高转速汽轮发电机组框架式基础的动力分析

马永佳 刘德权

(中核新能核工业工程有限责任公司，山西 太原 030012)

随着我国电力建设的迅猛发展，高速汽轮机(转速大于3 000 r/min)以其高效率、低能耗的优点,在火力发电厂的应用越来越多，并取得了较好的经济效益。现行的国家设计标准GBJ 40—79动力机器基础设计规范及DL 5022—2012火力发电厂土建结构设计技术规定对于汽轮机组基础有关动力反应的条文均将转速限制在3 000 r/min以下，对于转速大于3 000 r/min的高速汽轮机基础设计尚无规定。本文以实际工程为例，通过用SAP2000有限元软件分析框架式基础在机器扰力作用下的动力响应，研究有限元动力分析法在高转速汽轮发电机组基础设计中的适用性。

1 振动控制要求

1.1 动力分析的目标

动力机器基础动力分析的目标[1]，是要使机组在正常使用时，其振动限值控制在容许范围内，从而满足机器的有效运转，确保操作人员的良好工作环境，以及避免或减少振动对周围建、构筑物或仪器、仪表等的不良影响，达到适用、安全且经济合理的要求。

1.2 振动控制标准

我国现行动力机器基础设计规范[2]通过限制基础的振动位移、振动速度和振动加速度来控制基础的动力性能，高转速汽轮发电机组基础的振动控制值[3,4]取总振动速度峰值v≤5 mm/s，其对应的最大振幅A≤0.016 mm。为了获得较佳的动力性能，在设计基础时，基础的固有频率，尚须避开机组工作转速对应的频率，以避免产生共振。

2 动力分析理论

2.1 基础振动计算模型

我国动力机器基础设计规范体系采用质量—弹簧—阻尼器模型作为动力分析的模式，该模型假定基础为有质量的刚体，地基为无质量的弹簧，并起阻尼器作用。弹性地基会降低动力机器基础的自频，对低频机器基础影响较大，对高频机器基础影响较小[2]。故在计算振动时，对于n≥1 500 r/min的设备基础，一般不考虑地基的弹性影响[5]。

2.2 动力荷载

作用在基础上的动力荷载主要指机器的扰力，机器的扰力值、作用位置等应由机器制造厂商提供，当缺乏资料时，高转速汽轮机组垂直向和水平横向的扰力可按式(1)计算，水平纵向的扰力可按式(2)计算[4]：

(1)

(2)

其中，Wg为转子重力；n为工作转速。

2.3 振动效应的合成

高转速汽轮发电机组通常由高速汽轮机、变速箱和发电机组成，由于作用在基础上各个设备的工作频率不同，如何计算各扰力在基础顶面控制点产生同方向的总振动线位移，各有关标准有不同的规定。我国GB 50040—96动力机器基础设计规范未区分各扰力频率是否相同，各振动分量的合成均按式(3)进行：

(3)

其中，Vik为第k个扰力作用下基础i点的振动速度。

但对于同一基础上设置有多台工作频率不同的机器，各台机器在基础上产生的振动是确定性的，由于频率不同，各机器产生的扰力向量经过一定时间后就要重合一次，此时即产生最大振动，所以总振动反应就应是各台机器产生的振动幅值的直接相加[3,6]。我国冶金工业部1977《制氧机等动力机器基础勘察设计暂行条例》和GB 51084—2015有色工程设备基础技术规范均采用此思路对不同频率扰力作用下基础振动进行合成，即：

(4)

其中，Vi为扰频ωi的扰力作用下基础某点的振动速度。

3 工程实例

表1 机组荷载表

3.1 工程概况

襄汾县浦新发电有限公司2号发电机组工程15 MW发电机组，汽轮机设计转速6 000 r/min，变速箱低速轴设计转速3 000 r/min，发电机转速3 000 r/min。机组基础为一层框架式基础，基础顶板标高7.000 m，长14.500 m，宽8.000 m，顶板厚1 800 mm，柱3列，每列2根，纵向柱距分别为5.030 m，8.245 m，横向柱距4.700 m,柱截面尺寸均为800 mm×800 mm，发电机下设空气冷却器平台，平台板顶标高2.500 m，板厚120 mm，风道壁厚150 mm，混凝土C35。基础顶板平面图和荷载作用点见图1，机组荷载见表1。

3.2 模型建立

使用SAP2000有限元分析软件建立计算模型如图2所示，基础顶板、空气冷却器平台板和风道板采用Shell单元，空气冷却器平台梁采用框架梁单元，基础柱采用框架柱单元，柱脚底部作为结构嵌固端。

3.3 动力分析

3.3.1模态分析

模态分析用于反映结构固有的动力学特性，也是其他动力分析的基础。由于特征向量法获取的结构周期和振型只与结构的刚度及质量分布有关，无法反映动力荷载的空间分布的影响。因此，本工程采用特征向量法获得结构的自振周期和频率，而动力稳态计算则采用李兹向量法分析的结果。基础前10阶振型对应的自振频率和周期见表2。

表2 基础自振周期和频率

3.3.2稳态分析

表3 基础振动计算结果

稳态分析属于频域分析，用于求解结构在简谐荷载作用下的稳态响应。框架式基础的稳态动力分析，应在机器工作频率的0.75倍～1.25倍范围内扫频计算，对机器工作频率本身可能变动时，扫频范围应取0.75f低～1.25f高之间。取扰力作用点为基础振动的控制点，稳态分析结果如表3所示。

3.4 结果分析

从表2计算结果可以看出，基础的自振频率远离各设备工作转速对应的频率，不会产生共振。从表3可以看出，基础各控制点最大的振动速度小于5 mm/s，基础的振动的最大线位移小于0.016 mm，说明基础柱和顶板尺寸满足工程振动需要，且留有一定的安全余量。

4 结语

1)高转速汽轮发电机组基础的结构设计，应与设备厂家密切配合，了解厂家对设备基础的要求，努力做好设备参数的收集工作，根据汽轮机动力设计的要求，进行高转速动力设备机器基础的动力分析；

2)使用SAP2000计算程序对高转速汽轮发电机组基础进行受迫振动分析，得到所需的振动结果，可以为类似工程的结构设计提供参考。