基于不同標準半速汽機剛性基礎動力特性分析

劉 偉

(國核電力規(guī)劃設計研究院,北京 100095)

·巖土工程·地基基礎·

基于不同標準半速汽機剛性基礎動力特性分析

劉 偉

(國核電力規(guī)劃設計研究院,北京 100095)

以國內某AP1000核電站半速汽輪發(fā)電機剛性基礎為例，分別根據廠家標準及我國GB 50040—96動力機器基礎設計規(guī)范，采用SAP2000軟件進行有限元建模及動力特性分析，并對采用不同標準的結果進行對比，結果顯示，不同標準下剛性基礎幅頻曲線雖有差異，但均能滿足各個規(guī)范限值要求。

剛性基礎，動力特性，半速機

汽輪發(fā)電機基礎承載著電廠最重要也是最昂貴的設備，不論是常規(guī)火力電廠還是核電站，汽輪機基礎設計都極為關鍵，設計的好壞關系重大。相比于常規(guī)火力發(fā)電站，核電站蒸汽參數不及常規(guī)火力發(fā)電站，為了輸出同樣的功率，核電站汽輪機需要更大的蒸汽流量。當低壓排汽缸數量相同時，核電站汽輪機末級葉片的長度通常要長得多。汽輪機末級葉片長度受到材料強度的制約，不能任意加長。為了能加長汽輪機末級葉片長度，又不超過材料強度的限制，只有降低汽輪機工作轉速，即采用半速機組。目前國內外的半速機基礎主要有兩種形式，一是采用彈簧隔振基礎，用彈簧將擾力產生的振動過濾掉，使得基座不受動力荷載的作用影響。另一種就是采用剛性基礎，通過計算，調整汽輪發(fā)電機基礎的剛度,避開汽輪機的運行轉動的頻率范圍,以免發(fā)生共振。

隨著我國核電建設的高速發(fā)展，核電裝機容量不斷增加，所采用機組類型也不盡相同。相應的，半速汽輪發(fā)電機基礎結構類型也不相同，有的采用剛性基礎，也有的采用彈簧隔振基礎。在進行汽輪發(fā)電機基礎結構分析設計時，國內通常所依據的標準為國家標準GB 50040—96動力機器基礎設計規(guī)范(簡稱“動規(guī)”)。國際上也會遵循相應設備廠家的技術要求或參照國際標準(ISO 10816—2)。不同的標準、規(guī)范或技術要求在計算原則、擾力取值、判定標準等方面都會存在不同。

本文將以國內某大型AP1000三菱機型的半速機組的剛性基礎為例，利用大型通用有限元軟件SAP2000分別采用我國《動規(guī)》和廠家要求兩套標準進行數值分析，并對兩套標準的計算方法和結果進行對比分析，分析方法和對比結果將為后續(xù)核電半速汽機剛性基礎設計提供有意義的參考。

1 我國《動力機器基礎設計規(guī)范》和三菱廠家標準的對比

在汽輪發(fā)電機基礎設計時，不論是遵循我國《動規(guī)》或依據三菱廠家標準，都要對基礎結構進行模態(tài)分析和強迫振動響應分析。但在擾力取值大小、擾力點作用位置和方式、允許振動幅值和結構阻尼比的取值大小上均有不同。

1.1 強迫振動響應分析時的擾力

擾力是指在進行強迫振動相應計算時所采取的激振力。按照我國《動規(guī)》進行分析時《動規(guī)》中有規(guī)定：機器的擾力值、作用位置等亦由機器制造廠提供，當缺少擾力資料時，任意轉速下的擾力值，可按下式計算：

其中，n0為任意轉速；n為機組的工作轉速；Poi為機組任意轉速下的擾力值,kN；對于半速機取Pgi=0.16Wgi(垂直方向和橫向),Pgi=0.08Wgi(縱向),kN，Wgi為作用在基礎擾力點處的轉子重量,kN。根據上式可知，擾力值大小是隨頻率變化的。

按照三菱廠家的標準，引用ISO 1940/1—2004，該機組的不平衡等級為G5.0，則在25 Hz下的擾力公式為：

Pgi=Wi·(2πf)·G/9.81=

Wi×(2π×25)×0.005/9.81=0.08Wi。

其中，Pgi為i點的不平衡擾力，kN；Wi為i點的轉子重量，kN；G為不平衡等級，m/s；f為工作頻率，1/s。

當任意轉速時，同《動規(guī)》標準規(guī)定一樣隨頻率變化。

1.2 振動控制標準

對于不同的設備可以依據廠家的相關標準，如果沒有標準，應該遵照相應的國際、國家標準。對于剛性基礎振動控制，我國《動規(guī)》采用振幅法。控制基礎擾力作用點的振動線位移，不控制頻率。其中規(guī)定，宜取在工作轉速±25%頻率范圍內計算的最大振動線位移作為工作轉速時的計算振動線位移。對于半速汽輪機，《動規(guī)》中基礎擾力點的允許振動線位移在±25%工作轉速內為40 μm。對從啟動到75%工作轉速頻率范圍內的計算振動線位移，應小于1.5倍的允許振動線位移，即在啟動過程中振動線位移應小于60 μm。三菱廠家標準引用ISO 10816標準對基礎進行振動控制。根據ISO 10816標準各擾力點的振動速度均方根值不大于2.8 mm/s。換算成振動線位移后，各擾力點在±25%工作轉速內最大振動線位移限值25 μm。在小于75%工作轉速內最大振動線位移不應大于1.5倍的允許振動線位移。

1.3 阻尼比的取值

進行強迫振動分析，必然會涉及到阻尼比，不同的標準對阻尼比的規(guī)定相差較大。我國《動規(guī)》中規(guī)定阻尼比可取6.25%，為常量。三菱機組廠家技術要求中規(guī)定阻尼比可取恒定值5%。

2 有限元模型建立

以國內某大型AP1000三菱機型的半速機組的剛性基礎各項參數為依據，采用大型通用有限元分析軟件SAP2000進行結構數值建模。大型汽輪發(fā)電機基礎一般形狀不規(guī)則、結構復雜，數值模型的準確與否非常重要，直接關系到分析結果的正確性和準確性。因此，模型應力求更真實、準確和直觀地反映結構自身的力學行為。模型對基礎柱腳假定為固結，僅對頂板和柱子建模,柱子底部設置固定約束。把汽輪機基礎模擬成三維框架，梁柱采用三維梁單元，剪力墻采用柱加剛性梁進行模擬。汽輪機和發(fā)電機等設備不建在模型當中，設備重量作為外加荷載作用在基座上。基礎桿系單元模型拉伸顯示見圖1。

3 模態(tài)分析

采用SAP2000中的模態(tài)分析模塊進行自由振動特性分析，選用特征向量法，振型階數100，并設置截斷頻率35 Hz。

根據模態(tài)計算結果，汽輪發(fā)電機基礎X(縱)向第一階自振頻率為2.53 Hz，Y(橫)向第一階自振頻率為3.66 Hz，Z(豎)向第一階自振頻率為18.2 Hz。汽輪機發(fā)電機基礎在各個方向上的第一階振型都在機器正常運行頻率的80%以內，所以本基礎結構不會發(fā)生結構共振，結構形式是可取的。

4 強迫振動響應分析

本節(jié)分別按照《動規(guī)》和三菱廠家標準，采用SAP2000的頻域分析模塊進行強迫振動分析，采用振型疊加法進行計算。分別按照三菱廠家設計標準和GB 50040—96動力機器基礎設計規(guī)范進行分析計算。

4.1 按照三菱廠家標準強迫振動分析結果

按照三菱廠家標準計算結果見表1。

表1 按照廠家標準分析結果

4.2 按照GB 50040—96動力機器基礎設計規(guī)范強迫振動分析結果

按照《動規(guī)》計算結果見表2。

表2 按照《動規(guī)》分析結果

從以上兩種計算結果可知，由于擾力取值以及阻尼比取值不同，按照廠家標準計算與按照《動規(guī)》計算的各擾力點最大振幅及相應頻率點都有所差異。兩種標準下擾力點的計算最大振幅均能滿足各自限值要求。

5 結語

本文以某三菱機型核電半速機組剛性基礎為例，利用大型有限元軟件SAP2000分別建立了數值模型，并進行了模態(tài)分析和強迫振動響應分析。結果顯示，不同標準下剛性基礎幅頻特性雖有差異，但均能滿足各個規(guī)范限值要求。目前國內核電機組汽輪發(fā)電機基礎一般按照廠家標準或國際標準設計，關于我國《動力機器基礎設計規(guī)范》對于核電半速機基礎設計的適用性，仍需要進一步探討。

Analysis on dynamic characteristics of half speed vehicle rigid foundation based on different standards

Liu Wei

(NationalNuclearPowerPlanning&DesignInstitute,Beijing100095,China)

Taking the rigid foundation of half speed turbine generator of a domestic AP1000 nuclear power plant as an example, respectively according to the manufacturer’s standard and our GB 50040—96PowerMachineFoundationDesignSpecification, this paper made finite element modeling and dynamic characteristics analysis using SAP2000 software, and compared the results of different standards, the results showed, although the rigid foundation amplitude frequency curves had some difference in different standards, but could meet various specification limit value requirement.

rigid foundation, dynamic characteristic, half speed machine

2015-04-23

劉 偉(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)19-0036-02

TH113

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