印尼电厂机械冷却塔塔体框架振幅计算分析

杨俊青，陈少雄，方庆专，何志刚

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007)

0 引言

机械通风冷却塔具有应对气象条件能力强、降温效率高、体积小、一次投资少、建设周期短、施工简单等优点，因此广泛应用于中小型燃煤发电项目，尤其国外燃煤发电项目中。近年来随着风机功率的增大，风机在运行过程中产生的振动也越来越大，为研究机械塔结构动力特性，有必要对机械通风冷却塔结构振动进行动力分析。

1 工程概况

印尼加里曼丹燃煤电厂机械通风冷却塔塔体框架布置横向共3榀、纵向共5榀，各榀框架轴线间距均为9.4 m，框架总高11.4 m。框架主梁截面尺寸300 mm×800 mm，次梁截面尺寸200 mm×700 mm，柱截面尺寸600 mm×600 mm，顶层楼板厚度200 mm。根据冷却塔功能，从下往上依次分为填料层、淋水层、风机层共三层，同时为避免产生穿堂风，中间设置隔墙，结构形式为三层框架－剪力墙结构。

2 有限元模型

2.1 数值模型建立

项目选用ANSYS软件建立结构数值模型，梁柱构件采用梁单元(BEAM188)模拟，现浇墙体和楼板采用壳单元(SHELL 63)模拟，对于其他相关的连接构件，考虑到与周围梁柱的连接不具有足够的刚度，没有在模型中加以模拟，仅将其作为荷载输入，考虑其对结构整体刚度的影响，对计算周期考虑了0.7的折减系数。柱脚与基础间的连接假定为固定支座，框架柱与框架梁间、主梁与次梁连接节点均假设为刚接。

壳单元则采用自动剖分，对靠近扰力作用点的位置，对梁和楼板进行了更为精细地剖分。结构自重由程序自动计算，设备基础、设备附加质量、填料层及配水层静力荷载通过局部区域增加结构密度等效处理，以确保应有的计算精度，有限元模型见图1。

2.2 荷载参数

根据厂商资料可知，风机转子叶片重量为58.1 kN，风机工作转速为428 r/min，参照GB 50040－96《动力机器基础设计规范》相关规定[1]，强迫振动分析时应取1.4倍工作转速内的全部振型进行叠加，因此频率分析范围取0～600 r/min (0～10.00 Hz)，同时取15%转子重量为扰力，即Pgi=58.1×0.15≈8.72 kN，扰力与频率关系图见图2。本结构考虑两台风机同时运行，为求得最大动力响应，相位差分别取0°、45°、90°进行计算分析。

扰力随频率的变化规律参照GB 50040－96《动力机器基础设计规范》的相关规定，按下式考虑：

式中：Poi为任意转速的扰力 (kN)；n0为任意转速(r/min)；n为机器工作转速(r/min)。

3 模态分析

机械通风冷却塔结构属多层框架结构，一般的多层厂房水平自振频率的基频大多在1.5～4.5 Hz左右。风机转速较低(2.5～7.5 Hz左右)，振动出现的共振属于低频共振，振幅较大。根据对该结构的模态分析(modal analysis)[2-3]，共提取了前80阶模态，本文选取了前4阶参振质量较大的典型振型见图3。从图3中可以看出结构前四阶自振频率为1.564 Hz、1.849 Hz、2.638 Hz、5.505 Hz，均为整体变形，对应的振型分别为横向整体侧移、平面内整体扭转、纵向整体侧移、中间层扭曲。风机的工作转速为428 rpm (7.13 Hz)，与结构第8阶自振频率较接近，因第8阶振型为中间层局部扭曲，参振质量较小，不会发生共振现象。

4 振动分析

本文分别计算出扰力相位差为0°、45°、90°三种工况下的结构相应的位移、速度等响应值。通过计算分析发现，两台风机扰力相位差0°工况下横向振幅最大，90°工况下纵向水平位移值最大，但由于纵向水平位移值总体偏小，均在30 μm以下，对结构本体产生影响微小，因此可以忽略不计。

表1～表6列出各工况下距离扰力点0.00 m、1.20 m、5.45 m、9.40 m处三个方向上最大振幅值。从表中可以看出，最大横向振幅发生在工作频率9.275 Hz处，最大值92.510 μm，最大纵向振幅发生在工作频率8.725 Hz处，最大值27.773 μm，最大竖向振幅发生在在工作频率8.725 Hz处，最大值50.993 μm，均未超过250 μm，满足DL/T 5339－2006《火力发电厂水工设计规范》第9.5.9条的要求[4]。三个方向最大振幅均出现在距离扰力点1.2 m范围内，振动效应影响范围有限，随着代表点与扰力点距离的增加，结构横向、竖向振幅基本上呈逐步衰减的趋势，对距离扰力作用点的较远楼板处影响微弱；结构纵向振幅并未呈衰减趋势，个别工况条件下对距离扰力作用点的较远楼板处有突变增加，但数值总体较小，对结构影响较小。因此可以判断并未发生大范围的共振区域。

表1 1#风机区域各工况下代表点横向最大振幅值表

表2 1#风机区域各工况下代表点纵向最大振幅值表

表3 1#风机区域各工况下代表点竖向最大振幅值表

表4 2#风机区域各工况下代表点横向最大振幅值表

表5 2#风机区域各工况下代表点纵向最大振幅值表

表6 2#风机区域各工况下代表点竖向最大振幅值表

5 结论

本文选取工程设计实例，通过有限元软件数值建模，经模态分析、强迫振动分析，初步得出机械通风冷却塔结构振动规律，为结构体系合理化布置提供了指导。

从模态分析得出，纵横向刚度相差不大，结构布置合理，工程设计时应通过布置剪力墙来增加结构整体刚度，避免两个方向刚度有较大的差异。

从振动分析得出，结构的横向位移最大，其他两个方向较小，这与风机的叶片是水平放置的有关，考虑到其转子重量很小，所产生的竖向扰力对结构的动力响应贡献极小，主要的扰力方向出现在水平方向。

设计时应加强顶部水平楼盖结构的整体刚度，薄弱部位应采取加强措施，保证刚度连续性，避免因振动敏感，引发次生的局部共振。