核电厂循环水泵基础动力特性分析

王 衎 柴 进

(1.国核电力规划设计研究院，北京 100095； 2.国核示范电站有限责任公司，山东 威海 264300)

核电厂循环水泵基础动力特性分析

王 衎1柴 进2

(1.国核电力规划设计研究院，北京 100095； 2.国核示范电站有限责任公司，山东 威海 264300)

以国内某核电工程为例，采用MIDAS GEN有限元分析软件，对水泵基础进行了整体建模计算，分析了该循环水泵基础的动力特征，得出的结果为结构设计提供了准确的信息，保障了核电厂的安全运行。

核电厂，循环水泵，有限元，动力特性

对于循环水泵这种大型动力设备而言，其正常运行时会产生明显的动荷载作用，若该动荷载的频率与基础结构的某一阶固有频率接近，会引起结构的共振现象，从而产生较大的动应力，可导致结构破坏或发生不允许的变形。而以往火力燃煤发电厂，由于循环水量较小，循环水泵结构布置相对简单，一般不需要针对其基础进行有限元整体振动分析。相对于火电厂[1]，核电厂的重要性及安全性要求更高，由于核电厂循环水量大，循环水泵采用立式泵，其布置较为复杂。本文以国内某三代核电项目为依托，通过大型有限元计算软件Midas对循环水泵基础进行整体建模分析，用模态分析方法求出水泵基础的固有频率、振型及不同工况下的振动线位移等参量，为今后核电厂循环水泵基础动力设计提供了依据。

1 水泵基础结构模型的建立

1.1 模型的建立

本文运用大型有限元计算软件Midas建立循环水泵基础模型。结构的墙体与楼板部分用壳单元模拟，梁柱部分用梁单元模拟，地基采用弹簧单元来模拟中等风化岩石。边界条件：底板为节点弹性支承，底板边缘设置法向固定，流道前端固定。

水泵基础选用的混凝土标号为C40，其弹性模量取3.25×1010N/m2，泊松比取0.2，质量密度取2 500 kg/m3。根据厂家提供资料，电机与水泵的正常工作机组转速均为198 r/min，扰力频率为3.3 Hz。

循环水泵及基础的工艺布置如图1所示，泵房内共设8台水泵，考虑在泵房中间位置设置一道伸缩缝，本模型仅截取一侧4台水泵，编号见图1。

1.2 质量源的定义

根据结构模态分析原理，结合循环水泵基础的结构特点，模型需要将以下荷载转换为质量源：1)循环水泵基础的梁、柱、墙和板的自重；2)电机层、泵层及鼓网检修平台层的活荷载；3)电机及水泵的设备自重；4)门吊设备荷载；5)上部框架结构荷载。

1.3 扰力的定义

根据相关规范[2]，当进行低转速(机器工作转速在1 000 r/min及以下)的动力计算时，其扰力、允许振动线荷载及当量荷载可取转子重量的1/10。水泵转子和电机转子重量分别为160 kN，206.6 kN，泵层扰力及电机层扰力分别为16.0 kN和20.66 kN。

基础的振动是由于转子传递到基础上的简谐扰力引起的，作用位置根据水泵和电机与基础结构固定的位置确定。将电机层及泵层扰力平均分配到基础节点上，其谐振函数图形分别如图2，图3所示。

1.4 荷载工况

水泵运行共有四种情况，第一种情况为4台机组全部运转工况；第二种情况为单台机组运行，有四种工况(1号，2号，3号，4号分别运行)；第三种情况为两台水泵运行，共六种工况(1号，2号；1号，3号；1号，4号；2号，3号；2号，4号；3号，4号)；第四种情况为三台水泵运行，共四种工况(1号，2号，3号；1号，2号，4号；1号，3号，4号；2号，3号，4号)。本文从中选取四种工况对基础振动特性进行研究。

1)工况一：机组全部运转(该工况下考虑三种组合)。基本组合1/2/3=(D1+D3+L2+L3+L4+L5)+(泵层及电机层X/Y/Z向激励)。

2)工况二：2号水泵单独运转工况(该工况下考虑三种组合)。基本组合4/5/6=(D1+D3+L2+L3+L4+L5)+(2号泵层及电机层X/Y/Z向激励)。

3)工况三：1号、2号水泵同时运转工况(该工况下考虑三种组合)。基本组合7/8/9=(D1+D3+L2+L3+L4+L5)+(1号，2号泵层及电机层X/Y/Z向激励)。

4)工况四：1号，2号，3号水泵同时运转工况(该工况下考虑三种组合)。基本组合10/11/12=(D1+D3+L2+L3+L4+L5)+(1号，2号，3号泵层及电机层X/Y/Z向激励)。

其中，D1为自重及附件自重；D3为电机层及泵层活荷载；L2为泵层设备活载；L3为电机层设备活载；L4为门吊设备活载；L5为上部结构设备活载。在进行动力计算时，需要将以上静力荷载转换为质量，以便更真实地模拟结构动力特性。

2 计算结构分析

2.1 振型及周期

利用Midas采用振型叠加法计算基础的前50阶振型，前4阶振型见图4～图7。根据振型图可以看出，第一振型为X向振动，第二振型为Y向振动，第三及第四振型为X—Y向平面扭转，与振型基本规律吻合。泵基础前12阶自振周期及自振频率见表1。

表1 循环水泵基础前12阶自振周期及频率

模态号频率周期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，循环水泵基础结构的主振型(第一振型)频率为10.57 Hz，大于设备正常工作频率3.3 Hz，故可以避开共振。

2.2 电机扰力下电机层的振动

关键点主要选择在梁跨中等振幅较大的位置，由于泵房右侧为1 500 mm厚隔墙，抗振动能力较好，故选取6个关键点皆位于1号、2号机组，具体位置如图8所示。计算结果见表2～表5及图9～图11。

表2 工况一作用下电机层关键点振幅表

表3 工况二作用下电机层关键点振幅表

表4 工况三作用下电机层关键点振幅表

表5 工况四作用下电机层关键点振幅表

从表3可以看出，各向振动线位移最大值为0.98 μm，小于规范容许的振幅限值。在竖向(Z向)激励下，振动线位移较小，可知振动线位移主要受水平方向激励影响较大。从表4可知，当2号机组单独运行时，不仅在4号，5号，6号关键点(2号机组关键点)处产生较大振幅，而且1号，2号，3号关键点(1号机组)处也有一定的振动，说明运行机组对其他位置存在一定影响；同样地，扰力对基础的影响主要在X—Y平面内，竖向(Z向)扰力作用下的振动线位移较小。对于工况三及工况四，随着运行机组数量的增加，各关键点处的位移皆有一定程度的增幅，说明机组运行所产生的振动有叠加效果。

2.3 水泵扰力下水泵层的振动

水泵层布置及关键点的选取如图12所示，与电机层类似，关键点皆位于1号，2号机组。水泵扰力作用下水泵层工况一及工况二的最大振幅见表6及图13～图15。

表6 工况一及工况二作用下电机层关键点振幅表

由计算结构分析可知，4个关键点均为在工况一下的X向振幅最大，最大振动线位移出现在7号点，最大值为0.32 μm，小于规范容许的振幅限值。而竖向振动线位移较小，由此可见振动线位移主要受水平方向的扰力影响较大。在工况一作用下，各关键点的振幅均比工况二大，说明四台机组同时运行的情况要比单台机组运行的工况更为不利，多台机组同时运行会产生较大的相互影响，在设计过程中不容忽视。

2.4 水泵层与电机层的相互影响

2号机组水泵层单独运行时三向作用在电机层6个关键点所

产生的振幅见表7。另外，水泵层扰力对电机层的影响与电机层扰力对自身基础所产生的振幅进行比较，结果如图16～图18所示。

表7 水泵层扰力对电机层关键点振幅影响表

关键点号振动线位移/μmX向激励(基本组合4)Y向激励(基本组合5)Z向激励(基本组合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

由图16～图18可知，虽然水泵与电机分层而置，但水泵层对电机层的关键点仍有影响，且在关键点4处所产生的振幅大约为电机层扰力影响的80%。

同样地，电机层的单独运行对水泵层也有一定程度的影响，且影响规律类似，此处不再赘述。

3 结语

本文以国内某核电工程为依托，对循环水泵基础进行了动力特性分析。本次计算考虑了四种水泵运行组合情况，分别为1台水泵、2台水泵、3台水泵及4台水泵运行的工况，并且对水泵层及电机层的相互影响进行了分析，得出如下结论：

1)循环水泵基础结构的第一振型频率为10.57 Hz，大于循环水泵正常工作频率3.3 Hz。根据相关规范，可以避开共振区域。

2)循环水泵的电机基础的振动线位移最大为0.98 μm，水泵基础的振动线位移最大为0.32 μm，小于GB 50040—96动力机器基础设计规范要求的限制，满足规范要求。

3)多台水泵同时运行工况所产生的振幅要比单台水泵运行的振幅大，说明水泵运行存在相互影响，且这种影响对结构不利。随着水泵运行台数的增多，振幅相应增大。

4)无论是水泵层还是电机层，其水平振幅比竖直振幅大，这符合低转速电机的振动规律。

[1] 程志卿.大型火力发电厂循环水泵系统与基础结构振动性能分析[D].西安：西安建筑科技大学硕士学位论文,2008.

[2] GB 50040—96，动力机器基础设计规范[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，助理工程师； 柴 进(1988- )，男，助理工程师

TU435

A