天钢超高压汽轮发电机组动力基础设计

天钢超高压汽轮发电机组动力基础设计

张帅

中国中元国际有限公司北京市100089

摘要：根据天钢超高压发电机组工艺资料，采用三维实体单元建立汽轮机基础的有限元模型。模型中桩基础采用三个方向等效面弹簧单元模拟，并考虑汽轮机、发电机设备与动力基础及土体的协同工作。对汽轮机发电机组基础进行动力谐响应分析，依据《动力基础设计规范》满足汽轮机基础的最大振动线位移，同时满足规范工艺要求的动力基础设计。

关键词：有限元；汽轮发电机；动力基础

汽轮机发电机组设备基础通常采用大板式基础和框架式基础，其中大板式基础构造简单、施工周期短适用于中小型汽轮发电机组；框架式基础构造较为复杂，但便于安装大型汽轮发电机组及其附属设备，应用较为广泛。汽轮发电机组设备造价较高，而汽轮机基础的力学特性对发电机组的正常运营效率和紧急运行性能产生较大的影响，因此汽轮发电机组基础必须严格按照《动力机器基础设计规范》设计，同时满足汽轮发电机组工艺特性，使其振幅在合理的区间。为此，汽轮机发电机组基础必须具备以下条件：（1）基础本身有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性，能够承受汽轮机基础的施工以及汽轮机组安装、维护和日常运营的荷载，足够的承载力保证其正常的使用。（2）基础的动力特性保证汽轮机组在启动、运行和停止运行阶段的振幅最小。（3）保证汽轮机组在运行时产生的振动通过基础不对周围的建筑物、地下管线以及科研设备产生较大的影响。（4）从造价角度上，在满足汽轮机组安全、有效、持久地运行基础上减小其工程造价，节约相关材料满足资源环保的要求。由于天钢汽轮机组设备较为复杂，造价较为昂贵，对基础特性要求较高，采用框架式基础构造。

1工程背景及有限元模型

天钢70MW双超煤气发电机组，汽轮发电机采用山东济南发电设备厂有限公司生产的50WX18Z-059LLT型号发电机，其额定功率70MW，额定频率50Hz，临界转速频率为25Hz，额定转速3000r。汽轮机、发电机及凝汽器的动力扰动荷载通过预埋螺栓传至汽轮机基础顶板，其转子重量及扰力幅值汽轮机前轴、后轴分别为70kN和200kN。

经多次有限元模型调整计算及与工艺专业配合，确定汽轮机基础的底板厚度为1.1m，框架柱尺寸为1mx1m，顶板厚度为1m。既满足工艺设备荷载和对基础的动力特性要求，同时节约建设方成本，降低基础的造价。

为准确模拟基础的边界条件，采用三向面弹簧单元模拟桩基对汽轮机底板的边界作用，桩基的抗压及抗侧刚度作为三向面弹簧的刚度值。确定基础边界条件后以便更好模拟汽轮发电机组振动引起基础位移的幅值。先对地基基础进行特征值分析基础的自振特性，分析动力基础自振频率与汽轮机组转速、临界转速。前三阶振型为基础整体的平动和扭转，第四阶开始以基础顶板的振动。

汽轮机基础前60阶主频中前三阶整体平动与扭转频率和刚度较小，远离汽轮机组额定工作频率及临界转速频率，从而使汽轮机组工作不致与基础整体振动产生较大谐振。同时，从汽轮机基础的主频分布可以清晰看出，与汽轮机组临界转动主频25Hz接近的基础自振振型为第6振型，与汽轮机组额定转速主频50Hz接近的基础自振振型为第34振型。而第6阶、第34阶振型的振型质量参与系数均小于1%，基础同汽轮机组在正常运行和特殊情况下运行时产生共振的振型质量参与系数很小，从而使汽轮机运行时不致产生较大的竖向线位移。

汽轮机基础前三阶振型为基础整体平动及转动振型，设计汽轮机基础时首先应使基础的整体振动振型频率远离汽轮机组运行频率（通常为50Hz）。由于汽轮机基础底板一般位于地下，可通过加固地面周围土层达到基础嵌固的目的，底板刚度较大。故基础整体振动频率主要取决于柱子、顶板及暗梁的刚度，通过调节柱子及顶板、暗梁的刚度宜首先使基础整体平动及转动振型远离汽轮机组运行频率以及临界转速频率。

其次，汽轮机刚度较小的振型主要出现在顶板的竖向及局部竖向振动，该振动振型极易与汽轮机组运行额定转动频率以及临界转动频率接近，从而引起较大地竖向振动线位移，超过规范规定的20的要求。对于基础顶板的谐振宜减小与汽轮机组运行接近的振型的质量参与系数，从而降低实际汽轮机运行时产生的竖向振动线位移，使基础为汽轮机提供稳定、耐久的运行环境。

2汽轮机基础的振动线性分析

汽轮机基础在扰力作用下的稳定强迫振动符合结构动力学受迫振动：

3结语及展望

本文以天钢超高压汽轮发电机组基础设计为例，分析了汽轮机组基础设计时调节适宜的框架柱、顶板及暗梁刚度以使基础自振频率远离汽轮机组运行及特殊情况下运行时的转动频率，或调整减小相关振型的振型参与系数，从而使汽轮机组基础能够在较小的振动线位移下平稳、持久地运行。

对于不易通过调节基础自身刚度来减小汽轮机组振动线位移或设备对基础振动要求极为严格的设备，宜采用减振或隔振支座来减小汽轮机组的振动，从而更为严格地控制设备的振动使之更为平稳地运行。

参考文献

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