火力發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

汪俊虎

中國(guó)電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，中國(guó)·貴州 貴陽(yáng) 550000

汽輪發(fā)電機(jī)是火力發(fā)電廠的核心設(shè)備，汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)作為其運(yùn)轉(zhuǎn)平臺(tái)，向來(lái)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究對(duì)象。汽機(jī)基座在設(shè)計(jì)過(guò)程中各部位均有其設(shè)計(jì)基本要求。隨著各項(xiàng)參數(shù)要求的不斷提高，汽機(jī)基座隔振設(shè)計(jì)的重要性越來(lái)越突出。論文就汽機(jī)基座常規(guī)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)作了一個(gè)簡(jiǎn)要分析，并創(chuàng)新性地提出了一種用于汽機(jī)基座底板隔振的設(shè)計(jì)方法。

汽輪發(fā)電機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；隔振設(shè)計(jì)

1 火力發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)基座結(jié)構(gòu)概述

目前，中國(guó)常見(jiàn)的火力發(fā)電形式有燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、生物質(zhì)焚燒發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電及其他可燃物燃燒發(fā)電等?；鹆Πl(fā)電廠的核心是主廠房，主廠房的“心臟”是汽輪發(fā)電機(jī)，而汽輪發(fā)電機(jī)基座則能為汽輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行提供平臺(tái)，故在火力發(fā)電廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，汽機(jī)基座的設(shè)計(jì)是重中之重。當(dāng)然，核電站中，汽輪發(fā)電機(jī)同樣是關(guān)鍵設(shè)備。汽輪發(fā)電機(jī)具有質(zhì)量大、轉(zhuǎn)速高以及容許振幅要求小等特點(diǎn)，故要求汽機(jī)基座強(qiáng)度大、變形小、裂縫寬度小、動(dòng)力性能優(yōu)且經(jīng)濟(jì)合理。

依據(jù)中國(guó)目前的相關(guān)政策，火力發(fā)電在一段時(shí)間內(nèi)依舊是發(fā)電行業(yè)的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，如“上大壓小”“煤改氣”、新建及改建大容量機(jī)組等相關(guān)政策，對(duì)火力發(fā)電行業(yè)而言是相當(dāng)有利的。

2 汽機(jī)基座結(jié)構(gòu)常規(guī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

中國(guó)的汽機(jī)基座主要為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架式結(jié)構(gòu)，框架式汽機(jī)基座通長(zhǎng)由基座底板、基座柱及頂板組成，大機(jī)組通常還設(shè)有中間平臺(tái)?？蚣苁交A(chǔ)按多自由度空間力學(xué)模型進(jìn)行多方案分析，在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，經(jīng)濟(jì)合理地對(duì)頂（臺(tái)）板、柱及地板進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型。

2.1 汽機(jī)基座臺(tái)板常規(guī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

臺(tái)板設(shè)計(jì)應(yīng)保證足夠的剛度，在有繞力作用的部位，可局部增大質(zhì)量以減小振動(dòng)，臺(tái)板上受力清晰，傳力路徑明確。臺(tái)板頂面及底面最小配筋率不宜小于0.15%，臺(tái)板梁?jiǎn)蝹?cè)配筋率不宜小于0.1%，高、中壓缸（并非每一臺(tái)汽機(jī)都有，具體依實(shí)際工程而定）側(cè)臺(tái)板梁梁側(cè)最小配筋率不宜小于0.15%，臺(tái)板澆筑混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不宜小于C30，不宜大于C40。臺(tái)板梁主受力筋直徑建議取22mm～28mm，臺(tái)板梁側(cè)鋼筋直徑建議取16mm～22mm，臺(tái)板構(gòu)造部分的鋼筋直徑建議不小于12mm。

2.2 汽機(jī)基座柱常規(guī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

柱設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性等要求的前提下，可以適當(dāng)減小柱截面，但柱的長(zhǎng)細(xì)比不宜超過(guò)14，若柱的強(qiáng)度及穩(wěn)定性足夠可靠，長(zhǎng)細(xì)比在14的基礎(chǔ)上可適當(dāng)放寬。柱軸壓比盡可能接近或保持相當(dāng)，且截面尺寸建議不小于600mm×600mm，根機(jī)組功率的不同，柱截面可參照表1取值。

表1 汽機(jī)基座柱截面尺寸取值參考表

基座柱身沿高度方向可設(shè)置2～3道施工縫，柱上施工縫的位置一般布置在底板頂300mm～500mm范圍、零米標(biāo)高附近，中間層（如有）板面上200mm～500mm范圍以及臺(tái)板底200mm～300mm范圍。盡可能柱縱向最小配筋率不宜小于0.6%[1]，大機(jī)組汽機(jī)基座柱主受力筋直徑建議取25mm～32mm，小機(jī)組汽機(jī)基座受力主筋直徑建議取22mm～28mm；柱箍筋直徑建議取10mm～14mm，采用封閉箍形式，焊接封閉，不建議采用綁扎封閉[2]。

2.3 汽機(jī)基座底板常規(guī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

基座底板應(yīng)具有足夠的剛度，根據(jù)地質(zhì)條件及上部條件的不同，基座底板可設(shè)計(jì)為平板式、梁板式或井式[3]。當(dāng)有需要時(shí)，可以采用樁基；當(dāng)需進(jìn)行地基處理時(shí)，可采用超深、換填、復(fù)合地基等方式?；装搴穸然蚴蔷健⒘喊迨降牧焊咭杂?jì)算作為最基本的依據(jù)，在滿足基座柱嵌固的前提下，可取基座相鄰柱之間凈距的1/3.5～1/5[4]，該范圍僅為建議，最終基座底板厚（或底板梁高）依據(jù)計(jì)算結(jié)果綜合確定?；装寤炷翉?qiáng)度等級(jí)不宜小于C25，建議與基座柱保持同一個(gè)混凝土強(qiáng)度級(jí)別，若實(shí)際需要，基礎(chǔ)底板砼強(qiáng)度等級(jí)亦可按照小于柱砼強(qiáng)度一個(gè)等級(jí)選用[2]。汽機(jī)基座底板板頂及板底最小配筋率不宜小于0.1%，建議鋼筋直徑選取20mm～25mm；底板側(cè)面四周設(shè)置構(gòu)造鋼筋，鋼筋直徑建議為16mm～20mm。

2.4 汽機(jī)基座中間平臺(tái)常規(guī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

汽機(jī)基座中間平臺(tái)可以與主體結(jié)構(gòu)整體現(xiàn)澆，亦可采用分離式布置。當(dāng)采用整體現(xiàn)澆時(shí)，起混凝土強(qiáng)度等級(jí)建議取C30～C40[4]，與主體結(jié)構(gòu)保持一致，平臺(tái)主梁截面高度可取柱凈距的1/6～1/12，前提是計(jì)算上得滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性。平臺(tái)板厚建議取值不小于120mm。中間平臺(tái)梁的主受力筋配筋率建議控制在0.5%～1.6%之間，板配筋率建議控制在0.3%～0.8%之間。

3 汽機(jī)基座結(jié)構(gòu)隔振設(shè)計(jì)要點(diǎn)

汽機(jī)基座結(jié)構(gòu)的振動(dòng)一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮及研究的內(nèi)容。隨著汽輪發(fā)電機(jī)精細(xì)化程度的大幅飛躍，以及實(shí)際工程中，對(duì)振動(dòng)及舒適度要求的不斷提高，關(guān)于基座隔振設(shè)計(jì)的研究工作愈發(fā)緊迫。

目前，常見(jiàn)的隔振設(shè)計(jì)主要目光集中在臺(tái)板及中間層平臺(tái)兩個(gè)部位，最核心的還是臺(tái)板隔振設(shè)計(jì)。

3.1 汽機(jī)基座臺(tái)板隔振設(shè)計(jì)

臺(tái)板隔振主要利用臺(tái)板下設(shè)彈簧隔振單元，支承于支承結(jié)構(gòu)之上，基座臺(tái)板與支承結(jié)構(gòu)之間脫開(kāi)設(shè)計(jì)[5]。中國(guó)最早于1980年在河南登封電廠汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)匯總應(yīng)用彈簧隔振技術(shù)，該電廠汽機(jī)基座運(yùn)行20余載，隔振效果良好。目前彈簧隔振技術(shù)在中國(guó)的電廠汽機(jī)基座中的應(yīng)用，尤其是大型機(jī)組中的應(yīng)用較為廣泛。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也日趨成熟，目前汽輪發(fā)電機(jī)彈簧隔振基礎(chǔ)的主要設(shè)計(jì)步驟為：獲取資料→初選臺(tái)板尺寸→選擇彈簧隔振單元→頂板動(dòng)力計(jì)算→核實(shí)、調(diào)整臺(tái)板尺寸→臺(tái)板靜力計(jì)算→調(diào)整、確定臺(tái)板尺寸→彈簧下支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→基礎(chǔ)底板設(shè)計(jì)。彈簧隔振元件的合力作用點(diǎn)應(yīng)與支承柱截面形心重合[5]。

汽機(jī)基座隔振設(shè)計(jì)中，彈簧隔振器的選型十分關(guān)鍵。一般情況下，彈簧隔振單元宜選用定型產(chǎn)品，使用壽命不少于30年[5]，且要求其使用壽命大于主機(jī)設(shè)備的使用壽命；彈簧隔振器應(yīng)配置適當(dāng)?shù)淖枘崞饕栽黾悠浜哪艿哪芰Γ粡椈筛粽裨慕饘贅?gòu)件部分必須做好防腐除銹工作；在汽機(jī)基座正常運(yùn)行下，彈簧隔振器的壓縮變形應(yīng)保持基本相同，不同柱頂上隔振器變形差不應(yīng)超過(guò)0.5mm。

3.2 汽機(jī)基座中間平臺(tái)隔振設(shè)計(jì)

實(shí)際工程中，汽機(jī)基座中間層平臺(tái)，更多的情況是與主體結(jié)構(gòu)整體澆筑，整體澆筑的弱點(diǎn)就是中間層平臺(tái)往往振幅較大且容易增加整個(gè)基座的自振頻率，中間平臺(tái)舒適度有所降低，為滿足振動(dòng)性能設(shè)計(jì)，中間層平臺(tái)往往需要澆筑大量的混凝土。在此背景之下，中間平臺(tái)的隔振設(shè)計(jì)顯得十分重要，也很有必要。中間平臺(tái)隔振設(shè)計(jì)時(shí)，與主體結(jié)構(gòu)脫開(kāi)設(shè)計(jì)，思路大致為：平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式初選→隔振元件布置→主體支承體系設(shè)計(jì)→主體結(jié)構(gòu)柱設(shè)計(jì)→基座底板設(shè)計(jì)。中間隔振平臺(tái)通常采用鋼梁+鋼筋混凝土組合樓板的隔振平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，中間平臺(tái)隔振元件可以選用彈簧隔振或是橡膠隔振[5]，具體依據(jù)機(jī)組大小、設(shè)備資料、主體結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際等因素綜合考慮。

4 汽機(jī)基座底板隔振設(shè)計(jì)探究

基座中，在隔振設(shè)計(jì)方面，頂板隔振及中間層隔振應(yīng)用技術(shù)日趨成熟。上面上個(gè)部位的隔振主要是針對(duì)設(shè)備本身的隔振和中間平臺(tái)本身的隔振，通過(guò)隔振消能之后，依舊難以消除整個(gè)汽機(jī)基座的振動(dòng)，而整個(gè)基座的振動(dòng)最終都會(huì)傳遞到地基，由于地基與周邊的建構(gòu)筑物是一個(gè)整體，故而不可避免地會(huì)引起臨近建構(gòu)筑物的振動(dòng)。為緩解基座振動(dòng)對(duì)周邊建構(gòu)筑物產(chǎn)生的不利影響，可考慮對(duì)基座底板進(jìn)行隔振減振設(shè)計(jì)。大致思路如圖1所示，通過(guò)在底板下設(shè)橡膠墊及砂質(zhì)緩沖褥墊層，達(dá)到耗能減振的目的。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，一定要注意隔振設(shè)計(jì)和隔震設(shè)計(jì)之間的區(qū)別與聯(lián)系，隔振主要考慮的工況是非地震作用下，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中為減小設(shè)備及基座振動(dòng)的設(shè)計(jì)技術(shù)方法，而隔震主要是基座抗震設(shè)計(jì)中的一種隔震消能設(shè)計(jì)技術(shù)方法。隔振與隔震兩者之間性質(zhì)不同，出發(fā)點(diǎn)不同，但是設(shè)計(jì)思路有共同之處，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)加以注意。論文主要是針對(duì)隔振進(jìn)行相關(guān)探討。

圖1 汽機(jī)基座底板隔振設(shè)計(jì)示意

5 結(jié)語(yǔ)

汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)高度重視結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算及分析，且應(yīng)在設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中探索汽機(jī)基座隔振減振設(shè)計(jì)方法。在汽機(jī)基座隔振減振設(shè)計(jì)中，由下至上，分別從基座底板、中間平臺(tái)及運(yùn)轉(zhuǎn)層頂板進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)，隔振設(shè)計(jì)的基本思路即通過(guò)隔振元件的變形耗能以達(dá)到減振的目的。