动力（燃机）基础设计中的一些思考

计 光，张代刚，刘 斌

（中机国能电力工程有限公司，上海 200061）

0 引言

炼钢工艺中会产生大量低热值的焦炉煤气和高炉煤气，某钢铁集团公司为了充分利用这些能源资源，决定以节余的焦炉煤气和高炉煤气为主燃料，采用高效的燃气—蒸汽联合循环发电机组建设自备电厂，实现总厂区将煤气放散为零的节能减排目标。

该项目采用6台46.6 MW的燃机，3台42.6 MW的汽轮机。项目分成三个单元，每个单元包括2台煤气压缩机，2台燃气轮发电机组和2台余热锅炉，配套1台蒸汽轮发电机组。其中作为燃机电厂的核心设备燃机自重大、运行时转速高，因此对土建基础的动力性能有很高的要求。燃机运行的转速大于3 000 r／min，按照《动力机器基础设计规范》（GB 50040—1996）（以下简称《动规》）规定，动力计算和构造按活塞式压缩机基础的设计规定来考虑，并采用大块式基础。但是燃机电厂采用大块式混凝土，目前的动力基础设计无详细的动力计算方法，配筋无明确标准，设计出的动力基础并不一定具有良好的动力特性，或者出现严重浪费的现象。

本文将结合该项目的燃机基础设计，分析和总结大块式混凝土动力基础的设计、动力计算及结构配筋的要点。

1 燃机基础布置及荷载

为了方便设计和施工，基础的形状最好接近长方体，基础的大小可以根据设备的重量确定。该项目的燃机设备约重100 t，发电机设备约重87 t。

块式基础计算把基础看成为刚体，基础各部件之间基本上没有相对变形，基础配筋仅仅是构造需要。当基础体积大于40 m3时，就应沿基础四周和顶、底面配置钢筋网，起到在设备安装时保护混凝土表面的作用，本项目的燃机基础体积为375 m3，所以在基础四周和顶、底面配置直径为14 mm的钢筋网，网间距为200 mm，在板厚中部也可以加设体积配筋，构造钢筋网采用直径为14～20 mm的钢筋网，间距600～900 mm。

2 既定方案动力计算的必要性检验

燃气轮机的基础由大块式混凝土基础、湿陷性黄土地基（采用灰土垫层换填）组成。大块式基础动力计算比较复杂，一般要根据负荷要求，用《动规》的“简化计算”对基础的大小及形状进行计算。但是由于种种原因，该项目的基础已经确定，因此设计工作变成了一个验算指定尺寸的大块式动力基础是否满足规范要求的问题。不过，根据《动规》4.5.1条要求，如果基础的质量大于设备重量的5倍，同时基底平均静压力小于地基承载力的0.5倍，基础的设计可以不做动力计算。因此设计工作首先是要判断这个既定方案是否必须验证。

2.1 承载力验算

施工场地是湿陷性黄土地基，按照既定方案，燃气轮机的大块混凝土层和湿陷性黄土地基之间采用灰土垫层作为持力层。燃气轮机混凝土基础的扰力方向长（L）4.00 m，长度（La）22.40 m，高（h）4.19 m，混凝土的密度（γ）为2 540 kg／m3，由此可以得到基础的底面积（A）为89.60 m2，体积为375.02 m3。因此混凝土基础的质量为952.50 t，与设备自重100 t相比足够有余。

本工程为湿陷性黄土地基，采用灰土垫层作为持力层，按3.5 m深度修正，根据《建筑地基基础设计规范》计算承载力为254 k Pa。地基承载力的动力折减系数为0.8，地基的设计承载力为203 k Pa，大于基底平均静压力162 k Pa，因此验算结果表明该地基满足承载力要求。

2.2 灰土垫层下卧层验算

通过计算可以得到，基础底部换填3 m深的灰土，垫层底面宽度为7.190 m；。取1 m长，进行灰土垫层下卧层验算：灰土垫层下卧层的承载力为291.0 k Pa，小于垫层底面承载力特征值295.8 k Pa。验算表明灰土垫层下卧层设计合理。

3 动力复算

根据《动规》4.5.1条的规定，只有当基底平均静压力小于地基承载力的0.5倍，工程项目才可以不作动力计算。本项目的基底平均静压力为162.0 k Pa，大于地基承载力295.8 kPa的0.5倍，因而不满足该条件，该方案必须进行动力计算。《动规》规定，操作层设在厂房底层的大块式基础，在水平扰力下可采用简化计算公式验算水平振动线位移，但要求基础必须设计成扁平型，即L／h≥1.5。但是该项目的基础方案已定，基础长4.00 m，高4.19 m，L／h小于1，不满足扁平的要求，如果采用简化计算方法结果并不可靠，因此只能采用详细的动力计算来验证基础的设计。动力复算的内容主要为通过计算地基土的主要动力特性参数（包括刚度、阻尼比、地基土参振质量）、扰力，继而算出基础顶面控制点的总振动线位移、总振动速度。

3.1 基础的振动组成和特征

动力计算首先要分析燃气轮发电机组基础的振动组成。一般动力基础的振型由竖向振动、扭转振动、x－Ф向耦合振动、y－θ向耦合振动组成。其中，竖向振动为基组（指动力机器基础和基础上的机器、附属设备、填土的总称）在通过其重心0的竖向扰力Pz的作用下，产生沿z轴的竖向振动；扭转振动为基组在扭转扰力矩Mψ和水平扰力Px沿y轴向偏心作用下，产生绕z轴的扭转振动；x－Ф向耦合振动为基组在水平扰力px和竖向扰力Pz沿x向偏心作用下，产生x向水平、绕y轴回转的耦合振动；y－θ向耦合振动组成为基组在回转力矩Mθ和竖向扰力Pz沿y向偏心距作用下，产生y向水平、绕x轴回转的耦合振动。

发电机产生一谐扰力，燃机产生二谐扰力，而作为旋转式动力基础，它们的振动，可以分解为竖向振动及x－Φ向耦合振动。

根据《动规》要求，基础顶面控制点（大块式基础一般取基础顶面角点）x方向和z方向的总振动线位移不能大于0.02 mm，z方向的总振动速度不得大于6.3 mm／s。

3.2 地基土的主要动力特性参数

根据业主提供有关基础的数据：基础扰力作用线高出基础顶面h0为2.159 m；基础重心至基础顶面的距离h1为2.09 m；基础重心至基础底面的距离h2为2.09 m：永久荷载为1 396 k N。根据地质勘察报告查得地基土特性，地基土的密度ρ为1.8 t／m3。

1）阻尼比 基组质量m为972 t，基组质量比：

天然地基竖向阻尼比：

水平回转向，扭转向阻尼比ζxφ1，ζxφ2和ζψ都为天然地基竖向阻尼比的一半，即0.069。另外，可变荷载208 k N；偶然荷载（短路力矩）1 138 k N。

2）刚度 为了计算基础的各种刚度，必须计算地基的抗剪刚度系数、抗弯刚度系数，以及基础底面通过形心轴的惯性矩Iy。

地基的抗剪刚度系数Cx和抗弯刚度系数Cφ：

式中：Cz为天然地基的抗压刚度系数，根据《建筑振动工程手册》表2.2.1，为45 MN／m3

可以得到地基的抗剪刚度系数Cx为31.5 MN／m3；抗弯刚度系数Cφ为96.8 MN／m3。

基础底面通过形心轴的惯性矩Iy：

式中：La为燃气轮机混凝土基础的长度，取22.40 m；L为扰力方向长度，取4.00 m。

可以得到基础底面通过形心轴的惯性矩Iy为119 m2。

地基的抗压刚度Kz，抗剪刚度Kx和抗弯刚度Kφ：

式中：A为基础的底面积，取89.60 m2。

可以得到：地基抗压刚度Kz为4 032 MN／m；抗剪刚度Kx为2 822 MN／m；抗弯刚度Kφ为11 558 MN·m。

3.3 扰力的计算

由于燃机及发电机产生的扰力为竖向扰力及水平扰力，因此将振动分解为竖向振动，以及x－Φ向耦合振动，根据分解出来的两部分振动的计算线位移叠加，即为《动规》要求的基础顶面控制点x方向和z方向的总振动线位移。

1）发电机水平扰力

式中：Wg1为发电机转子重量，取21.9 t；n1为发电机转速，取3 000 r／min。

发电机垂直扰力：

2）燃机产生的扰力

燃机水平扰力：

式中：Wg2为燃机转子的重量，取17 t；n2为燃机转速，取5 163 r／min。

燃机垂直扰力：

4 总振动线位移的计算

4.1 竖向振动

发电机竖向振动线位移（一谐扰力）：

燃机竖向振动线位移（二谐扰力）：

式中：Pz1为110 k N；Pz2为192 k N；Kz为4 032 MN／m；ζz为0.138；ω发为发电机扰力的圆频率，取314 r／s；ω燃为燃机扰力的圆频率，取541 r／s；mz为基础质量、机器重量与回填土重量之和，取1 114 t；ωnc为振动固有圆频率，取60 r／s。

可以得到发电机竖向振动线位移1.034μm，燃机竖向振动线位移0.597μm。

4.2 基组x－Φ向耦合振动

x－Φ向耦合振动的计算，包括各种振型固有频率的计算。

1）固有频率 基组绕y轴回转振动固有圆频率ωnФ：

式中：Kφ为11 558 MN·m；Kx为2 822 MN／m；h2为2.09 m；Jy为基础绕纵向中心轴的转动惯量，取3 113 t·m2。

代入数据，可以得到基组绕y轴回转振动固有圆频率ωnφ为87.66 r／s。

这样，第一振型固有频率：

式中：ωnx为基组沿x向水平振动固有圆频率，取50.33 r／s；mx为基组水平回转振动的总质量，1 114 t。

代入数据，可以得到第一振型固有频率。

同样，对于第二振型固有频率：

代入数据，可以得到第二振型固有频率ωnφ2为95.89 r／s。

2）燃机、发电机转动中心距基组重心的距离

由于基础重心至基础底面的距离h2为2.09 m，因此在第一振型中，燃机、发电机转动中心距基组重心的距离为：

在第二振型中：

3）一谐扰力（发电机扰力）

第一振型总扰力矩：

第二振型总扰力矩：

第一振型回转角位移：

第二振型回转角位移：

基础顶面控制点竖向振动线位移：

式中：Ix为基础变控制点至基础纵向轴线的水平距离。

基础顶面控制点x向水平振动线位移：

4）二谐扰力（燃机扰力）

第一振型总扰力矩：

第二振型总扰力矩：

第一振型回转角位移：

第二振型回转角位移：

基础顶面控制点竖向振动线位移：

基础顶面控制点x向水平振动线位移：

将以上所计算的振动位移及速度通过均方根值叠加，因没有考虑土的参振质量，所以应乘以计算系数：

这样，基础顶面控制点x方向的总振动线位移：

z方向的总振动线位移：

可以看到，基础顶面控制点x方向和z方向的总振动线位移都小于0.02 mm，振动线位移满足《动规》要求

4.3 总振动速度的计算

基础顶面控制点x方向的总振动速度：

z方向的总振动速度：

可以看到，基础顶面控制点x和z方向的总振动速度均小于《动规》要求的6.3 mm／s，因此满足《动规》要求。

5 结论与建议

总体来说，现在的火电厂对施工完成后的设备检测相对较为关心，但很少对动力基础的振动位移、振动速度作出针对性的测量，一般仅需要人的直观感受满足即可。因此，本工程未作动力检测，无法给出具体参数。项目于2005年底完成，已经运行7年，实际结果表明，基础的动力基础情况良好，现场几乎没有异常振动。

本工程的基础大小由于种种原因已经确定，设计工作变成了一个验算指定尺寸的大块式动力基础是否满足规范要求的问题。这种指定结构后，要求设计人员根据设计规程要求，验证既定方案合理性的做法经常出现。因此本文的一些方法，可以为同类的设计工作作为参考。根据多年来设计工作的实践经验，对动力（燃机）基础设计提出以下建议：

1）为了大块式混凝土动力基础设计、计算的方便及动力设备运行的安全，首先应设计出合理的基础形状及尺寸，尽量满足无需动力计算的条件；如果无法满足要求，宜想方设法使基础满足简化动力计算的条件。这样可以省略很多的繁琐计算。复杂的动力计算不仅影响设计的效率，而且很容易出现差错。

2）构造方面，应根据基础的实际需要配筋。20世纪70年代国内对某厂红旗牌压缩机装配式基础的表面钢筋进行过应力测试，测得70～140 N／cm2，可以看出，表面钢筋均为构造需要。

3）《动规》4.5.1条中，将大块式基础的质量超过设备自重5倍作为一个可不作动力计算的下限要求不尽合理。对于旋转式动力基础，其振动的来源就是转子部分的高速旋转。设备的定子、罩壳等均可视为基础的一部分，是起到减震的作用。因此，应该将设备基础与设备定子的总重超过设备转子重的若干倍数作为一个设计界限较为合理。

4）对大型的设备基础，最初运行后的一段时间内，应做动力检测验证设计的合理性，并应将动力检测报告作为工程验收的必要条件。