水泥余熱發(fā)電機(jī)組空冷島振動(dòng)問題分析與處理

李昊晨，田松峰，丁閃閃

水泥余熱發(fā)電機(jī)組空冷島振動(dòng)問題分析與處理

李昊晨，田松峰，丁閃閃

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

為解決山西某水泥余熱發(fā)電廠因生料磨振動(dòng)而導(dǎo)致的空冷島結(jié)構(gòu)振動(dòng)超標(biāo)問題，采用粘彈性人工邊界單元，建立振源–土體–空冷島結(jié)構(gòu)的三維模型，通過對空冷島進(jìn)行模態(tài)分析得出其主要振動(dòng)頻率，結(jié)合振動(dòng)在土體中的傳遞及衰減規(guī)律，提出隔振溝隔振的解決辦法。針對溝深、溝寬、溝數(shù)量、溝間距及距振源距離等參數(shù)對隔振溝隔振效果的影響進(jìn)行分析，選定隔振溝各參數(shù)的最優(yōu)值并確定最佳方案，從而使空冷島設(shè)備可以正常運(yùn)行。

水泥余熱發(fā)電；空冷島；隔振溝；有限元分析

0 引言

能源是人類生存與發(fā)展中的關(guān)鍵因素，合理開發(fā)及高效利用是能源問題中的重中之重。據(jù)《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒（2017年）》顯示，能源消耗中工業(yè)消耗占比約70%，其中水泥行業(yè)耗能占比量約為7%[1]。水泥行業(yè)屬于高耗能行業(yè)。在水泥實(shí)際生產(chǎn)流程中，水泥窖排放的中低溫廢氣溫度可到350℃。若將該部分廢氣直接排放至大氣中，不僅導(dǎo)致大量的能源浪費(fèi)，還造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，這與“節(jié)能減排”的政策相背離。水泥余熱發(fā)電技術(shù)的實(shí)施使該部分廢氣能得以回收與利用[2]。

自“十一五”以來，水泥余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，空冷技術(shù)與水泥余熱發(fā)電技術(shù)的結(jié)合得到廣泛應(yīng)用[3]?？绽湎到y(tǒng)在運(yùn)行中，風(fēng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)可能會引起空冷系統(tǒng)的部件振動(dòng)值過大，且該值與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行頻率，風(fēng)機(jī)橋架剛度及其隔振措施密切相關(guān)。此外，水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)中存在大量的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，如回轉(zhuǎn)窖、立磨、管磨、選粉機(jī)、各類破碎機(jī)及風(fēng)機(jī)等。這些轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生一系列的隨機(jī)振動(dòng)，此時(shí)產(chǎn)生的載荷為動(dòng)載荷，其值可達(dá)靜載荷的數(shù)倍。該部分振動(dòng)可經(jīng)土層傳遞至地表。當(dāng)振幅較大，頻率較低，且與結(jié)構(gòu)的自振頻率相近甚至相等時(shí)，可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振，引發(fā)結(jié)構(gòu)的二次振動(dòng)。若水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備振動(dòng)引起空冷島系統(tǒng)設(shè)備的二次振動(dòng)，則水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行將無法得到保障[4]。以山西某水泥預(yù)熱發(fā)電廠為例，該廠空冷島設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)振動(dòng)速度應(yīng)維持在6.3 mm/s以下；但在生料磨運(yùn)行時(shí)，空冷島設(shè)備的振動(dòng)速度嚴(yán)重超標(biāo)，達(dá)12.3 mm/s，設(shè)備無法正常運(yùn)行。因此，有必要對該廠生料磨等外部振動(dòng)引起空冷島結(jié)構(gòu)振動(dòng)超標(biāo)問題進(jìn)行深入研究。

目前，振動(dòng)的控制方法主要分為積極隔振、消極隔振與介質(zhì)隔振，即分別從振源、受振體和傳播介質(zhì)入手對振動(dòng)進(jìn)行控制[5-7]。結(jié)合余熱發(fā)電廠實(shí)際情況，振源生料磨和受振體空冷島結(jié)構(gòu)因建設(shè)及運(yùn)行要求不易改造，故采用介質(zhì)隔振法進(jìn)行改造，以達(dá)到減振效果。現(xiàn)階段常用的介質(zhì)隔振法為屏障隔振法，即通過在傳遞介質(zhì)中設(shè)置隔振溝、波阻塊或排樁等結(jié)構(gòu)，造成傳遞介質(zhì)的分層，改變振動(dòng)波的傳遞從而達(dá)到隔振效果。經(jīng)研究表明，隔振溝較其他方法的隔振效果明顯且施加方式簡單[8, 9]，故本文擬采用隔振溝方法進(jìn)行隔振，建立振源–土體–空冷島結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，并針對隔振溝的不同參數(shù)分析其對隔振效果的影響，選定各參數(shù)值以達(dá)到隔振效果的較優(yōu)值，使水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)可正常運(yùn)行。

1 有限元模型

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

該廠發(fā)電機(jī)組容量為1×7.5 MW，整個(gè)空冷系統(tǒng)支撐在距地面15 m高的鋼筋混凝土平臺上。平臺長28.14 m，寬15.08 m。平臺上設(shè)有風(fēng)筒梁、步道梁及邊梁。該空冷凝汽系統(tǒng)單臺機(jī)分為1列，配置2個(gè)冷卻單元，每個(gè)單元有單排冷卻管束組件、風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒、護(hù)網(wǎng)和風(fēng)機(jī)橋架等結(jié)構(gòu)和設(shè)備。空冷島的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 空冷島主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表

以沉積韻律為基礎(chǔ)，該廠土體基礎(chǔ)由上至下可分為填土層、粉土層，碎石層和石灰?guī)r層。根據(jù)土體各層參數(shù)差異，又將碎石層分為兩層，土層參數(shù)如表2所示。

表2 各土層參數(shù)表

該廠采用的生料磨為TRM53.41輥式磨機(jī)。為簡化模型，取其尺寸為20 m×20 m的正方形。

1.2 模型建立

由于土層的阻尼特性和粘性特性，振動(dòng)在土層傳遞的過程中伴隨著能量的衰減與耗散，故需對土層阻尼進(jìn)行設(shè)定。本文采用瑞利阻尼，阻尼比取0.03?？紤]到有限元模型邊界造成振動(dòng)波的反射與散射會造成模擬結(jié)果的不真實(shí)，故采用粘彈性邊界單元對模型邊界進(jìn)行約束，即在模型邊界處延伸出一層實(shí)體單元并將單元的外層邊界固定。單元材料性質(zhì)可由下式求得[10-12]：

表3 粘彈性人工邊界單元參數(shù)

對于空冷島鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。通過定義C35混凝土的塑性損傷模型，與Q235B材料的鋼筋進(jìn)行嵌入約束。根據(jù)各柱、梁尺寸建立空冷島模型[13]，如圖1所示。由于空冷島與土層的接觸為不同材料間的接觸，為滿足振動(dòng)的有效傳遞，需進(jìn)行接觸定義。根據(jù)接觸定義原則，選擇空冷島立柱側(cè)面與底面為主面，與其接觸的土體表面為從面。對于接觸屬性，法向接觸設(shè)定為硬接觸，切向接觸設(shè)定為罰函數(shù)，摩擦系數(shù)取0.5。建立振源–土體–空冷島三維模型圖如圖2所示。

圖1 空冷島結(jié)構(gòu)模型

圖2 振源–土體–空冷島三維模型圖

1.3 模型驗(yàn)證

考慮生料磨的振動(dòng)為隨機(jī)振動(dòng)，取其振動(dòng)數(shù)據(jù)中時(shí)長為5 s的加速度時(shí)程為振源，作用于模型中央下陷深度為2 m的表面上。加速度時(shí)程圖如圖3所示。

圖3 振源加速度時(shí)程圖

輸入荷載后空冷島上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度達(dá)13.3 mm/s。圖4為空冷島對振動(dòng)響應(yīng)的位移與速度時(shí)程圖。由圖可知，空冷島的振動(dòng)速度在1.5～2 s期間超過正常運(yùn)行范圍，其最大位移可達(dá)0.007 m，與實(shí)際情況相符合，驗(yàn)證了模型的適用性。

圖4 空冷島位移與振動(dòng)速度時(shí)程圖

2 隔振溝隔振效果分析

為使空冷島與生料磨可同時(shí)運(yùn)行，本文采用隔振溝的方法進(jìn)行處理。取空冷島模型最大變形節(jié)點(diǎn)6315號節(jié)點(diǎn)為研究點(diǎn)，如圖1、圖2中所示。設(shè)定不同參數(shù)的隔振溝，對該點(diǎn)的振動(dòng)速度進(jìn)行分析，令r為有隔振溝時(shí)，最大速度與無隔振時(shí)最大速度的比值，則無量綱數(shù)r表示隔振溝的隔振效果，該值越小則隔振效果越好。

2.1 隔振溝數(shù)量對隔振效果的影響

為分析隔振溝數(shù)量對隔振效果的影響，分別對2 m、5 m、8 m、10 m和12 m這5種深度在相同溝深、不同溝數(shù)量的工況進(jìn)行分析。隔振溝的布置方式如圖5所示，圖5中（c）為雙溝。為了更好地體現(xiàn)單溝與雙溝對空冷島受振動(dòng)響應(yīng)的影響，設(shè)定圖5（a）和5（b）兩種位置的單溝進(jìn)行對比，兩種單溝位置分別對應(yīng)雙溝中兩個(gè)溝的位置。

圖6為不同溝深設(shè)定工況下，單溝與雙溝的隔振效果對比。由圖可知，在同一溝深設(shè)定下，雙溝的隔振效果較單溝的隔振效果更佳，且雙溝隔振效果較單溝隔振效果的提升隨著溝深增加有明顯的提高，這驗(yàn)證了溝深對隔振效果有重要影響。此外對比兩種位置單溝設(shè)定可知，隨著隔振溝深度的變化，兩種位置布置的單溝隔振效果出現(xiàn)交叉，這說明隔振溝位置對隔振效果有一定的影響。

圖5 不同隔振溝數(shù)量布置圖

圖6 單雙溝隔振效果對比圖

2.2 隔振溝溝深對隔振效果的影響

為充分說明溝深對隔振溝的影響，對圖5所示3種溝布置情況的隔振效果進(jìn)行分析。圖7為同一位置布置條件下，不同溝深的隔振效果圖，由圖可知，3種隔振溝布置方式的隔振效果均隨溝深的增加而增加，但隨溝深的增加隔振效果的提升逐漸降低，趨于穩(wěn)定。對比兩種單溝隔振效果可知，兩單溝的隔振效果提升率有明顯區(qū)別：單溝（a）布置在溝深達(dá)5 m后隔振效果迅速提升，但單溝（b）則在溝深達(dá)8 m后提升較大，這再次驗(yàn)證了隔振溝位置對其隔振效果有一定的影響。

圖7 不同溝深隔振效果對比圖

2.3 隔振溝距振源距離對隔振效果的影響

根據(jù)上文分析可知，雙溝隔振效果優(yōu)于單溝，且在一定限度內(nèi)，隔振效果正相關(guān)于溝深。故選取溝深為12 m的雙溝，取距振源較近的隔振溝與振源間的距離為自變量，取施加隔振溝后的振動(dòng)速度及其與無隔振溝時(shí)最大速度的相對值為依據(jù)，對隔振效果的影響進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。

表4 距振源不同距離隔振效果

分析可得，隔振溝距振源的距離對隔振效果有一定程度的影響，距離過小或過大都會造成隔振效果不佳。本文工況下，距振源5 m時(shí)隔振效果最佳，可降低約60%的振動(dòng)影響。

2.4 隔振溝溝寬對隔振效果的影響

為了更全面地研究隔振溝參數(shù)對隔振效果的影響，選取上文涉及參數(shù)的最佳值，對0.5 m、1 m、1.5 m和2 m這4種溝寬進(jìn)行分析，對其隔振效果進(jìn)行討論。圖8為不同溝寬工況下的隔振效果圖，圖中隔振效果隨著溝寬的增加整體呈先增加后減小的趨勢，不同溝寬相對最大速度的差值最大可達(dá)0.12。這說明溝寬過大或過小都不利于隔振溝的隔振效果。本文所提模型在溝寬為1 m時(shí)，隔振效果可達(dá)最佳。

圖8 不同溝寬隔振效果圖

2.5 隔振溝溝間距對隔振效果的影響

隔振溝雙溝的位置可由隔振溝距振源距離，隔振溝溝寬及隔振溝溝間距確定。故選取其他參數(shù)為最佳參數(shù)條件下，設(shè)定不同的隔振溝溝間距，分析該參數(shù)對隔振效果的影響。圖9反映了不同溝間距設(shè)定下隔振溝的隔振效果圖。圖中顯示隨著溝間距從3 m增加至5 m，隔振效果明顯提高；隔振溝間距繼續(xù)增加至8 m時(shí)，隔振效果則表現(xiàn)為降低趨勢；但當(dāng)間距到達(dá)10 m時(shí)，隔振效果又有了提升。經(jīng)分析可知當(dāng)間距為5 m與間距為10 m兩種工況的隔振效果均能滿足水泥余熱發(fā)電廠的正常運(yùn)行，但前者效果更佳。

圖9 不同溝間距隔振效果圖

3 結(jié)論

（1）隔振溝的數(shù)量對隔振效果有重要影響，采用雙溝的隔振效果要優(yōu)于單溝，且隔振效果的提升與隔振溝的深度有關(guān)。當(dāng)溝深達(dá)到一定程度時(shí)，雙溝隔振效果較單溝效果可提升近50%，但溝深過大或過小都不利于隔振效果的提升。

（2）隔振溝的深度對其隔振效果起主要作用，隔振效果隨隔振溝深度的增加而逐漸增加；但當(dāng)深度達(dá)12 m時(shí)隔振溝的隔振效果趨于穩(wěn)定，不再隨溝深增加而有明顯變化。

（3）隔振溝距振源的距離對隔振效果也存在一定程度的影響：當(dāng)距離小于5 m時(shí)，隔振效果隨著距離的增加而增加；當(dāng)距離超過5 m時(shí)，隔振效果則隨距離增加反而減少。

（4）隔振溝溝寬對隔振效果的影響相對較小。過小的溝寬會使隔振效果并不理想；過大的溝寬不能獲得良好的隔振效果，反而會增加施工難度并對當(dāng)?shù)赝翆拥姆€(wěn)定性造成一定的影響。

（5）隔振溝溝間距對隔振效果的影響相對不明顯，但較為復(fù)雜。隨著溝間距的增加，隔振效果呈先增加后減小再增加的趨勢。其他參數(shù)確定時(shí)，可能存在多種間距均可獲得較好的隔振效果的情況，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

本文對不同參數(shù)對隔振溝隔振效果的影響進(jìn)行分析，最終確定用溝深12 m，溝寬1 m，溝間距5 m，距振源5 m的雙溝隔方案振效果最佳。方案施加后，振動(dòng)速度約為0.005 3 m/s，減震效果約達(dá)60%，可保證空冷島設(shè)備的正常運(yùn)行，且留有一定的安全裕量。

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Analysis and Treatment of Vibration of Air Cooling Island of Cement Waste Heat Generator Unit

LI Haochen, TIAN Songfeng, DING Shanshan

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In order to solve the problem of excessive vibration of the air cooling island structure caused by the vibration of the raw mill in a cement waste heat power plant in, Shanxi province, viscoelastic artificial boundary elements was used to establish a three-dimensional model of the vibration source-soil-air cooling island structure. The main vibration frequency was obtained through modal analysis, combined with the transmission and attenuation law of vibration in the soil, the solution to the vibration isolation of vibration isolation ditch was proposed. And the ditch depth, ditch width, ditch number, ditch spacing, distance from the vibration source and other parameters were used to analyze the effect ofvibration isolation on vibration isolate ditch. The optimal value of each parameter of the vibration isolation ditch was selected to determine the best plan, so that the air cooling island equipment can be operated normally.

cement waste heat power generation; air cooling island; vibration isolation ditch; finite element analysis

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.08.010

TM6

B

1672-0792(2021)08-0073-06

2021-03-27

李昊晨（1995—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樵O(shè)備故障診斷與振動(dòng)控制；

田松峰（1966—），男，教授，研究方向?yàn)樵O(shè)備故障診斷與運(yùn)行維護(hù)。

田松峰