嵌入式汽轮发电机基础动力分析研究

胡云霞，吕小兰，何喜洋

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663)

0 引言

燃气—蒸汽联合循环发电技术作为安全、高效、清洁的能源利用方式，越来越受到国内外电力行业及政府的重视[1-2]。我国大力推广的燃气—蒸汽联合循环发电机组以往项目的技术和设备全部靠进口，使得我国的燃机发电技术对国外技术有非常大的依赖性。

我国广东某2×472.52 MW燃机项目(简称“广东燃机项目”)机岛设备采用国产成套供货的引进技术，即F级改进型燃气—蒸汽联合循环机组。该联合循环机组配置为“一拖一”多轴形式，汽轮机采用我国某汽轮机厂全新开发的三压、双缸、再热、抽汽、轴排型式汽轮机。该项目汽轮发电机基础的结构型式为嵌入式，与传统框架式汽轮发电机基础有较大区别，属于DL 5022—2012《火力发电厂土建结构设计技术规程》[3]规定的新型汽轮发电机基础(简称“汽机基座”)。本文对该汽机基座进行了详细的动力分析及模型研究，重点分析该汽机基座与传统刚性基础在动力特性方面的联系与区别。

1 结构方案

广东燃机项目采用国产全新开发的三压、双缸、再热、抽汽、轴排型式汽轮机，供热采用高排抽汽方案，不仅能满足额定222 t/h供热要求，也满足最大300 t/h供热(高排+热再)要求。本项目汽轮发电机本体及结构布置如图1和图2所示。

图1 汽轮发电机基础运转层平面布置

图2 汽轮机本体及凝汽器“嵌入”基础

由于采用了轴向排气方式，台板1号轴承处的横梁被迫取消以便于凝汽器的“嵌入”；此外，1号、2号轴承之间的纵梁开孔后最窄处仅1 m宽，构成了基座结构的薄弱部位。为了弥补横梁缺失和开孔薄弱部位的影响，在机务专业允许的空间范围内布置了墙体。

2 计算模型

根据文献[4]及文献[5]，动力计算按振动线位移控制，各轴承扰力值如表1所示；计算振动线位移时，采用空间多自由度“杆系+板壳”计算模型[6](如图3所示)，柱脚嵌固于筏板顶面；采用通用结构分析与设计软件SAP 2000的频域分析功能实现单个扰力的振动线位移计算，另外，自行编制了VBA计算机程序进行各扰力点振动位移的SRSS组合，程序界面如图4所示。

表1 各轴承扰力值 kN

图3 汽机基座空间杆系计算模型

图4 振动线位移提取程序界面

动力分析时，为方便程序实现，未使用时程分析，而使用SAP2000中特有的频域分析功能。按规范要求取用0.062 5阻尼比，对应SAP2000频域分析中的阻尼系数0.125[7-8]；地震作用计算时，仍然使用0.05阻尼比；按德国规 范《Machine foundations – Flexible Structures that Support Machines with Rotating Elements》(DIN 4024 Part 1)[9]进行动力分析校核时，阻尼比取用0.02，对应阻尼系数为0.04。

为了用梁单元模拟基座的“肥梁胖柱”，工程中常用的做法是采用刚性杆。刚性杆能够在模型中显示出来，容易直观检查；缺点是需要自行设置杆的刚度，并且不同的刚度有着不同的内力分析结果[9-12]。另外，刚性杆不宜设置太多“零”，因为杆件之间刚度差异太大就会有舍入误差，计算结果会失真甚至发散。为了解决上述矛盾，先在SAP2000中使用常规梁单元连接梁柱构件，再通过SAP2000二次开发将其全部转换为刚域，如图5所示。

图5 刚域转换程序界面

3 动力分析

按照规范要求，分别进行模态分析及扰力作用下的振动线位移分析。基座模态分析结果如表2所示。可见，被移除尾部横梁后，基础的刚度仍然较大，如图6所示；常规刚性基础第1频率在4.0～6.0 Hz左右。如图7所示。第4振型之后开始出现嵌入框架部分的局部振型，而此类振型由于设备的存在，实际上不会发生；补充设置的剪力墙在刚度上很大程度上弥补了嵌入式的削弱。众所周知，基座的动力特性评价标准并不在结构“静”刚度，而是在动刚度。具体情况还要以强迫振动分析结果为准。

表2 基座的模态分析结果

图6 第1振型和第3振型

图7 第5振型和第6振型

从模型中提取各个轴承点的X、Y、Z三个方向振动线位移数据，并且按照GB 50040—96《动力机器基础设计规范》的规定进行SRSS组合后，得出各个轴承点在三个方向的振动线位移与频率的关系曲线，如图8～图10所示。从这三张图可以看出，三个方向的振动线位移在75%工作转速范围内(0～37.5 Hz)均小于规范允许的30 μm，在±25%工作转速范围内(37.5～62.5 Hz)则均小于规范允许的20 μm，满足规范要求。

图8 轴向振动线位移频域分析结果

图9 横向振动线位移频域分析结果

图10 竖向振动线位移频域分析结果

4 结语

方案设计及详细动力分析结果表明：在规定的频率范围内(0～1.25倍工作转速)，三个方向的振动线位移均小于规范允许值(20 ～ 30 μm)。

分析结果显示，在机器启动阶段，基座纵向(Y向)振动均方根速率在频率34～39 Hz超出德国标准《Machine vibration– Evaluation of Machine Vibration by Measurements on Nonrotating Parts. Part 1∶ General guidelines》(DIN ISO 10816-1∶1995)[13]的允许值，原因初步认为是2号轴承右侧纵梁端部宽度较小，仅为1 000 mm，出现刚度突变。但德国标准要求的频域分析范围较小(45～55 Hz)，可以认为只是启动过程中的短暂超标，不影响机组正常运行。

该新型嵌入式汽轮发电机基座已经应用于工程实践，基座投入运行一年多以来，机组运行稳定，性能指标优良，进一步验证了该嵌入式新型基座具有良好的动力性能。