部振型，而此類振型由于設(shè)備的存在，實(shí)際上不會(huì)發(fā)生；補(bǔ)充設(shè)置的剪力墻在剛度上很大程度上彌補(bǔ)了嵌入式的削弱。眾所周知，基座的動(dòng)力特性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并不在結(jié)構(gòu)“靜”剛度，而是在動(dòng)剛度。具體情況還要以強(qiáng)迫振動(dòng)分析結(jié)果為準(zhǔn)。

表2 基座的模態(tài)分析結(jié)果

圖6 第1振型和第3振型

圖7 第5振型和第6振型

從模型中提取各個(gè)軸承點(diǎn)的X、Y、Z三個(gè)方向振動(dòng)線位移數(shù)據(jù)，并且按照GB 50040—96《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行SRSS組合后，得出各個(gè)軸承點(diǎn)在三個(gè)方向的振動(dòng)線位移與頻率的關(guān)系曲線，如圖8～圖10所示。從這三張圖可以看出，三個(gè)方向的振動(dòng)線位移在75%工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(0～37.5 Hz)均小于規(guī)范允許的30 μm，在±25%工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(37.5～62.5 Hz)則均小于規(guī)范允許的20 μm，滿足規(guī)范要求。

圖8 軸向振動(dòng)線位移頻域分析結(jié)果

圖9 橫向振動(dòng)線位移頻域分析結(jié)果

圖10 豎向振動(dòng)線位移頻域分析結(jié)果

4 結(jié)語

方案設(shè)計(jì)及詳細(xì)動(dòng)力分析結(jié)果表明：在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)(0～1.25倍工作轉(zhuǎn)速)，三個(gè)方向的振動(dòng)線位移均小于規(guī)范允許值(20 ～ 30 μm)。

分析結(jié)果顯示，在機(jī)器啟動(dòng)階段，基座縱向(Y向)振動(dòng)均方根速率在頻率34～39 Hz超出德國標(biāo)準(zhǔn)《Machine vibration– Evaluation of Machine Vibration by Measurements on Nonrotating Parts. Part 1∶ General guidelines》(DIN ISO 10816-1∶1995)[13]的允許值，原因初步認(rèn)為是2號軸承右側(cè)縱梁端部寬度較小，僅為1 000 mm，出現(xiàn)剛度突變。但德國標(biāo)準(zhǔn)要求的頻域分析范圍較小(45～55 Hz)，可以認(rèn)為只是啟動(dòng)過程中的短暫超標(biāo)，不影響機(jī)組正常運(yùn)行。

該新型嵌入式汽輪發(fā)電機(jī)基座已經(jīng)應(yīng)用于工程實(shí)踐，基座投入運(yùn)行一年多以來，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，性能指標(biāo)優(yōu)良，進(jìn)一步驗(yàn)證了該嵌入式新型基座具有良好的動(dòng)力性能。