核電廠循環水泵基礎動力特性分析

王 衎 柴 進

(1.國核電力規劃設計研究院，北京 100095； 2.國核示范電站有限責任公司，山東 威海 264300)

核電廠循環水泵基礎動力特性分析

王 衎1柴 進2

(1.國核電力規劃設計研究院，北京 100095； 2.國核示范電站有限責任公司，山東 威海 264300)

以國內某核電工程為例，采用MIDAS GEN有限元分析軟件，對水泵基礎進行了整體建模計算，分析了該循環水泵基礎的動力特征，得出的結果為結構設計提供了準確的信息，保障了核電廠的安全運行。

核電廠，循環水泵，有限元，動力特性

對于循環水泵這種大型動力設備而言，其正常運行時會產生明顯的動荷載作用，若該動荷載的頻率與基礎結構的某一階固有頻率接近，會引起結構的共振現象，從而產生較大的動應力，可導致結構破壞或發生不允許的變形。而以往火力燃煤發電廠，由于循環水量較小，循環水泵結構布置相對簡單，一般不需要針對其基礎進行有限元整體振動分析。相對于火電廠[1]，核電廠的重要性及安全性要求更高，由于核電廠循環水量大，循環水泵采用立式泵，其布置較為復雜。本文以國內某三代核電項目為依托，通過大型有限元計算軟件Midas對循環水泵基礎進行整體建模分析，用模態分析方法求出水泵基礎的固有頻率、振型及不同工況下的振動線位移等參量，為今后核電廠循環水泵基礎動力設計提供了依據。

1 水泵基礎結構模型的建立

1.1 模型的建立

本文運用大型有限元計算軟件Midas建立循環水泵基礎模型。結構的墻體與樓板部分用殼單元模擬，梁柱部分用梁單元模擬，地基采用彈簧單元來模擬中等風化巖石。邊界條件：底板為節點彈性支承，底板邊緣設置法向固定，流道前端固定。

水泵基礎選用的混凝土標號為C40，其彈性模量取3.25×1010N/m2，泊松比取0.2，質量密度取2 500 kg/m3。根據廠家提供資料，電機與水泵的正常工作機組轉速均為198 r/min，擾力頻率為3.3 Hz。

循環水泵及基礎的工藝布置如圖1所示，泵房內共設8臺水泵，考慮在泵房中間位置設置一道伸縮縫，本模型僅截取一側4臺水泵，編號見圖1。

1.2 質量源的定義

根據結構模態分析原理，結合循環水泵基礎的結構特點，模型需要將以下荷載轉換為質量源：1)循環水泵基礎的梁、柱、墻和板的自重；2)電機層、泵層及鼓網檢修平臺層的活荷載；3)電機及水泵的設備自重；4)門吊設備荷載；5)上部框架結構荷載。

1.3 擾力的定義

根據相關規范[2]，當進行低轉速(機器工作轉速在1 000 r/min及以下)的動力計算時，其擾力、允許振動線荷載及當量荷載可取轉子重量的1/10。水泵轉子和電機轉子重量分別為160 kN，206.6 kN，泵層擾力及電機層擾力分別為16.0 kN和20.66 kN。

基礎的振動是由于轉子傳遞到基礎上的簡諧擾力引起的，作用位置根據水泵和電機與基礎結構固定的位置確定。將電機層及泵層擾力平均分配到基礎節點上，其諧振函數圖形分別如圖2，圖3所示。

1.4 荷載工況

水泵運行共有四種情況，第一種情況為4臺機組全部運轉工況；第二種情況為單臺機組運行，有四種工況(1號，2號，3號，4號分別運行)；第三種情況為兩臺水泵運行，共六種工況(1號，2號；1號，3號；1號，4號；2號，3號；2號，4號；3號，4號)；第四種情況為三臺水泵運行，共四種工況(1號，2號，3號；1號，2號，4號；1號，3號，4號；2號，3號，4號)。本文從中選取四種工況對基礎振動特性進行研究。

1)工況一：機組全部運轉(該工況下考慮三種組合)。基本組合1/2/3=(D1+D3+L2+L3+L4+L5)+(泵層及電機層X/Y/Z向激勵)。

2)工況二：2號水泵單獨運轉工況(該工況下考慮三種組合)。基本組合4/5/6=(D1+D3+L2+L3+L4+L5)+(2號泵層及電機層X/Y/Z向激勵)。

3)工況三：1號、2號水泵同時運轉工況(該工況下考慮三種組合)。基本組合7/8/9=(D1+D3+L2+L3+L4+L5)+(1號，2號泵層及電機層X/Y/Z向激勵)。

4)工況四：1號，2號，3號水泵同時運轉工況(該工況下考慮三種組合)。基本組合10/11/12=(D1+D3+L2+L3+L4+L5)+(1號，2號，3號泵層及電機層X/Y/Z向激勵)。

其中，D1為自重及附件自重；D3為電機層及泵層活荷載；L2為泵層設備活載；L3為電機層設備活載；L4為門吊設備活載；L5為上部結構設備活載。在進行動力計算時，需要將以上靜力荷載轉換為質量，以便更真實地模擬結構動力特性。

2 計算結構分析

2.1 振型及周期

利用Midas采用振型疊加法計算基礎的前50階振型，前4階振型見圖4～圖7。根據振型圖可以看出，第一振型為X向振動，第二振型為Y向振動，第三及第四振型為X—Y向平面扭轉，與振型基本規律吻合。泵基礎前12階自振周期及自振頻率見表1。

表1 循環水泵基礎前12階自振周期及頻率

模態號頻率周期rad/seccycle/secsec166.411510.56970.0946274.173411.80510.0847384.271813.41230.07464100.440715.98560.06265115.528218.38690.05446119.460119.01270.05267126.744620.1720.04968136.770221.76770.04599138.49122.04150.045410140.234722.3190.044811142.052922.60840.044212143.49922.83860.0438

由表1可知，循環水泵基礎結構的主振型(第一振型)頻率為10.57 Hz，大于設備正常工作頻率3.3 Hz，故可以避開共振。

2.2 電機擾力下電機層的振動

關鍵點主要選擇在梁跨中等振幅較大的位置，由于泵房右側為1 500 mm厚隔墻，抗振動能力較好，故選取6個關鍵點皆位于1號、2號機組，具體位置如圖8所示。計算結果見表2～表5及圖9～圖11。

表2 工況一作用下電機層關鍵點振幅表

表3 工況二作用下電機層關鍵點振幅表

表4 工況三作用下電機層關鍵點振幅表

表5 工況四作用下電機層關鍵點振幅表

從表3可以看出，各向振動線位移最大值為0.98 μm，小于規范容許的振幅限值。在豎向(Z向)激勵下，振動線位移較小，可知振動線位移主要受水平方向激勵影響較大。從表4可知，當2號機組單獨運行時，不僅在4號，5號，6號關鍵點(2號機組關鍵點)處產生較大振幅，而且1號，2號，3號關鍵點(1號機組)處也有一定的振動，說明運行機組對其他位置存在一定影響；同樣地，擾力對基礎的影響主要在X—Y平面內，豎向(Z向)擾力作用下的振動線位移較小。對于工況三及工況四，隨著運行機組數量的增加，各關鍵點處的位移皆有一定程度的增幅，說明機組運行所產生的振動有疊加效果。

2.3 水泵擾力下水泵層的振動

水泵層布置及關鍵點的選取如圖12所示，與電機層類似，關鍵點皆位于1號，2號機組。水泵擾力作用下水泵層工況一及工況二的最大振幅見表6及圖13～圖15。

表6 工況一及工況二作用下電機層關鍵點振幅表

由計算結構分析可知，4個關鍵點均為在工況一下的X向振幅最大，最大振動線位移出現在7號點，最大值為0.32 μm，小于規范容許的振幅限值。而豎向振動線位移較小，由此可見振動線位移主要受水平方向的擾力影響較大。在工況一作用下，各關鍵點的振幅均比工況二大，說明四臺機組同時運行的情況要比單臺機組運行的工況更為不利，多臺機組同時運行會產生較大的相互影響，在設計過程中不容忽視。

2.4 水泵層與電機層的相互影響

2號機組水泵層單獨運行時三向作用在電機層6個關鍵點所

產生的振幅見表7。另外，水泵層擾力對電機層的影響與電機層擾力對自身基礎所產生的振幅進行比較，結果如圖16～圖18所示。

表7 水泵層擾力對電機層關鍵點振幅影響表

關鍵點號振動線位移/μmX向激勵(基本組合4)Y向激勵(基本組合5)Z向激勵(基本組合6)10.150.070.0220.100.050.0130.120.030.0240.230.160.0550.140.090.0460.160.080.05最大位移0.230.160.05

由圖16～圖18可知，雖然水泵與電機分層而置，但水泵層對電機層的關鍵點仍有影響，且在關鍵點4處所產生的振幅大約為電機層擾力影響的80%。

同樣地，電機層的單獨運行對水泵層也有一定程度的影響，且影響規律類似，此處不再贅述。

3 結語

本文以國內某核電工程為依托，對循環水泵基礎進行了動力特性分析。本次計算考慮了四種水泵運行組合情況，分別為1臺水泵、2臺水泵、3臺水泵及4臺水泵運行的工況，并且對水泵層及電機層的相互影響進行了分析，得出如下結論：

1)循環水泵基礎結構的第一振型頻率為10.57 Hz，大于循環水泵正常工作頻率3.3 Hz。根據相關規范，可以避開共振區域。

2)循環水泵的電機基礎的振動線位移最大為0.98 μm，水泵基礎的振動線位移最大為0.32 μm，小于GB 50040—96動力機器基礎設計規范要求的限制，滿足規范要求。

3)多臺水泵同時運行工況所產生的振幅要比單臺水泵運行的振幅大，說明水泵運行存在相互影響，且這種影響對結構不利。隨著水泵運行臺數的增多，振幅相應增大。

4)無論是水泵層還是電機層，其水平振幅比豎直振幅大，這符合低轉速電機的振動規律。

[1] 程志卿.大型火力發電廠循環水泵系統與基礎結構振動性能分析[D].西安：西安建筑科技大學碩士學位論文,2008.

[2] GB 50040—96，動力機器基礎設計規范[S].

Dynamic performance analysis on nuclear power plant circulating pump foundation

Wang Kan1Chai Jin2

(1.NationalNuclearPowerPlanning&DesignAcademy,Beijing100095,China;2.NationalNuclearDemonstrationPowerStationCo.,Ltd,Weihai264300,China)

Taking domestic nuclear power engineering as an example, applying MIDAS GEN finite element analysis software, the paper carries out integral modeling calculation for the water pump foundation, analyzes dynamic properties of the circulating water pump, and achieves some achievements which can provide accurate information of structural design and can guarantee the safe operation of the nuclear power plant.

nuclear power plant, circulating water pump, finite element, dynamic property

1009-6825(2017)01-0069-03

2016-10-22

王 衎(1988- )，男，助理工程師； 柴 進(1988- )，男，助理工程師

TU435

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