基于GE 機型的落地式燃機基礎(chǔ)設(shè)計分析研究

龍楊洋

（湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410000）

近年來全球天然氣的產(chǎn)量迅速增加，給以潔凈天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C創(chuàng)造了良好的條件。根據(jù)發(fā)改委的規(guī)劃，到2020 年我國將建成裝機容量5500 萬kW 的燃機規(guī)模。同時，隨著國際市場的發(fā)展，在設(shè)計中結(jié)合我國經(jīng)驗，將我國的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)相接軌，設(shè)計出符合廠家、規(guī)范要求的燃機基座已成為我們面前一個新的任務(wù)。燃?xì)廨啓C安裝于大塊式混凝土基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)的位移限制通常以微米計。因此，如何控制基礎(chǔ)變形成為了燃機基礎(chǔ)研究最重要的內(nèi)容。在緬甸某直通燃機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目中，配置了2 臺GE 6F.01 燃?xì)廨啓C，單臺燃機額定功率40860kW。本文結(jié)合該工程實例，借助通用有限元軟件ANSYS 建模，對基礎(chǔ)性能進(jìn)行了綜合分析。

1 有限元模型

在建模時，原則上盡量按照基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖來實施，在不影響計算結(jié)果精度的前提下，對嚴(yán)重增加計算難度的局部作了忽略處理。利用6 面體8節(jié)點等參單元模擬結(jié)構(gòu)，利用正交異性材料參數(shù)模擬鋼筋混凝土材料。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型如圖1 所示。

圖1 設(shè)備質(zhì)量布置方式圖

2 基礎(chǔ)自振特征分析

2.1 分析方法

通過模態(tài)分析，得到基礎(chǔ)自振頻率、振型等參數(shù)，同時得到結(jié)構(gòu)在各方向上的模態(tài)參與系數(shù)和有效質(zhì)量等參數(shù)。其中模態(tài)參與系數(shù)是振型和激勵方向的函數(shù)，參與系數(shù)可以衡量該階模態(tài)在其激勵方向上對變位的影響程度。而模態(tài)的某一振型的某一方向的有效質(zhì)量，為各個質(zhì)點質(zhì)量與該質(zhì)點在該階振型中相應(yīng)方向?qū)?yīng)坐標(biāo)乘積之和的平方。模態(tài)參與系數(shù)和有效質(zhì)量是在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中使用的概念，但這兩個參數(shù)也從一定意義上反映了結(jié)構(gòu)在受外力作用時可能參與振動的程度。

2.2 頻率分析

表1 列出了基礎(chǔ)模態(tài)分析部分結(jié)果。

從表1 中可以看出，模態(tài)分布較稀疏。從分析結(jié)果來看，87.25Hz（燃?xì)廨嗇啓C工作頻率）附近各階模態(tài)的振型參與系數(shù)和有效質(zhì)量均不大，后面的強迫振動響應(yīng)分析也證明了這一點，擾力點振動線位移的最大幅值并沒有出現(xiàn)在87.25Hz 附近

表1 前5 階及工作頻率的模態(tài)頻率及模態(tài)參與系數(shù)、有效質(zhì)量（平動）

3 強迫振動響應(yīng)分析

3.1 強迫振動的計算結(jié)果

為了更好的反映擾力點處的振動情況，分別取擾力作用點正下方基礎(chǔ)平臺上與其對應(yīng)的位置處為測點進(jìn)行分析。本工程燃機額定轉(zhuǎn)速5235r/min，超出普通汽輪機基礎(chǔ)（3000r/min 及以下）評價標(biāo)準(zhǔn)范疇，根據(jù)ISO 標(biāo)準(zhǔn)及《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》（GB50868 - 2013）的相關(guān)規(guī)定，功率大于3MW 、轉(zhuǎn)速在3000～ 20000r/min 范圍內(nèi)的發(fā)電和機械驅(qū)動的重型燃?xì)廨啓C基礎(chǔ)，在時域范圍內(nèi)的容許振動值采用振動速度均方根值：

本工程燃機基礎(chǔ)與發(fā)電機基礎(chǔ)為整體設(shè)計，為了合理評價基礎(chǔ)振動特性，燃機端容許振動值采用振動速度均方根值，電機端采用振動位移峰值。模型擾力作用點位置圖如圖2。

圖2 模型擾力作用點位置圖

表2 擾力作用下的總幅值，根據(jù)《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)有m 個擾力作用下，質(zhì)點振動線位移為各擾力下線位移、速度平方和的方根值。

表2 工作階段基礎(chǔ)上各點最大振動線位移、速度及相應(yīng)轉(zhuǎn)速

3.2 強迫振動的振幅曲線

基礎(chǔ)各關(guān)鍵點振動幅值隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢大體相當(dāng)。啟動階段和運行階段最大振動速度均方根值分別為1.04mm/s 和4.19mm/s，發(fā)生在2 號擾力點正下方基礎(chǔ)平臺上，圖3 給出了2 點Y 向振幅曲線圖。

圖3 2 點Y 向振幅曲線

4 結(jié)語

（1）根據(jù)ISO10816-1 規(guī)定，將機器（燃機與汽機）振動分4 個評價區(qū)域：A 區(qū)指新投產(chǎn)的機器，振動通常宜在此區(qū)域；B 區(qū)指振動在此區(qū)域內(nèi)的機器可以不受限制地長期運行；C 區(qū)指振動在區(qū)域內(nèi)機器不宜長期運行，但在適當(dāng)?shù)难a救措施前，可以運行有限的一段時間；D 區(qū)指在此區(qū)域范圍振動的機器已足夠嚴(yán)重并將引起機器損壞，必須停止運行。燃機基礎(chǔ)設(shè)計時，工作階段中穩(wěn)態(tài)下（額定轉(zhuǎn)速）的振動限值應(yīng)按A/B 區(qū)限值進(jìn)行控制，啟動、停機超速等瞬態(tài)下的基礎(chǔ)振動限值可按C/D 區(qū)限值進(jìn)行控制。根據(jù)ISO10816-4 規(guī)定，對于轉(zhuǎn)速3000～20000r/min 燃機基礎(chǔ)，A/B 區(qū)容許振動速度均方根值為4.5mm/s，C/D 區(qū)容許振動速度均方根值為14.7mm/s。ANSYS 計算結(jié)果顯示，各擾力點的最大振動速度均方根值均小于容許值。表明本基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)的動力特性，完全滿足ISO 標(biāo)準(zhǔn)。

（2）ANSYS 計算結(jié)果顯示，在啟動階段和運行階 段， 電 機 端擾力點的最大振動線位移分別 為16.02μm和 17.18μm，發(fā)生在3 號擾力點正下方基礎(chǔ)平 臺 上。 根 據(jù)《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50040-96），ANSYS 計算結(jié)果顯示，各擾力點的最大振幅均小于容許值。表明本基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)的動力特性，完全滿足規(guī)范要求。

（3）從計算得到的幅頻曲線上看，電機端振幅值比燃機端大，由此可看出，低轉(zhuǎn)速對基礎(chǔ)的影響比高轉(zhuǎn)速要大。

（4）基礎(chǔ)震動主要受自身剛度、質(zhì)量分布和擾力特性的影響，跟土壤類別、軟硬程度的關(guān)系不大。土壤對汽輪機基礎(chǔ)起到承載作用，可以認(rèn)為地基反立為恒值，同時土壤跟隨基礎(chǔ)震動的參與度不大，可以忽略地基和覆土的影響。