水泥余熱發電機組空冷島振動問題分析與處理

李昊晨，田松峰，丁閃閃

水泥余熱發電機組空冷島振動問題分析與處理

李昊晨，田松峰，丁閃閃

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003）

為解決山西某水泥余熱發電廠因生料磨振動而導致的空冷島結構振動超標問題，采用粘彈性人工邊界單元，建立振源–土體–空冷島結構的三維模型，通過對空冷島進行模態分析得出其主要振動頻率，結合振動在土體中的傳遞及衰減規律，提出隔振溝隔振的解決辦法。針對溝深、溝寬、溝數量、溝間距及距振源距離等參數對隔振溝隔振效果的影響進行分析，選定隔振溝各參數的最優值并確定最佳方案，從而使空冷島設備可以正常運行。

水泥余熱發電；空冷島；隔振溝；有限元分析

0 引言

能源是人類生存與發展中的關鍵因素，合理開發及高效利用是能源問題中的重中之重。據《中國能源統計年鑒（2017年）》顯示，能源消耗中工業消耗占比約70%，其中水泥行業耗能占比量約為7%[1]。水泥行業屬于高耗能行業。在水泥實際生產流程中，水泥窖排放的中低溫廢氣溫度可到350℃。若將該部分廢氣直接排放至大氣中，不僅導致大量的能源浪費，還造成嚴重的環境污染，這與“節能減排”的政策相背離。水泥余熱發電技術的實施使該部分廢氣能得以回收與利用[2]。

自“十一五”以來，水泥余熱發電技術發展迅速，空冷技術與水泥余熱發電技術的結合得到廣泛應用[3]。空冷系統在運行中，風機和驅動裝置運轉產生的振動可能會引起空冷系統的部件振動值過大，且該值與風機系統的運行頻率，風機橋架剛度及其隔振措施密切相關。此外，水泥余熱發電系統中存在大量的轉動設備，如回轉窖、立磨、管磨、選粉機、各類破碎機及風機等。這些轉動設備在運行時會產生一系列的隨機振動，此時產生的載荷為動載荷，其值可達靜載荷的數倍。該部分振動可經土層傳遞至地表。當振幅較大，頻率較低，且與結構的自振頻率相近甚至相等時，可導致結構共振，引發結構的二次振動。若水泥生產系統的轉動設備振動引起空冷島系統設備的二次振動，則水泥余熱發電系統的正常運行將無法得到保障[4]。以山西某水泥預熱發電廠為例，該廠空冷島設備正常運行時振動速度應維持在6.3 mm/s以下；但在生料磨運行時，空冷島設備的振動速度嚴重超標，達12.3 mm/s，設備無法正常運行。因此，有必要對該廠生料磨等外部振動引起空冷島結構振動超標問題進行深入研究。

目前，振動的控制方法主要分為積極隔振、消極隔振與介質隔振，即分別從振源、受振體和傳播介質入手對振動進行控制[5-7]。結合余熱發電廠實際情況，振源生料磨和受振體空冷島結構因建設及運行要求不易改造，故采用介質隔振法進行改造，以達到減振效果。現階段常用的介質隔振法為屏障隔振法，即通過在傳遞介質中設置隔振溝、波阻塊或排樁等結構，造成傳遞介質的分層，改變振動波的傳遞從而達到隔振效果。經研究表明，隔振溝較其他方法的隔振效果明顯且施加方式簡單[8, 9]，故本文擬采用隔振溝方法進行隔振，建立振源–土體–空冷島結構的三維有限元模型，并針對隔振溝的不同參數分析其對隔振效果的影響，選定各參數值以達到隔振效果的較優值，使水泥余熱發電系統可正常運行。

1 有限元模型

1.1 結構參數

該廠發電機組容量為1×7.5 MW，整個空冷系統支撐在距地面15 m高的鋼筋混凝土平臺上。平臺長28.14 m，寬15.08 m。平臺上設有風筒梁、步道梁及邊梁。該空冷凝汽系統單臺機分為1列，配置2個冷卻單元，每個單元有單排冷卻管束組件、風機、風筒、護網和風機橋架等結構和設備。空冷島的主要結構參數如表1所示。

表1 空冷島主要結構參數表

以沉積韻律為基礎，該廠土體基礎由上至下可分為填土層、粉土層，碎石層和石灰巖層。根據土體各層參數差異，又將碎石層分為兩層，土層參數如表2所示。

表2 各土層參數表

該廠采用的生料磨為TRM53.41輥式磨機。為簡化模型，取其尺寸為20 m×20 m的正方形。

1.2 模型建立

由于土層的阻尼特性和粘性特性，振動在土層傳遞的過程中伴隨著能量的衰減與耗散，故需對土層阻尼進行設定。本文采用瑞利阻尼，阻尼比取0.03。考慮到有限元模型邊界造成振動波的反射與散射會造成模擬結果的不真實，故采用粘彈性邊界單元對模型邊界進行約束，即在模型邊界處延伸出一層實體單元并將單元的外層邊界固定。單元材料性質可由下式求得[10-12]：

表3 粘彈性人工邊界單元參數

對于空冷島鋼筋混凝土結構。通過定義C35混凝土的塑性損傷模型，與Q235B材料的鋼筋進行嵌入約束。根據各柱、梁尺寸建立空冷島模型[13]，如圖1所示。由于空冷島與土層的接觸為不同材料間的接觸，為滿足振動的有效傳遞，需進行接觸定義。根據接觸定義原則，選擇空冷島立柱側面與底面為主面，與其接觸的土體表面為從面。對于接觸屬性，法向接觸設定為硬接觸，切向接觸設定為罰函數，摩擦系數取0.5。建立振源–土體–空冷島三維模型圖如圖2所示。

圖1 空冷島結構模型

圖2 振源–土體–空冷島三維模型圖

1.3 模型驗證

考慮生料磨的振動為隨機振動，取其振動數據中時長為5 s的加速度時程為振源，作用于模型中央下陷深度為2 m的表面上。加速度時程圖如圖3所示。

圖3 振源加速度時程圖

輸入荷載后空冷島上部結構的振動速度達13.3 mm/s。圖4為空冷島對振動響應的位移與速度時程圖。由圖可知，空冷島的振動速度在1.5～2 s期間超過正常運行范圍，其最大位移可達0.007 m，與實際情況相符合，驗證了模型的適用性。

圖4 空冷島位移與振動速度時程圖

2 隔振溝隔振效果分析

為使空冷島與生料磨可同時運行，本文采用隔振溝的方法進行處理。取空冷島模型最大變形節點6315號節點為研究點，如圖1、圖2中所示。設定不同參數的隔振溝，對該點的振動速度進行分析，令r為有隔振溝時，最大速度與無隔振時最大速度的比值，則無量綱數r表示隔振溝的隔振效果，該值越小則隔振效果越好。

2.1 隔振溝數量對隔振效果的影響

為分析隔振溝數量對隔振效果的影響，分別對2 m、5 m、8 m、10 m和12 m這5種深度在相同溝深、不同溝數量的工況進行分析。隔振溝的布置方式如圖5所示，圖5中（c）為雙溝。為了更好地體現單溝與雙溝對空冷島受振動響應的影響，設定圖5（a）和5（b）兩種位置的單溝進行對比，兩種單溝位置分別對應雙溝中兩個溝的位置。

圖6為不同溝深設定工況下，單溝與雙溝的隔振效果對比。由圖可知，在同一溝深設定下，雙溝的隔振效果較單溝的隔振效果更佳，且雙溝隔振效果較單溝隔振效果的提升隨著溝深增加有明顯的提高，這驗證了溝深對隔振效果有重要影響。此外對比兩種位置單溝設定可知，隨著隔振溝深度的變化，兩種位置布置的單溝隔振效果出現交叉，這說明隔振溝位置對隔振效果有一定的影響。

圖5 不同隔振溝數量布置圖

圖6 單雙溝隔振效果對比圖

2.2 隔振溝溝深對隔振效果的影響

為充分說明溝深對隔振溝的影響，對圖5所示3種溝布置情況的隔振效果進行分析。圖7為同一位置布置條件下，不同溝深的隔振效果圖，由圖可知，3種隔振溝布置方式的隔振效果均隨溝深的增加而增加，但隨溝深的增加隔振效果的提升逐漸降低，趨于穩定。對比兩種單溝隔振效果可知，兩單溝的隔振效果提升率有明顯區別：單溝（a）布置在溝深達5 m后隔振效果迅速提升，但單溝（b）則在溝深達8 m后提升較大，這再次驗證了隔振溝位置對其隔振效果有一定的影響。

圖7 不同溝深隔振效果對比圖

2.3 隔振溝距振源距離對隔振效果的影響

根據上文分析可知，雙溝隔振效果優于單溝，且在一定限度內，隔振效果正相關于溝深。故選取溝深為12 m的雙溝，取距振源較近的隔振溝與振源間的距離為自變量，取施加隔振溝后的振動速度及其與無隔振溝時最大速度的相對值為依據，對隔振效果的影響進行分析，結果如表4所示。

表4 距振源不同距離隔振效果

分析可得，隔振溝距振源的距離對隔振效果有一定程度的影響，距離過小或過大都會造成隔振效果不佳。本文工況下，距振源5 m時隔振效果最佳，可降低約60%的振動影響。

2.4 隔振溝溝寬對隔振效果的影響

為了更全面地研究隔振溝參數對隔振效果的影響，選取上文涉及參數的最佳值，對0.5 m、1 m、1.5 m和2 m這4種溝寬進行分析，對其隔振效果進行討論。圖8為不同溝寬工況下的隔振效果圖，圖中隔振效果隨著溝寬的增加整體呈先增加后減小的趨勢，不同溝寬相對最大速度的差值最大可達0.12。這說明溝寬過大或過小都不利于隔振溝的隔振效果。本文所提模型在溝寬為1 m時，隔振效果可達最佳。

圖8 不同溝寬隔振效果圖

2.5 隔振溝溝間距對隔振效果的影響

隔振溝雙溝的位置可由隔振溝距振源距離，隔振溝溝寬及隔振溝溝間距確定。故選取其他參數為最佳參數條件下，設定不同的隔振溝溝間距，分析該參數對隔振效果的影響。圖9反映了不同溝間距設定下隔振溝的隔振效果圖。圖中顯示隨著溝間距從3 m增加至5 m，隔振效果明顯提高；隔振溝間距繼續增加至8 m時，隔振效果則表現為降低趨勢；但當間距到達10 m時，隔振效果又有了提升。經分析可知當間距為5 m與間距為10 m兩種工況的隔振效果均能滿足水泥余熱發電廠的正常運行，但前者效果更佳。

圖9 不同溝間距隔振效果圖

3 結論

（1）隔振溝的數量對隔振效果有重要影響，采用雙溝的隔振效果要優于單溝，且隔振效果的提升與隔振溝的深度有關。當溝深達到一定程度時，雙溝隔振效果較單溝效果可提升近50%，但溝深過大或過小都不利于隔振效果的提升。

（2）隔振溝的深度對其隔振效果起主要作用，隔振效果隨隔振溝深度的增加而逐漸增加；但當深度達12 m時隔振溝的隔振效果趨于穩定，不再隨溝深增加而有明顯變化。

（3）隔振溝距振源的距離對隔振效果也存在一定程度的影響：當距離小于5 m時，隔振效果隨著距離的增加而增加；當距離超過5 m時，隔振效果則隨距離增加反而減少。

（4）隔振溝溝寬對隔振效果的影響相對較小。過小的溝寬會使隔振效果并不理想；過大的溝寬不能獲得良好的隔振效果，反而會增加施工難度并對當地土層的穩定性造成一定的影響。

（5）隔振溝溝間距對隔振效果的影響相對不明顯，但較為復雜。隨著溝間距的增加，隔振效果呈先增加后減小再增加的趨勢。其他參數確定時，可能存在多種間距均可獲得較好的隔振效果的情況，可根據實際情況進行選擇。

本文對不同參數對隔振溝隔振效果的影響進行分析，最終確定用溝深12 m，溝寬1 m，溝間距5 m，距振源5 m的雙溝隔方案振效果最佳。方案施加后，振動速度約為0.005 3 m/s，減震效果約達60%，可保證空冷島設備的正常運行，且留有一定的安全裕量。

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Analysis and Treatment of Vibration of Air Cooling Island of Cement Waste Heat Generator Unit

LI Haochen, TIAN Songfeng, DING Shanshan

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In order to solve the problem of excessive vibration of the air cooling island structure caused by the vibration of the raw mill in a cement waste heat power plant in, Shanxi province, viscoelastic artificial boundary elements was used to establish a three-dimensional model of the vibration source-soil-air cooling island structure. The main vibration frequency was obtained through modal analysis, combined with the transmission and attenuation law of vibration in the soil, the solution to the vibration isolation of vibration isolation ditch was proposed. And the ditch depth, ditch width, ditch number, ditch spacing, distance from the vibration source and other parameters were used to analyze the effect ofvibration isolation on vibration isolate ditch. The optimal value of each parameter of the vibration isolation ditch was selected to determine the best plan, so that the air cooling island equipment can be operated normally.

cement waste heat power generation; air cooling island; vibration isolation ditch; finite element analysis

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.08.010

TM6

B

1672-0792(2021)08-0073-06

2021-03-27

李昊晨（1995—），男，碩士研究生，研究方向為設備故障診斷與振動控制；

田松峰（1966—），男，教授，研究方向為設備故障診斷與運行維護。

田松峰