核電廠循環(huán)水泵基礎(chǔ)動(dòng)力特性分析

王 衎 柴 進(jìn)

(1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095； 2.國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司，山東 威海 264300)

核電廠循環(huán)水泵基礎(chǔ)動(dòng)力特性分析

王 衎1柴 進(jìn)2

(1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095； 2.國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司，山東 威海 264300)

以國(guó)內(nèi)某核電工程為例，采用MIDAS GEN有限元分析軟件，對(duì)水泵基礎(chǔ)進(jìn)行了整體建模計(jì)算，分析了該循環(huán)水泵基礎(chǔ)的動(dòng)力特征，得出的結(jié)果為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的信息，保障了核電廠的安全運(yùn)行。

核電廠，循環(huán)水泵，有限元，動(dòng)力特性

對(duì)于循環(huán)水泵這種大型動(dòng)力設(shè)備而言，其正常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的動(dòng)荷載作用，若該動(dòng)荷載的頻率與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的某一階固有頻率接近，會(huì)引起結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象，從而產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)力，可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或發(fā)生不允許的變形。而以往火力燃煤發(fā)電廠，由于循環(huán)水量較小，循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)布置相對(duì)簡(jiǎn)單，一般不需要針對(duì)其基礎(chǔ)進(jìn)行有限元整體振動(dòng)分析。相對(duì)于火電廠[1]，核電廠的重要性及安全性要求更高，由于核電廠循環(huán)水量大，循環(huán)水泵采用立式泵，其布置較為復(fù)雜。本文以國(guó)內(nèi)某三代核電項(xiàng)目為依托，通過(guò)大型有限元計(jì)算軟件Midas對(duì)循環(huán)水泵基礎(chǔ)進(jìn)行整體建模分析，用模態(tài)分析方法求出水泵基礎(chǔ)的固有頻率、振型及不同工況下的振動(dòng)線位移等參量，為今后核電廠循環(huán)水泵基礎(chǔ)動(dòng)力設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 水泵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型的建立

1.1 模型的建立

本文運(yùn)用大型有限元計(jì)算軟件Midas建立循環(huán)水泵基礎(chǔ)模型。結(jié)構(gòu)的墻體與樓板部分用殼單元模擬，梁柱部分用梁?jiǎn)卧M，地基采用彈簧單元來(lái)模擬中等風(fēng)化巖石。邊界條件：底板為節(jié)點(diǎn)彈性支承，底板邊緣設(shè)置法向固定，流道前端固定。

水泵基礎(chǔ)選用的混凝土標(biāo)號(hào)為C40，其彈性模量取3.25×1010N/m2，泊松比取0.2，質(zhì)量密度取2 500 kg/m3。根據(jù)廠家提供資料，電機(jī)與水泵的正常工作機(jī)組轉(zhuǎn)速均為198 r/min，擾力頻率為3.3 Hz。

循環(huán)水泵及基礎(chǔ)的工藝布置如圖1所示，泵房?jī)?nèi)共設(shè)8臺(tái)水泵，考慮在泵房中間位置設(shè)置一道伸縮縫，本模型僅截取一側(cè)4臺(tái)水泵，編號(hào)見(jiàn)圖1。

1.2 質(zhì)量源的定義

根據(jù)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析原理，結(jié)合循環(huán)水泵基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模型需要將以下荷載轉(zhuǎn)換為質(zhì)量源：1)循環(huán)水泵基礎(chǔ)的梁、柱、墻和板的自重；2)電機(jī)層、泵層及鼓網(wǎng)檢修平臺(tái)層的活荷載；3)電機(jī)及水泵的設(shè)備自重；4)門(mén)吊設(shè)備荷載；5)上部框架結(jié)構(gòu)荷載。

1.3 擾力的定義

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2]，當(dāng)進(jìn)行低轉(zhuǎn)速(機(jī)器工作轉(zhuǎn)速在1 000 r/min及以下)的動(dòng)力計(jì)算時(shí)，其擾力、允許振動(dòng)線荷載及當(dāng)量荷載可取轉(zhuǎn)子重量的1/10。水泵轉(zhuǎn)子和電機(jī)轉(zhuǎn)子重量分別為160 kN，206.6 kN，泵層擾力及電機(jī)層擾力分別為16.0 kN和20.66 kN。

基礎(chǔ)的振動(dòng)是由于轉(zhuǎn)子傳遞到基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)諧擾力引起的，作用位置根據(jù)水泵和電機(jī)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)固定的位置確定。將電機(jī)層及泵層擾力平均分配到基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)上，其諧振函數(shù)圖形分別如圖2，圖3所示。

1.4 荷載工況

水泵運(yùn)行共有四種情況，第一種情況為4臺(tái)機(jī)組全部運(yùn)轉(zhuǎn)工況；第二種情況為單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，有四種工況(1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)分別運(yùn)行)；第三種情況為兩臺(tái)水泵運(yùn)行，共六種工況(1號(hào)，2號(hào)；1號(hào)，3號(hào)；1號(hào)，4號(hào)；2號(hào)，3號(hào)；2號(hào)，4號(hào)；3號(hào)，4號(hào))；第四種情況為三臺(tái)水泵運(yùn)行，共四種工況(1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)；1號(hào)，2號(hào)，4號(hào)；1號(hào)，3號(hào)，4號(hào)；2號(hào)，3號(hào)，4號(hào))。本文從中選取四種工況對(duì)基礎(chǔ)振動(dòng)特性進(jìn)行研究。

1)工況一：機(jī)組全部運(yùn)轉(zhuǎn)(該工況下考慮三種組合)?；窘M合1/2/3=(D1+D3+L2+L3+L4+L5)+(泵層及電機(jī)層X(jué)/Y/Z向激勵(lì))。

2)工況二：2號(hào)水泵單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)工況(該工況下考慮三種組合)?；窘M合4/5/6=(D1+D3+L2+L3+L4+L5)+(2號(hào)泵層及電機(jī)層X(jué)/Y/Z向激勵(lì))。

3)工況三：1號(hào)、2號(hào)水泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)工況(該工況下考慮三種組合)?；窘M合7/8/9=(D1+D3+L2+L3+L4+L5)+(1號(hào)，2號(hào)泵層及電機(jī)層X(jué)/Y/Z向激勵(lì))。

4)工況四：1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)水泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)工況(該工況下考慮三種組合)。基本組合10/11/12=(D1+D3+L2+L3+L4+L5)+(1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)泵層及電機(jī)層X(jué)/Y/Z向激勵(lì))。

其中，D1為自重及附件自重；D3為電機(jī)層及泵層活荷載；L2為泵層設(shè)備活載；L3為電機(jī)層設(shè)備活載；L4為門(mén)吊設(shè)備活載；L5為上部結(jié)構(gòu)設(shè)備活載。在進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算時(shí)，需要將以上靜力荷載轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，以便更真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。

2 計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

2.1 振型及周期

利用Midas采用振型疊加法計(jì)算基礎(chǔ)的前50階振型，前4階振型見(jiàn)圖4～圖7。根據(jù)振型圖可以看出，第一振型為X向振動(dòng)，第二振型為Y向振動(dòng)，第三及第四振型為X—Y向平面扭轉(zhuǎn)，與振型基本規(guī)律吻合。泵基礎(chǔ)前12階自振周期及自振頻率見(jiàn)表1。

表1 循環(huán)水泵基礎(chǔ)前12階自振周期及頻率

模態(tài)號(hào)頻率周期rad/seccycle/secsec166.411510.56970.0946274.173411.80510.0847384.271813.41230.07464100.440715.98560.06265115.528218.38690.05446119.460119.01270.05267126.744620.1720.04968136.770221.76770.04599138.49122.04150.045410140.234722.3190.044811142.052922.60840.044212143.49922.83860.0438

由表1可知，循環(huán)水泵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主振型(第一振型)頻率為10.57 Hz，大于設(shè)備正常工作頻率3.3 Hz，故可以避開(kāi)共振。

2.2 電機(jī)擾力下電機(jī)層的振動(dòng)

關(guān)鍵點(diǎn)主要選擇在梁跨中等振幅較大的位置，由于泵房右側(cè)為1 500 mm厚隔墻，抗振動(dòng)能力較好，故選取6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)皆位于1號(hào)、2號(hào)機(jī)組，具體位置如圖8所示。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2～表5及圖9～圖11。

表2 工況一作用下電機(jī)層關(guān)鍵點(diǎn)振幅表

表3 工況二作用下電機(jī)層關(guān)鍵點(diǎn)振幅表

表4 工況三作用下電機(jī)層關(guān)鍵點(diǎn)振幅表

表5 工況四作用下電機(jī)層關(guān)鍵點(diǎn)振幅表

從表3可以看出，各向振動(dòng)線位移最大值為0.98 μm，小于規(guī)范容許的振幅限值。在豎向(Z向)激勵(lì)下，振動(dòng)線位移較小，可知振動(dòng)線位移主要受水平方向激勵(lì)影響較大。從表4可知，當(dāng)2號(hào)機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，不僅在4號(hào)，5號(hào)，6號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)(2號(hào)機(jī)組關(guān)鍵點(diǎn))處產(chǎn)生較大振幅，而且1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)(1號(hào)機(jī)組)處也有一定的振動(dòng)，說(shuō)明運(yùn)行機(jī)組對(duì)其他位置存在一定影響；同樣地，擾力對(duì)基礎(chǔ)的影響主要在X—Y平面內(nèi)，豎向(Z向)擾力作用下的振動(dòng)線位移較小。對(duì)于工況三及工況四，隨著運(yùn)行機(jī)組數(shù)量的增加，各關(guān)鍵點(diǎn)處的位移皆有一定程度的增幅，說(shuō)明機(jī)組運(yùn)行所產(chǎn)生的振動(dòng)有疊加效果。

2.3 水泵擾力下水泵層的振動(dòng)

水泵層布置及關(guān)鍵點(diǎn)的選取如圖12所示，與電機(jī)層類(lèi)似，關(guān)鍵點(diǎn)皆位于1號(hào)，2號(hào)機(jī)組。水泵擾力作用下水泵層工況一及工況二的最大振幅見(jiàn)表6及圖13～圖15。

表6 工況一及工況二作用下電機(jī)層關(guān)鍵點(diǎn)振幅表

由計(jì)算結(jié)構(gòu)分析可知，4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)均為在工況一下的X向振幅最大，最大振動(dòng)線位移出現(xiàn)在7號(hào)點(diǎn)，最大值為0.32 μm，小于規(guī)范容許的振幅限值。而豎向振動(dòng)線位移較小，由此可見(jiàn)振動(dòng)線位移主要受水平方向的擾力影響較大。在工況一作用下，各關(guān)鍵點(diǎn)的振幅均比工況二大，說(shuō)明四臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行的情況要比單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的工況更為不利，多臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大的相互影響，在設(shè)計(jì)過(guò)程中不容忽視。

2.4 水泵層與電機(jī)層的相互影響

2號(hào)機(jī)組水泵層單獨(dú)運(yùn)行時(shí)三向作用在電機(jī)層6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)所

產(chǎn)生的振幅見(jiàn)表7。另外，水泵層擾力對(duì)電機(jī)層的影響與電機(jī)層擾力對(duì)自身基礎(chǔ)所產(chǎn)生的振幅進(jìn)行比較，結(jié)果如圖16～圖18所示。

表7 水泵層擾力對(duì)電機(jī)層關(guān)鍵點(diǎn)振幅影響表

關(guān)鍵點(diǎn)號(hào)振動(dòng)線位移/μmX向激勵(lì)(基本組合4)Y向激勵(lì)(基本組合5)Z向激勵(lì)(基本組合6)10.150.070.0220.100.050.0130.120.030.0240.230.160.0550.140.090.0460.160.080.05最大位移0.230.160.05

由圖16～圖18可知，雖然水泵與電機(jī)分層而置，但水泵層對(duì)電機(jī)層的關(guān)鍵點(diǎn)仍有影響，且在關(guān)鍵點(diǎn)4處所產(chǎn)生的振幅大約為電機(jī)層擾力影響的80%。

同樣地，電機(jī)層的單獨(dú)運(yùn)行對(duì)水泵層也有一定程度的影響，且影響規(guī)律類(lèi)似，此處不再贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以國(guó)內(nèi)某核電工程為依托，對(duì)循環(huán)水泵基礎(chǔ)進(jìn)行了動(dòng)力特性分析。本次計(jì)算考慮了四種水泵運(yùn)行組合情況，分別為1臺(tái)水泵、2臺(tái)水泵、3臺(tái)水泵及4臺(tái)水泵運(yùn)行的工況，并且對(duì)水泵層及電機(jī)層的相互影響進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

1)循環(huán)水泵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的第一振型頻率為10.57 Hz，大于循環(huán)水泵正常工作頻率3.3 Hz。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，可以避開(kāi)共振區(qū)域。

2)循環(huán)水泵的電機(jī)基礎(chǔ)的振動(dòng)線位移最大為0.98 μm，水泵基礎(chǔ)的振動(dòng)線位移最大為0.32 μm，小于GB 50040—96動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的限制，滿足規(guī)范要求。

3)多臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行工況所產(chǎn)生的振幅要比單臺(tái)水泵運(yùn)行的振幅大，說(shuō)明水泵運(yùn)行存在相互影響，且這種影響對(duì)結(jié)構(gòu)不利。隨著水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)的增多，振幅相應(yīng)增大。

4)無(wú)論是水泵層還是電機(jī)層，其水平振幅比豎直振幅大，這符合低轉(zhuǎn)速電機(jī)的振動(dòng)規(guī)律。

[1] 程志卿.大型火力發(fā)電廠循環(huán)水泵系統(tǒng)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能分析[D].西安：西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

[2] GB 50040—96，動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Dynamic performance analysis on nuclear power plant circulating pump foundation

Wang Kan1Chai Jin2

(1.NationalNuclearPowerPlanning&DesignAcademy,Beijing100095,China;2.NationalNuclearDemonstrationPowerStationCo.,Ltd,Weihai264300,China)

Taking domestic nuclear power engineering as an example, applying MIDAS GEN finite element analysis software, the paper carries out integral modeling calculation for the water pump foundation, analyzes dynamic properties of the circulating water pump, and achieves some achievements which can provide accurate information of structural design and can guarantee the safe operation of the nuclear power plant.

nuclear power plant, circulating water pump, finite element, dynamic property

1009-6825(2017)01-0069-03

2016-10-22

王 衎(1988- )，男，助理工程師； 柴 進(jìn)(1988- )，男，助理工程師

TU435

A