水泥余熱電廠空冷島振動空溝減隔振效果數值分析

田松峰，丁閃閃，李昊晨

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引 言

國民經濟建設的快速發展拓寬了大型動力設備的使用場合,而動力機器基礎的振動問題亦是一個廣泛存在的問題[1]。這些機器設備基礎的強烈振動有時不僅對其自身的正常生產造成威脅,還可能通過振動波的傳播影響周圍的建筑結構及設備[2]。山西西山華通水泥余熱發電機組在建成試運行階段,發現空冷島在運行時振動值偏大,檢查發現廠內生料磨停運時空冷島風機振動值正常,在生料磨正常運行時空冷島風機振動值達12.6 mm/s。《空冷系統運行說明書》中指示:當DCS檢測到風機的振動速度大于6.3 mm/s時保護性停機,故空冷島風機在生料磨運行時無法正常投運。

鑒于生料磨和空冷島等已建設備結構的工藝控制與設計要求,改變此兩者的結構與布置需考慮的情況較為復雜[3,4],本文擬考慮從振動波傳播途徑上對振動問題進行控制[5]。隔振空溝因效果顯著、施工方便的特點在實際中應用廣泛[6]。孫立強[7]等通過試驗對比,研究了空溝、碎石填充溝以及排樁的隔振效果。葉茂[8]等模擬了溝屏障對某古遺址的隔振作用,認為溝深及位置的改變會顯著影響古建筑相關部位的振動響應。基于以上分析,擬利用ABAQUS建立生料磨基礎土體?空冷結構的三維計算模型,重點分析將隔振空溝應用于生料立磨運行誘發的低頻振動治理上的效果,通過改變空溝深度、寬度和距振源距離等參數,對比空溝后土體以及空冷島上部風筒梁的振動情況。通過數值分析結果所反映的規律,找到針對本工程問題最經濟有效的隔振方案。

1 有限元模型

1.1 模型尺寸

土體模型長80 m,寬40 m,深度方向據場地實際土體分層情況取為40 m,長18 m,寬12 m,深2 m的長方體基礎埋置于地基中。空冷風機單元按1×2方式布置,空冷平臺為鋼筋混凝土結構,高17 m,其中2 m埋于地下,單臺空冷跨度長24.54 m,寬11.88 m,梁柱截面尺寸根據實際情況,柱采用1.5 m×1 m,頂層梁1.3 m×0.6 m,底部梁1m×0.6 m,邊梁0.7 m×0.4 m,步道梁0.35 m×0.25 m,風筒梁0.4 m×0.25 m。空冷島距生料磨距離為20 m。

1.2 接觸定義

空冷島立柱作為與土體直接接觸并實現動響應傳播的部分,接觸的設置至關重要。本文將水泥立柱下部2 m的側表面和柱底面以及位于柱側和柱底直接接觸的土體表面使用面面接觸進行定義。將切向接觸選為罰函數,摩擦系數0.5,法向接觸選為硬接觸[9]。

1.3 材料及參數選取

計算模型中立磨基礎、下部土體以及空冷土建結構均采用彈性模型,各部分材料參數見表1。采用瑞利阻尼對土體和混凝土結構施加阻尼,阻尼比取為0.03。

表1 土層分布及材料參數

1.4 生料磨激勵荷載條件

生料磨處由于入磨物料的粒度不均,磨機運轉時將產生一個不平衡的脈動慣性力,相當于一個隨機荷載,文章將立磨基礎處實測到的振動加速度時程記錄截取5s時長,轉換為作用在基礎上的荷載激勵輸入計算模型,進行對生料磨隔振的數值計算。

1.5 邊界條件

為防止因設置固定邊界而產生波的反射與散射造成計算結果的誤差,采用有限元與無限元耦合的方法來處理邊界,即將模型四個側面邊界10 m范圍和底面邊界10 m范圍設置成CIN3D8無限元單元[10],其他部分使用C3D8R單元。設置符合精度的單元尺寸后三維有限元模型如圖2。輸入實測激勵后,無減振措施時空冷島上部風筒梁的振動速度最大值達到12.64 mm/s,與實測值十分相近,驗證了模型的正確性。

圖1 激勵加速度時程曲線

圖2 無隔振措施計算模型圖

2 計算結果

2.1 空溝隔振作用分析及對比參數工況設置

由于實際監測空冷島上部振動超標主要為水平方向,為對比加隔振措施前后的空溝后土體以及空冷島上部風筒梁的振動變化情況,主要分析考慮水平振動。為了說明空溝對其后距離振源固定位置處地面點的減隔振作用,圖3給出了距生料磨基礎20 m(即空冷平臺底部)處地表一點,在未施加減隔振措施前和設置深10 m、寬0.5 m、距立磨基礎邊緣4 m的空溝后的水平加速度時程曲線對比。可見,相比于不加隔振措施,空溝后地表同一點處的加速度幅值顯著降低,說明在生料磨與空冷島之間設置空溝能夠阻礙振動在土層中的傳播。

為了探究深度、寬度和距離振源距離等對空溝隔振作用的影響,取空溝深度為5 m、10 m和15 m,寬度0.5 m、1 m和1.5 m,以及空溝距振源距離為4 m、10 m和16 m等幾種工況,進行空溝隔振效果的對比分析,具體工況安排如表2。其中,根現場設備布置情況,模型中空溝溝長均取18 m。

圖3 距振源20 m處地表加速度時程對比

表2 空溝隔振計算工況列表

2.2 空溝深度對隔振作用的影響

為研究本隔振工程溝的深度對其隔振作用的影響,先固定溝寬為0.5m,空溝距振源距離為4 m,改變溝深度為5 m、10 m和15 m,對應表2中的工況1、2、3。分析時在空溝后側至空冷島底部每間隔1m取一個測點。

圖4給出了不同深度工況下各測點的加速度峰值。可見,加空溝隔振措施后,其后各測點加速度峰值都有所降低。隨著深度增大其加速度值降低的越多。在溝深小于5 m 時,溝后地表加速度峰值隨空溝深度增大而迅速衰減,當溝深超過5 m后,隨空溝深度的加深,各測點加速度峰值衰減程度逐漸放緩,但依然對振動衰減很有效。各深度工況都有在溝后5 m范圍內的地面加速度峰值衰減較快,大于5 m以后加速度的衰減減慢的特征。

表3給出了不同溝深時空冷島上部風筒梁振動的最大加速度和速度的比較,其中最大加速度相對值為加空溝隔振措施與無隔振時風筒梁最大加速度之比。相比于無隔振,當空溝深度為5 m、10 m和15 m時,風筒梁最大加速度分別衰減了17.74%、29.68%和33.87%。隨著溝深的增加,空冷平臺風筒梁振動加速度和速度衰減明顯,當深度達到10 m時,風筒梁的最大振動速度值減小至5.92 mm/s,小于規定的最大限值6.3 mm/s,空冷島風機可正常運行。綜合計算結果與施工難易,可將空溝深度設置為12-15 m。

圖4 深度對隔振作用的影響

表3 不同空溝深度空冷島風筒梁的最大加速度和速度比較

2.3 空溝寬度對隔振作用的影響

為研究空溝寬度對隔振作用的影響,固定空溝深度10 m,距振源距離4 m,改變空溝寬度分別為0.5 m、1 m和1.5 m,對應表2中工況2、4和5,空溝后側至空冷島底部每間隔1 m取一個測點。

圖5給出了不同寬度時各測點加速度峰值,可見隨著溝寬度的增加,各點加速度峰值變化很小,只在溝后5 m范圍內有較小衰減。在空溝后大于5 m處,隨溝寬度的增加,地表加速度峰值基本保持穩定,也就是說寬度改變對該范圍以外的影響很小。

圖5 寬度的影響

表4為不同空溝寬度時空冷島上部風筒梁振動的最大加速度和速度的比較,對比加空溝之前,當設置溝寬為0.5 m、1 m和1.5 m時,風筒梁最大加速度分別衰減了29.68%、30.32%和30.65%。可見深度固定為10 m時,隨著空溝寬度的增加,空冷平臺風筒梁振動加速度和速度衰減變化很小,空溝寬度由0.5 m加大到1.5 m,風筒梁最大振動速度基本穩定在5.89 mm/s左右,小于規定的最大限值6.3 mm/s。綜合計算結果及空溝的施工難易程度,可將空溝寬度設在1 m以內。

表4 不同空溝寬度空冷島風筒梁的最大加速度和速度比較

2.4 空溝距振源距離對隔振作用的影響

為研究空溝距振源距離對其隔振作用的影響,固定溝深為10 m,寬度0.5 m,改變空溝距振源距離分別為4 m、10 m、16 m,對應工況2、6、7。空溝后至空冷島底每隔1 m取一測點。

圖6為空溝在不同距離時各測點加速度峰值。可見,空溝與振源間距離改變會影響隔振效果。隨著空溝距振源距離的增大,各測點加速度峰值的衰減程度先減弱后又有所回升。

圖6 空溝距振源距離的影響

表5給出了不同空溝距離條件下空冷島上部風筒梁振動的最大加速度和速度的比較,與無減隔振措施相比,當空溝深度為10 m,寬度為0.5 m,距振源距離為4 m、10 m和16 m時,風筒梁最大加速度分別衰減了29.68%、22.58%和25.81%。可見隨空溝距振源距離的增大風筒梁振動加速度和速度衰減呈先減弱后增強的趨勢,但后兩種工況風筒梁最大振動速度相差不大,都可超過最大限值6.3 mm/s。三種不同位置空溝隔振時,空溝設在距立磨基礎4 m左右,隔振效果最好,本工程采用空溝減振措施時更適用于近源隔振。

表5 不同空溝位置空冷島風筒梁的最大加速度和速度比較

3 結 論

(1)空溝減振措施能夠有效地解決生料磨誘發空冷平臺振動問題,空溝的設置使溝后土體及空冷平臺風筒梁的振動明顯減弱。設置一定深度空溝可將空冷島上部風筒梁的最大振動速度從12.64 mm/s降至5.2 mm/s,小于允許的最大限制6.3 mm/s。

(2)空溝的深度對其隔振作用影響很大,深度越大,隔振效果越好。但增加至一定深度后,其隔振效果增強幅度逐漸放緩。當設置空溝深度達10 m以上時,空冷島風筒梁的最大振動速度可以達標。綜合考慮空冷島風機運行安全性與空溝的施工難易程度,可將空溝深度設置為12～15 m。

(3)空溝寬度對隔振作用的影響不明顯,寬度的增加并不能很好的衰減溝后土體以及空冷平臺風筒梁的振動,綜合考慮空溝隔振效果與施工難度,可將空溝寬度取在1 m以內。

(4)空溝與振源的距離對隔振效果有較大影響。由計算結果可知,當空溝設置在距立磨基礎4 m左右時,隔振效果最好,本工程空溝隔振措施更適用于近源隔振。為保證空冷島風機運行安全性同時考慮實際施工難易程度,可將空溝深度設為12～15 m的同時盡量將其布置在靠近生料立磨一側。