氣化爐運行引起樓層振動的實驗研究和計算機模擬

史振東，陳紅英，陳昭怡，苗淑青，郭美卿

(1.太原理工大學 力學學院，國家級工程力學實驗教學示范中心，山西 太原 030024;2.山西煤炭職業(yè)技術學院，山西 太原 030031)

隨著科技的進步和發(fā)展，現(xiàn)代工程結構正朝著大型化、復雜化的方向發(fā)展。這些大型復雜結構(如：大型機組、高層建筑、大型橋梁等)在其服役環(huán)境中受到設計載荷以及各種外界因素作用，往往會發(fā)生不良振動，輕者使廠房發(fā)生振動、結構產生裂縫，重者導致結構的破壞；同時不良振動往往伴有強烈的噪音，影響正常的生產作業(yè)，這在工業(yè)生產中是非常重要的一個問題，必須引起高度重視。有些機組廠房建成初期，未發(fā)生不良振動現(xiàn)象，但隨著時間推移，結構老化，剛度改變，可靠性降低，結構的動力特性也將發(fā)生變化，從而導致結構發(fā)生不良振動。能夠快速、準確地確定振動的原因，用最小的代價消除或減輕不良振動，在實際工程中有重要的現(xiàn)實意義[1-5]。

晉煤集團天溪煤制油分公司10萬噸/年煤基MTG合成油示范工程項目，是晉煤集團公司打造全國最大煤化工企業(yè)集團，是引領國內煤化工新技術發(fā)展的關鍵舉措，被列入山西省“十一五”重點工程。該項目配備了6臺灰熔聚氣化爐(5開1備)，氣化爐操作壓力為0.6 MPa，日處理晉城無煙煤1 600 t，干煤氣產量125 000 m3/h(配套30萬噸/年合成甲醇)。進入生產階段以來，發(fā)現(xiàn)氣化爐機組所在的安裝層有感振動明顯，疑似為不良振動，考慮到機組和廠房運行的安全性和穩(wěn)定性，決定通過現(xiàn)場振動測試對其安全性和穩(wěn)定性進行評估，并借助計算機模擬，提出一個可行、簡單和準確的測試評價方法，在評價結果的基礎上提出必要的加固方案。

1 實驗部分

1.1 實驗設備

實驗設備包括：振動傳感器(891-1型、891-2型，地震局工程力學所)、數(shù)據采集與分析系統(tǒng)(VIPC工程版，北京振峰科技公司)和計算機(惠普公司)。

1.2 現(xiàn)場概況

該工程主體是一棟高9層的框架結構廠房，建筑結構的第6層是其主體設備的安裝層，在這一層產生的疑似不良振動現(xiàn)象最明顯。圖1為該廠房及測試環(huán)境圖，圖2為氣化爐分布示意圖。氣化爐依次排列于第6層框架的中跨，每跨布置1臺，共6臺，每臺共有8個連接點和支撐梁固結(見圖3)。在測點1—3的方位,氣化爐由鋼筋混凝土梁作為支撐;在測點5—7的方位,氣化爐由H型鋼梁作為支撐。混凝土主梁的截面尺寸為800 mm×350 mm，次梁的截面尺寸為600 mm×350 mm，H型鋼主梁的規(guī)格為56c，次梁的規(guī)格為40c，混凝土柱截面尺寸為800 mm×800 mm。8個測點中1—4點位于混凝土梁一側，5—8點位于鋼梁一側。氣化爐外形尺寸為4 200 mm(D)×15 000 mm(h)，凈質量為110 t、運行質量為115 t。

圖1 測試環(huán)境圖片

圖2 氣化爐分布示意圖

圖3 測點布置示意圖

1.3 測試方案

采用以電測法為基礎的振動測量系統(tǒng)對現(xiàn)場振動進行區(qū)域測試[6]。圖4為系統(tǒng)結構示意圖，由被測對象、測振傳感器、振動數(shù)據采集與分析系統(tǒng)和顯示及記錄系統(tǒng)所組成。選取氣化爐與廠房第6層的8個固定連接點以及支撐氣化爐的混凝土梁中部兩點作為檢測點(見圖3)，工況分別是壓差為6.5 kPa、8.8 kPa和9.5 kPa，分垂直、水平2個方向進行振動測試。同時監(jiān)測機組系統(tǒng)工作時的結構振動頻率、加速度、速度和位移。在對振動信號分析的基礎上，對照有關標準規(guī)范對其進行評價[7-9]。在6.5 kPa、8.8 kPa工況測試時取10個測點，在9.5 kPa工況測試時取4個測點進行測試(現(xiàn)場條件限制，機器在極限狀態(tài)下的工作時間受限)。

圖4 測試系統(tǒng)組成示意圖

1.4 實驗結果與討論

圖5和圖6為氣化爐工作壓力差為6.5 kPa時測點1垂直和水平方向的振動時域和頻譜圖。綜合各測點在不同壓力差時的時域和頻譜圖得出氣化爐工作時各測點垂直向的頻率在0.75～11.50 Hz范圍內，頻率級數(shù)約20級左右，這主要是氣化爐的工作特性所致。在低頻段(0.75～4.0 Hz)范圍內，其幅值隨壓差的變化較??；在高頻段(4.0～9.0 Hz)范圍內，其幅值隨壓差的變化較大，說明了氣化爐內部物質反應的工作頻率應當在4.0～9.0 Hz范圍內。各測點水平向的頻率在0.63～7.88 Hz范圍內，頻率階數(shù)約4階，其頻率主要反映了建筑結構的動力特性即建筑結構的振型。建筑結構南北向一階振型頻率為0.63 Hz，二階振型頻率為1.88 Hz，建筑結構東西向一階振型頻率為0.75 Hz，二階振型頻率為2.63 Hz。但由于氣化爐各支撐點剛度不同，造成了各點的位移差異，產生的彎矩引起了水平位移，其頻率約1.80 Hz，正好與建筑結構二階頻率相符合，產生共振，因此發(fā)生有感振動。

圖5 測點1垂直向6.5 kPa振動波形頻譜圖

圖6 測點1水平向6.5 kPa振動波形頻譜圖

由表1和表2可以得出：氣化爐工作時，由于運行過程隨機性較強，致使振動頻率不固定，但還是有一定的范圍，測點垂直向振動極限幅值的對應頻率在4.76～8.33 Hz范圍內；水平向振動極限幅值的對應頻率在1.8～2.91 Hz范圍內；測點1、2、3、4、8的極限位移在同一量級，測點5、6、7的極限位移在同一量級，最大位移發(fā)生在測點5，其值為141.13 μm。表1中數(shù)據表明測點5、6、7的位移幅度遠大于其他測點。產生各支點位移相差較大的原因主要是各支點剛度不同所造成，位移最大的測點5、6、7完全為鋼梁支撐，說明以鋼結構作為支撐的一側剛度低于混凝土梁一側剛度。氣化爐下部支撐結構平面剛度偏低且不均勻，使氣化爐在運行過程中發(fā)生側向偏移(鋼梁一側)，造成了支撐結構剛度較小的一側振動幅度明顯偏大的現(xiàn)象。

表1 不同工況下各測點垂直方向極限幅值和對應頻率

表2 不同工況下各測點水平方向極限幅值和對應頻率

表2(續(xù))

2 數(shù)值計算

2.1 模型建立

利用ANSYS軟件對氣化爐工作期間引起的周邊結構振動問題進行了仿真分析。模型共分為2個部分，分別為氣化爐和其下部支撐結構(如圖7所示)。氣化爐部分采用線彈性材料，不計爐內復雜的熱力學過程；下部支撐結構按照結構的實際尺寸和材料進行建模，共劃分1 740個單元[10-12]。

圖7 有限元計算模型示意圖

2.2 計算結果

圖8給出了在最不利工況下氣化爐和下部支撐結構的變形物理圖像，可以看出，在最不利工況下氣化爐整體向鋼梁一側偏移。

圖8 最不利工況下氣化爐整體變形位移圖

從圖9和圖10可以看出：豎向位移是結構總位移的主要量，說明水平位移在總位移的占有量很小。

圖9 最不利工況下支撐結構豎向位移云圖

圖10 最不利工況下支撐結構位移總量云圖

2.3 計算結果分析及建議

根據以上計算結果及分析可以看出：造成結構不良變形的主要原因是結構剛度在平面內部分不均勻造成的。從目前的實測結果和計算結果來看，各支撐結構在測試點處的撓度幅值均超出結構安全性使用的界限要求，并且考慮到氣化爐在運行過程中，對結構將產生往復的動力荷載過程，容易造成結構尤其是鋼結構部分的疲勞損傷，一旦損傷將會使結構出現(xiàn)脆性破壞，造成不必要的人員和財產損失。建議用局部增大梁截面剛度的方法，調整局部剛度，對結構平面剛度進行調整，減輕氣化爐向鋼梁一側的傾斜，減小梁的撓度。

3 結論

通過對實際工程的全面檢測，對該樓層的動力特性進行了較全面的分析，在此基礎上進行了計算機模擬。其主要結論如下：

(1) 因氣化爐下部支撐結構平面剛度不均勻，導致氣化爐在運行過程中發(fā)生側向偏移(向鋼梁一側)，造成了支撐結構剛度較小的一側振動幅度明顯偏大，且振動幅度都超過了安全界線，建議進行加固處理。

(2) 氣化爐工作時各測點垂直向的振動波形隨著壓差的增加，出現(xiàn)明顯的變化，除幅值增大外，幅值較大的頻率出現(xiàn)的頻次也增加；水平向的各測點的振動波形隨著壓差的增加，其波形幅度變化不大，頻率階次明顯，約為3～4階，這說明氣化爐的運行對水平向振動影響較小，其振動主要是建筑物結構的動力特性的反映。

(3) 利用大型有限元程序ANSYS對氣化爐工作期間引起的周邊結構振動問題進行了仿真分析，得到的結果與實測結果規(guī)律一致。

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