汽輪發電機基礎設計技術綜述

付 旭,李紅霞,王敏杰

(大連理工大學 機械工程學院,遼寧 大連 116024)

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·能源與動力工程·

汽輪發電機基礎設計技術綜述

付 旭,李紅霞,王敏杰

(大連理工大學 機械工程學院,遼寧 大連 116024)

汽輪發電機基礎作為支撐發電機組正常運行的工作平臺,其動力特性直接影響整個機組的安全穩定運行,所以研究其動力特性并對其進行結構優化設計至關重要。筆者回顧了汽輪發電機基礎設計技術的發展歷史,并從汽輪發電機基礎的動力特性、減振、隔振和優化設計方面,指出了當今汽輪發電機基礎研究方面存在的不足,展望了汽輪發電機基礎研究方向。

汽輪發電機基礎;動力特性;減振;優化設計

汽輪發電機基礎是空間框架結構、具有無限多個自由度的振動體系,尤其是彈簧隔振基礎,其結構、動力特性較為復雜,而且體積龐大,工程造價昂貴。所以出于安全和經濟雙重考慮,對汽輪發電機基礎進行提高動力特性和減小基礎總重量的優化設計尤為重要。本文重點分析了汽輪發電機基礎的動力特性、減振、隔振基礎和結構優化設計,指出了汽輪發電機基礎研究方面存在的不足,同時展望了汽輪發電機基礎今后的研究方向。

1 汽輪發電機基礎動力特性研究的歷程

汽輪發電機基礎作為發電廠發電機組的承載體,其動力學特性對發電廠的安全運行有著至關重要的影響。自20世紀70年代以來,國內外已對汽輪發電機基礎的動力特性展開了大量研究工作。文獻[1]論證了直接采用地震載荷研究機組-基礎-地基系統動力響應的必要性;文獻[2]應用平面動應變的方法分析了汽輪發電機基礎,建立除機殼之外的所有部件的動力學模型,并采用動態剛度矩陣法建立基礎的數學模型,完成對汽輪發電機基礎的動力特性分析;文獻[3]考慮大型轉子-軸承-地基系統的作用,采用線性理論的模態綜合法來對汽輪發電機基礎進行動力分析;文獻[4]用混合方法建立汽輪機基礎的數學模型,并對某一 300 MW的基礎進行轉子不平衡或地震波的作用進行了有關分析,探索了汽輪機基礎外殼和土壤各向異性對系統動力特性的響應;1979年中國頒布了第一本《動力機器基礎設計規范》(GBJ40-79),1996年對其進行修訂,形成《動力機器基礎設計規范》[5](GB50040-96)(下面簡稱《動規》)。

隨著汽輪發電機單機容量的不斷增大,基礎的動力特性日益復雜。為了確保發電廠能夠安全運行,在基礎進行施工之前,通常采用有限元數值模擬分析和模型試驗對基礎的動力特性進行研究。

2 有限元數值模擬分析

隨著計算機技術的快速發展,有限元模擬計算被廣泛地應用于工程問題中數值分析。設計人員根據經驗或準則,將實際復雜的工程問題簡化為可求解的數學問題,利用有限元法建立汽輪發電機基礎的數值計算模型,分析基礎的動力學性能。目前對有限元模型的單元定義主要有桿系單元和實體單元，如圖 1、圖2所示。

圖1 梁單元計算模型

圖2 實體單元計算模型

桿系單元與實體單元相比具有自由度少、計算速度快,且模型直觀簡潔的優點,是國內外最常用的有限元單元類型。但由于桿系單元建立的簡化模型與實際結構有一定的差別,其計算結果也存在一定誤差。而隨著計算機性能的提高和計算方法的發展,在計算量允許的情況下,實體單元被越來越廣泛地應用到汽輪機基礎動力特性研究中。文獻[6]用梁單元建立了某汽輪發電機基礎動力特性分析的有限元計算模型,并用 RUAUMOKO 程序的時序響應分析和修改模型兩部分來分析汽輪發電機基礎的非線性動態行為、固有頻率、節點位移等;文獻[7]采用粱單元分別建立某3個大型汽輪機基礎有限元計算模型,并采用基于可靠性的汽輪發電機基礎的動力優化方法,對基礎的動力特性進行了優化設計;文獻[8]在對基礎關鍵參數分析時指出,桿單元進行建模時采用剛度較小的桿單元有利于計算結果的安全可靠;文獻[9]采用實體單元分別建立了隔振與非隔振基礎兩種基礎動力特性計算的數值模型,對比出采用彈簧阻尼隔振元件可有效減小基礎最大動位移,提高基礎動力特性;文獻[10]對某優化后的汽輪發電機基礎進行完整而全面的實體單元數模分析,驗證了優化結果的可靠性。

采用有限元數值模擬的方式求解大型汽輪機基礎動力特性,不僅可以快速、方便地獲得相關數據,而且可以節省研究成本,其計算結果也具有一定的可靠性,對實際工程具有一定的指導作用。但是,在進行數值分析時會對一些復雜的汽輪發電機基礎進行一些簡化處理,使得模擬的結果存在不確定性,所以為了驗證其計算結果還需進一步的試驗,目前最常用的試驗方法是模型試驗法。

3 模型試驗

模型試驗基本可以定性地反映基礎原型的振動響應規律,預測基礎原型的動力特性。試驗過程中通常采用外加激勵的方式測試其相應的動力響應,如朱瑞燕等[11]為了找出最佳動力學模型,采用錘擊法對某燃氣發電機基礎進行模型試驗,如圖3所示;白國良等[12]為了驗證試驗結果和數值計算結果的可行性,采用白噪聲隨機激振法對某基礎模型的動力特性進行測試,如圖4所示。

圖3 錘擊脈沖激勵法示意圖

圖4 白噪聲隨機激振法示意圖[14]

現有模型試驗研究中,錘擊激勵法具有錘擊激振能量少,對較大型結構進行激振時在激振部位容易產生非線性影響[13],而白噪聲隨機激振法的數據采集快、激振頻譜豐富,操作簡單等,因此其更適合于汽輪發電機基礎這樣的復雜結構的模態分析[14]。此外,猝發隨機激振法具有隨機周期激振時頻譜豐富、操作簡單并能最大限度減小泄漏誤差等優點,因而被廣為應用于汽輪發電機基礎動力特性研究的模型試驗中,如文獻[15-16]在對基礎原型的動力特性進行預測時就采用猝發隨機激振法對結構進行激振。

模型試驗后,需從試驗結果中精確地推算出基礎原型的動力特性,因而文獻[17]對基礎模化過程的動力特性相似準則進行了研究,分別采用量綱分析法和方程分析法建立汽輪發電機基礎模化過程中動力特性相似準則,并將得到的結果進行對比發現該兩種方法推導的結果一致,證明其推導出的動力特性相似準則是正確的。文獻[18]根據方程分析法,通過相似理論建立“實際轉子系統”和“模擬轉子系統”之間的相似準則關系,進而研究出百萬千瓦級汽輪發電機“模擬轉子系統”試驗臺。

模型試驗具有可以定性反映基礎原型的振動響應規律的優點,但是由于模型試驗存在比例尺效應,使得試驗結果不太準確;同時在進行模型試驗時所采用的試驗模態分析方法不統一,使得同一種基礎在進行模型試驗時得出的結果不統一,不能完全反應基礎的實際情況。因此,為了得到準確全面的基礎動力特性參數,需要通過有限元數值模擬分析與模型試驗結合來獲得。在進行有限數值模擬分析時，可以采用不同的數學等效方式、參照不同的動力特性規范進行分析并相互驗證,提高模擬的準確性;在對模型試驗的結果進行處理時,將模型試驗時存在的阻尼誤差等考慮進去,合理分析試驗結果,繼而得出準確結論。

目前,研究基礎動力特性理論大多是采用線性理論建立系統振動方程,可在機組實際運行中,非線性振動情況也時而出現。因此為了更加準確研究基礎的動力特性,應建立系統非線性運動方程,引入非線性油膜力,并考慮基礎和地基的相互作用,從非線性振動角度來進一步研究基礎的動力特性,進而讓分析結果更接近實際情況。

4 汽輪發電機基礎的減振和隔振研究

盡管中國電力建設正處在高速發展的時期,發電機的容量日益增大,但也不能一味地靠增加柱子截面面積或加墻的方式來達到基礎的減振、隔振目的。尤其在核電方面,采用半速機組(頻率為25 Hz左右)和常規框架式基礎(頻率為18 Hz～25 Hz)與機組極易發生共振,因此采用彈簧隔振器來進行調頻,使基礎的頻率降到3.0 Hz～3.5 Hz,不僅不會發生共振,而且還起到了減振、隔振的作用[19]。文獻[20]對在基礎上安裝彈簧隔振器的設計原則進行了闡述,并對鋼鐵基礎和混凝土基礎的重要性能進行了比較分析;文獻[21]建立彈簧-粘滯系統的橫向-豎向-擺動耦合動力響應分析模型,證明了彈簧-粘滯阻尼隔振系統具有良好的隔振和抗震性能。而針對某些汽輪發電機在局部地區彈性變形使汽輪發電機基礎產生局部沉降,文獻[22]提出可通過增減彈簧墊片的個數調節基礎平臺的標高,使得汽輪發電機的軸系通過彈簧調整技術達到軸系的粗對中。為了衡量彈簧基礎的隔振效果,文獻[23]提出對汽輪發電機基礎模型測試,并以力作為度量指標,對某汽輪發電機彈簧基礎的隔振效率進行測試;文獻[24]分別對單自由度、雙自由度、多自由度彈簧隔振基礎的隔振效率進行理論分析和有限元計算,得出對于整體評價角度可采用單自由度和雙自由度系統進行近似評價,而對于動力測試角度應采用多自由度系統進行分析評價的結論。

目前,中國自主設計的彈簧隔振基礎的減振效果已在工程實踐中得到有力驗證，其中,田灣核電站采用聯合布置彈簧隔振基礎中的一種基礎形式,該基礎能夠抵抗高強度地震,如圖5 所示;合肥二電廠在主機使用彈簧隔振基礎的同時凝汽器也使用了彈性支承,這樣不僅隔離了機器的動載荷,還消除真空吸力;宋遠齊等[25]首次成功地在嶺澳核電站的二期汽輪發電機半速機組中采用彈簧隔振基礎。嶺澳工程的成功為之后的工作提供了有效的借鑒,例如4×1000 MW紅沿河核電站和4×1000 MW寧德核電站等都成功地使用了彈簧隔振基礎。

圖5 聯合布置彈簧隔振基礎

Fig.5 Combined arrangement of spring vibration-isolated foundation

由于彈簧隔振基礎具有良好的隔振作用、可不停機進行機組對中與調整、解決基礎不均勻沉降等突出優點,因此被越來越多的發電站采用。到目前為止,中國已建或在建的發電站汽輪發電機基礎均采用彈簧隔振基礎[26]。

雖然國內已掌握彈簧隔振基礎的核心設計技術,但現有的彈簧隔振基礎仍以引進國外設計為主,自主設計的彈簧隔振基礎實例較少。目前,中國采用的彈簧隔振基礎都是島式布置彈簧隔振基礎,而在高烈度地震區的抗震性具有突出的優點的聯合布置彈簧隔振基礎在國內的應用幾乎沒有,在聯合布置式彈簧隔振基礎方面的設計也有所欠缺。因此應借鑒國外學者在聯合布置彈簧隔振基礎上的設計經驗,在國內完成抗高地震烈度的聯合布置彈簧隔振基礎的設計。同時控制好隔振元件的生產質量,以使中國能夠獨立完成彈簧隔振基礎的設計與建造。

5 汽輪發電機基礎結構優化設計研究

為了得到既能滿足工藝要求,同時動力特性又十分優良的汽輪發電機基礎,須對基礎進行優化設計。汽輪發電機基礎的動力分析屬于多質點、高頻率、多自由度的空間力學問題,影響其動力性能的因素不僅包括汽輪機基礎的形式,還有構件的幾何、斷面尺寸的配合關系等因素[27],其結構優化設計十分復雜和困難,為此許多專家學者提出了新的理論算法。著名力學家錢令希[28]、Kirsch[29]和 Topping[30]針對優化過程中出現設計變量量級不統一的難題,提出了分級優化的方法;周建軍等[31]針對求解汽輪發電機基礎振動特征方程時普通子空間迭代難以確定子空間維數的問題,利用遷移式子空間迭帶的方法替代原來的子空間迭代,同時運用具有自主知識產權的QJDU計算程序[32]和通用的有限元分析軟件ANSYS對汽輪機基礎進行動力特性分析,并將 Kriging 代理模型優化算法引入汽輪機基礎的結構設計,實現了采用黑箱優化設計算法對汽輪發電機基礎進行優化設計;高月華等[33]采用自適應方式提高迭代過程中代理模型精度,提出一種同時考慮預測響應值及其不確定性的多點加點準則,并基于該準則發展一套序列近似優化方法;馬曉光[34]以Kriging方法為基礎,建立以基礎構件的截面面積以及幾何位置為設計變量,以基礎重量和基礎最大動位移最小化為目標的優化設計模型,采用分級優化方法完成了多個汽輪發電機基礎的優化設計。另外,對汽輪發電機基礎優化設計時,出現的一些問題,專家們也給出了相應解決辦法,如胡琦[35]等針對汽輪發電機基礎優化設計中計算量大的問題,采用極差分析和正交分析方法結合數值模擬技術,對影響基礎動力特性的多個因素進行靈敏度分析,獲得動力特性優良的基礎設計方案;李征等[36]面對在搜尋能夠使汽輪發電機基礎的質量和最大動位移取得最小值得設計變量解時出現的計算效率低的問題上,發展可并行計算的多目標優化方法,該計算策略能夠大幅度地提高基礎的優化設計的計算效率;崔振東等[27]針對工程優化中需要大規模數值計算的情況下,提出利用大量閑置資源的網格來建立具有4層結構的高性能網格計算平臺,并在該平臺上完成兩個汽輪發電機基礎的優化設計。

目前,中國在汽輪發電機基礎優化設計方面的研究,大多數集中在對常規框架式汽輪發電機基礎的理論優化方法上的研究,而對彈簧隔振基礎結構的優化設計缺少有效的優化設計方法。所以,今后研究工作中要針對彈簧隔振基礎的優化設計展開研究,尤其是對汽輪發電機基礎加入彈簧隔振器后,要根據其基礎動力特性的改變,找出在此情況下能進行彈簧隔振基礎優化設計的有效方法,以完成此類基礎的優化設計。在設計提升彈簧隔振基礎減振、隔振效果時,要加大隔振元件中彈簧剛度,同時也要考慮阻尼器的阻尼值以使基礎整體達到最佳減振、隔振效果。

6 展 望

本文對汽輪發電機基礎的動力特性、減振、隔振及結構優化設計進行了綜述,并根據對該研究方向的理解,在每個研究方面的最后對該研究方向存在的問題進行了深入探討。從分析的情況來看,汽輪發電機基礎的研究還處于發展階段,未來的汽輪發電機基礎的研究工作需從以下幾方面進行:

1) 利用有限元方法對基礎進行動力特性分析時,可以將基礎模型采用不同的數學等效方式并參照不同的動力特性規范相互驗證,進而得到更加準確的結果;在進行模型試驗時,考慮由于模型制作或者試驗條件與基礎原型的差異等原因所造成的誤差,分析并消除誤差,提高模型試驗精度。同時國內的專家學者還可以集中智慧,提出一個用于模型試驗的指導性文件,這將為之后的工作提供極大的幫助。

2) 在基礎動力特性的理論研究方面,目前多采用線性理論建立基礎的運動方程,很少考慮機組轉子、非線性油膜力和地基等對基礎作用,使基礎產生非線性振動。可以在理論研究中加入對基礎的非線性振動分析,使基礎的研究分析更接近實際工作,結果更精確。

3) 中國已經掌握了島式彈簧隔振基礎設計的核心技術,以后可嘗試自主設計。在聯合布置彈簧隔振基礎設計方面,可以借鑒國外在聯合布置彈簧隔振基礎設計上的成功經驗,研究并發展適用于中國地質條件、具有良好抗震性能的聯合布置彈簧隔振基礎。

4)目前,中國建造的彈簧隔振基礎中所采用的彈簧隔振元件除全部由國外廠家供給外,也能獨立完成彈簧隔振元件的設計,只是在彈簧隔振元件的生產制造上還存在不足。如何提高彈簧隔振元件的質量將是中國今后一個新的研究方向。

5)在優化設計方面,對彈簧隔振基礎進行優化設計將是一個新的研究方向。采用工程優化設計思想,利用多學科優化設計技術,發展適宜于大型汽輪發電機彈簧隔振基礎的快速尋優算法,對彈簧隔振基礎進行優化設計。

6) 在彈簧隔振基礎設計時,為了使彈簧隔振基礎達到良好的減振隔振目的,要加大元件中的彈簧剛度,同時要設置合理的阻尼比,以使基礎達到最佳的減振、隔振效果。

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(責任編輯 郭金光)

Research summary on design technology of turbine generator foundation

FU Xu, LI Hongxia, WANG Minjie

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

The turbine generator foundation being a working platform supporting the normal operation of generation units, the dynamic characteristics have a direct influence on the safe and stable operation of the whole unit.The research on the dynamic characteristics and the design of the structure optimization, therefore, are significant.In this paper, the author reviewed the development history of design technology of turbine generator foundation, pointed out the shortcomings of its research nowadays from dynamic characteristics, vibration isolation and design optimization, and the research orientation is prospected.

turbine generator foundation;dynamic characteristics;vibration reduction;optimization design

2016-01-25;

2016-06-03。

付 旭(1992—),女,碩士研究生，研究方向為汽輪發電機基礎動力特性分析及優化設計。

TM311

A

2095-6843(2016)05-0460-06