汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)綜述

付 旭,李紅霞,王敏杰

(大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

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·能源與動力工程·

汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)綜述

付 旭,李紅霞,王敏杰

(大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)作為支撐發(fā)電機組正常運行的工作平臺,其動力特性直接影響整個機組的安全穩(wěn)定運行,所以研究其動力特性并對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。筆者回顧了汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展歷史,并從汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的動力特性、減振、隔振和優(yōu)化設(shè)計方面,指出了當(dāng)今汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)研究方面存在的不足,展望了汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)研究方向。

汽輪發(fā)電機基礎(chǔ);動力特性;減振;優(yōu)化設(shè)計

汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)是空間框架結(jié)構(gòu)、具有無限多個自由度的振動體系,尤其是彈簧隔振基礎(chǔ),其結(jié)構(gòu)、動力特性較為復(fù)雜,而且體積龐大,工程造價昂貴。所以出于安全和經(jīng)濟雙重考慮,對汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)進行提高動力特性和減小基礎(chǔ)總重量的優(yōu)化設(shè)計尤為重要。本文重點分析了汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的動力特性、減振、隔振基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,指出了汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)研究方面存在的不足,同時展望了汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)今后的研究方向。

1 汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)動力特性研究的歷程

汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)作為發(fā)電廠發(fā)電機組的承載體,其動力學(xué)特性對發(fā)電廠的安全運行有著至關(guān)重要的影響。自20世紀70年代以來,國內(nèi)外已對汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的動力特性展開了大量研究工作。文獻[1]論證了直接采用地震載荷研究機組-基礎(chǔ)-地基系統(tǒng)動力響應(yīng)的必要性;文獻[2]應(yīng)用平面動應(yīng)變的方法分析了汽輪發(fā)電機基礎(chǔ),建立除機殼之外的所有部件的動力學(xué)模型,并采用動態(tài)剛度矩陣法建立基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型,完成對汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的動力特性分析;文獻[3]考慮大型轉(zhuǎn)子-軸承-地基系統(tǒng)的作用,采用線性理論的模態(tài)綜合法來對汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)進行動力分析;文獻[4]用混合方法建立汽輪機基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型,并對某一 300 MW的基礎(chǔ)進行轉(zhuǎn)子不平衡或地震波的作用進行了有關(guān)分析,探索了汽輪機基礎(chǔ)外殼和土壤各向異性對系統(tǒng)動力特性的響應(yīng);1979年中國頒布了第一本《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GBJ40-79),1996年對其進行修訂,形成《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[5](GB50040-96)(下面簡稱《動規(guī)》)。

隨著汽輪發(fā)電機單機容量的不斷增大,基礎(chǔ)的動力特性日益復(fù)雜。為了確保發(fā)電廠能夠安全運行,在基礎(chǔ)進行施工之前,通常采用有限元數(shù)值模擬分析和模型試驗對基礎(chǔ)的動力特性進行研究。

2 有限元數(shù)值模擬分析

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展,有限元模擬計算被廣泛地應(yīng)用于工程問題中數(shù)值分析。設(shè)計人員根據(jù)經(jīng)驗或準則,將實際復(fù)雜的工程問題簡化為可求解的數(shù)學(xué)問題,利用有限元法建立汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的數(shù)值計算模型,分析基礎(chǔ)的動力學(xué)性能。目前對有限元模型的單元定義主要有桿系單元和實體單元，如圖 1、圖2所示。

圖1 梁單元計算模型

圖2 實體單元計算模型

桿系單元與實體單元相比具有自由度少、計算速度快,且模型直觀簡潔的優(yōu)點,是國內(nèi)外最常用的有限元單元類型。但由于桿系單元建立的簡化模型與實際結(jié)構(gòu)有一定的差別,其計算結(jié)果也存在一定誤差。而隨著計算機性能的提高和計算方法的發(fā)展,在計算量允許的情況下,實體單元被越來越廣泛地應(yīng)用到汽輪機基礎(chǔ)動力特性研究中。文獻[6]用梁單元建立了某汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)動力特性分析的有限元計算模型,并用 RUAUMOKO 程序的時序響應(yīng)分析和修改模型兩部分來分析汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的非線性動態(tài)行為、固有頻率、節(jié)點位移等;文獻[7]采用粱單元分別建立某3個大型汽輪機基礎(chǔ)有限元計算模型,并采用基于可靠性的汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的動力優(yōu)化方法,對基礎(chǔ)的動力特性進行了優(yōu)化設(shè)計;文獻[8]在對基礎(chǔ)關(guān)鍵參數(shù)分析時指出,桿單元進行建模時采用剛度較小的桿單元有利于計算結(jié)果的安全可靠;文獻[9]采用實體單元分別建立了隔振與非隔振基礎(chǔ)兩種基礎(chǔ)動力特性計算的數(shù)值模型,對比出采用彈簧阻尼隔振元件可有效減小基礎(chǔ)最大動位移,提高基礎(chǔ)動力特性;文獻[10]對某優(yōu)化后的汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)進行完整而全面的實體單元數(shù)模分析,驗證了優(yōu)化結(jié)果的可靠性。

采用有限元數(shù)值模擬的方式求解大型汽輪機基礎(chǔ)動力特性,不僅可以快速、方便地獲得相關(guān)數(shù)據(jù),而且可以節(jié)省研究成本,其計算結(jié)果也具有一定的可靠性,對實際工程具有一定的指導(dǎo)作用。但是,在進行數(shù)值分析時會對一些復(fù)雜的汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)進行一些簡化處理,使得模擬的結(jié)果存在不確定性,所以為了驗證其計算結(jié)果還需進一步的試驗,目前最常用的試驗方法是模型試驗法。

3 模型試驗

模型試驗基本可以定性地反映基礎(chǔ)原型的振動響應(yīng)規(guī)律,預(yù)測基礎(chǔ)原型的動力特性。試驗過程中通常采用外加激勵的方式測試其相應(yīng)的動力響應(yīng),如朱瑞燕等[11]為了找出最佳動力學(xué)模型,采用錘擊法對某燃氣發(fā)電機基礎(chǔ)進行模型試驗,如圖3所示;白國良等[12]為了驗證試驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果的可行性,采用白噪聲隨機激振法對某基礎(chǔ)模型的動力特性進行測試,如圖4所示。

圖3 錘擊脈沖激勵法示意圖

圖4 白噪聲隨機激振法示意圖[14]

現(xiàn)有模型試驗研究中,錘擊激勵法具有錘擊激振能量少,對較大型結(jié)構(gòu)進行激振時在激振部位容易產(chǎn)生非線性影響[13],而白噪聲隨機激振法的數(shù)據(jù)采集快、激振頻譜豐富,操作簡單等,因此其更適合于汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析[14]。此外,猝發(fā)隨機激振法具有隨機周期激振時頻譜豐富、操作簡單并能最大限度減小泄漏誤差等優(yōu)點,因而被廣為應(yīng)用于汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)動力特性研究的模型試驗中,如文獻[15-16]在對基礎(chǔ)原型的動力特性進行預(yù)測時就采用猝發(fā)隨機激振法對結(jié)構(gòu)進行激振。

模型試驗后,需從試驗結(jié)果中精確地推算出基礎(chǔ)原型的動力特性,因而文獻[17]對基礎(chǔ)?；^程的動力特性相似準則進行了研究,分別采用量綱分析法和方程分析法建立汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)?；^程中動力特性相似準則,并將得到的結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)該兩種方法推導(dǎo)的結(jié)果一致,證明其推導(dǎo)出的動力特性相似準則是正確的。文獻[18]根據(jù)方程分析法,通過相似理論建立“實際轉(zhuǎn)子系統(tǒng)”和“模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)”之間的相似準則關(guān)系,進而研究出百萬千瓦級汽輪發(fā)電機“模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)”試驗臺。

模型試驗具有可以定性反映基礎(chǔ)原型的振動響應(yīng)規(guī)律的優(yōu)點,但是由于模型試驗存在比例尺效應(yīng),使得試驗結(jié)果不太準確;同時在進行模型試驗時所采用的試驗?zāi)B(tài)分析方法不統(tǒng)一,使得同一種基礎(chǔ)在進行模型試驗時得出的結(jié)果不統(tǒng)一,不能完全反應(yīng)基礎(chǔ)的實際情況。因此,為了得到準確全面的基礎(chǔ)動力特性參數(shù),需要通過有限元數(shù)值模擬分析與模型試驗結(jié)合來獲得。在進行有限數(shù)值模擬分析時，可以采用不同的數(shù)學(xué)等效方式、參照不同的動力特性規(guī)范進行分析并相互驗證,提高模擬的準確性;在對模型試驗的結(jié)果進行處理時,將模型試驗時存在的阻尼誤差等考慮進去,合理分析試驗結(jié)果,繼而得出準確結(jié)論。

目前,研究基礎(chǔ)動力特性理論大多是采用線性理論建立系統(tǒng)振動方程,可在機組實際運行中,非線性振動情況也時而出現(xiàn)。因此為了更加準確研究基礎(chǔ)的動力特性,應(yīng)建立系統(tǒng)非線性運動方程,引入非線性油膜力,并考慮基礎(chǔ)和地基的相互作用,從非線性振動角度來進一步研究基礎(chǔ)的動力特性,進而讓分析結(jié)果更接近實際情況。

4 汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的減振和隔振研究

盡管中國電力建設(shè)正處在高速發(fā)展的時期,發(fā)電機的容量日益增大,但也不能一味地靠增加柱子截面面積或加墻的方式來達到基礎(chǔ)的減振、隔振目的。尤其在核電方面,采用半速機組(頻率為25 Hz左右)和常規(guī)框架式基礎(chǔ)(頻率為18 Hz～25 Hz)與機組極易發(fā)生共振,因此采用彈簧隔振器來進行調(diào)頻,使基礎(chǔ)的頻率降到3.0 Hz～3.5 Hz,不僅不會發(fā)生共振,而且還起到了減振、隔振的作用[19]。文獻[20]對在基礎(chǔ)上安裝彈簧隔振器的設(shè)計原則進行了闡述,并對鋼鐵基礎(chǔ)和混凝土基礎(chǔ)的重要性能進行了比較分析;文獻[21]建立彈簧-粘滯系統(tǒng)的橫向-豎向-擺動耦合動力響應(yīng)分析模型,證明了彈簧-粘滯阻尼隔振系統(tǒng)具有良好的隔振和抗震性能。而針對某些汽輪發(fā)電機在局部地區(qū)彈性變形使汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)產(chǎn)生局部沉降,文獻[22]提出可通過增減彈簧墊片的個數(shù)調(diào)節(jié)基礎(chǔ)平臺的標高,使得汽輪發(fā)電機的軸系通過彈簧調(diào)整技術(shù)達到軸系的粗對中。為了衡量彈簧基礎(chǔ)的隔振效果,文獻[23]提出對汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)模型測試,并以力作為度量指標,對某汽輪發(fā)電機彈簧基礎(chǔ)的隔振效率進行測試;文獻[24]分別對單自由度、雙自由度、多自由度彈簧隔振基礎(chǔ)的隔振效率進行理論分析和有限元計算,得出對于整體評價角度可采用單自由度和雙自由度系統(tǒng)進行近似評價,而對于動力測試角度應(yīng)采用多自由度系統(tǒng)進行分析評價的結(jié)論。

目前,中國自主設(shè)計的彈簧隔振基礎(chǔ)的減振效果已在工程實踐中得到有力驗證，其中,田灣核電站采用聯(lián)合布置彈簧隔振基礎(chǔ)中的一種基礎(chǔ)形式,該基礎(chǔ)能夠抵抗高強度地震,如圖5 所示;合肥二電廠在主機使用彈簧隔振基礎(chǔ)的同時凝汽器也使用了彈性支承,這樣不僅隔離了機器的動載荷,還消除真空吸力;宋遠齊等[25]首次成功地在嶺澳核電站的二期汽輪發(fā)電機半速機組中采用彈簧隔振基礎(chǔ)。嶺澳工程的成功為之后的工作提供了有效的借鑒,例如4×1000 MW紅沿河核電站和4×1000 MW寧德核電站等都成功地使用了彈簧隔振基礎(chǔ)。

圖5 聯(lián)合布置彈簧隔振基礎(chǔ)

Fig.5 Combined arrangement of spring vibration-isolated foundation

由于彈簧隔振基礎(chǔ)具有良好的隔振作用、可不停機進行機組對中與調(diào)整、解決基礎(chǔ)不均勻沉降等突出優(yōu)點,因此被越來越多的發(fā)電站采用。到目前為止,中國已建或在建的發(fā)電站汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)均采用彈簧隔振基礎(chǔ)[26]。

雖然國內(nèi)已掌握彈簧隔振基礎(chǔ)的核心設(shè)計技術(shù),但現(xiàn)有的彈簧隔振基礎(chǔ)仍以引進國外設(shè)計為主,自主設(shè)計的彈簧隔振基礎(chǔ)實例較少。目前,中國采用的彈簧隔振基礎(chǔ)都是島式布置彈簧隔振基礎(chǔ),而在高烈度地震區(qū)的抗震性具有突出的優(yōu)點的聯(lián)合布置彈簧隔振基礎(chǔ)在國內(nèi)的應(yīng)用幾乎沒有,在聯(lián)合布置式彈簧隔振基礎(chǔ)方面的設(shè)計也有所欠缺。因此應(yīng)借鑒國外學(xué)者在聯(lián)合布置彈簧隔振基礎(chǔ)上的設(shè)計經(jīng)驗,在國內(nèi)完成抗高地震烈度的聯(lián)合布置彈簧隔振基礎(chǔ)的設(shè)計。同時控制好隔振元件的生產(chǎn)質(zhì)量,以使中國能夠獨立完成彈簧隔振基礎(chǔ)的設(shè)計與建造。

5 汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

為了得到既能滿足工藝要求,同時動力特性又十分優(yōu)良的汽輪發(fā)電機基礎(chǔ),須對基礎(chǔ)進行優(yōu)化設(shè)計。汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的動力分析屬于多質(zhì)點、高頻率、多自由度的空間力學(xué)問題,影響其動力性能的因素不僅包括汽輪機基礎(chǔ)的形式,還有構(gòu)件的幾何、斷面尺寸的配合關(guān)系等因素[27],其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計十分復(fù)雜和困難,為此許多專家學(xué)者提出了新的理論算法。著名力學(xué)家錢令希[28]、Kirsch[29]和 Topping[30]針對優(yōu)化過程中出現(xiàn)設(shè)計變量量級不統(tǒng)一的難題,提出了分級優(yōu)化的方法;周建軍等[31]針對求解汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)振動特征方程時普通子空間迭代難以確定子空間維數(shù)的問題,利用遷移式子空間迭帶的方法替代原來的子空間迭代,同時運用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的QJDU計算程序[32]和通用的有限元分析軟件ANSYS對汽輪機基礎(chǔ)進行動力特性分析,并將 Kriging 代理模型優(yōu)化算法引入汽輪機基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,實現(xiàn)了采用黑箱優(yōu)化設(shè)計算法對汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)進行優(yōu)化設(shè)計;高月華等[33]采用自適應(yīng)方式提高迭代過程中代理模型精度,提出一種同時考慮預(yù)測響應(yīng)值及其不確定性的多點加點準則,并基于該準則發(fā)展一套序列近似優(yōu)化方法;馬曉光[34]以Kriging方法為基礎(chǔ),建立以基礎(chǔ)構(gòu)件的截面面積以及幾何位置為設(shè)計變量,以基礎(chǔ)重量和基礎(chǔ)最大動位移最小化為目標的優(yōu)化設(shè)計模型,采用分級優(yōu)化方法完成了多個汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計。另外,對汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計時,出現(xiàn)的一些問題,專家們也給出了相應(yīng)解決辦法,如胡琦[35]等針對汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計中計算量大的問題,采用極差分析和正交分析方法結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù),對影響基礎(chǔ)動力特性的多個因素進行靈敏度分析,獲得動力特性優(yōu)良的基礎(chǔ)設(shè)計方案;李征等[36]面對在搜尋能夠使汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的質(zhì)量和最大動位移取得最小值得設(shè)計變量解時出現(xiàn)的計算效率低的問題上,發(fā)展可并行計算的多目標優(yōu)化方法,該計算策略能夠大幅度地提高基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計的計算效率;崔振東等[27]針對工程優(yōu)化中需要大規(guī)模數(shù)值計算的情況下,提出利用大量閑置資源的網(wǎng)格來建立具有4層結(jié)構(gòu)的高性能網(wǎng)格計算平臺,并在該平臺上完成兩個汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計。

目前,中國在汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計方面的研究,大多數(shù)集中在對常規(guī)框架式汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的理論優(yōu)化方法上的研究,而對彈簧隔振基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計缺少有效的優(yōu)化設(shè)計方法。所以,今后研究工作中要針對彈簧隔振基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計展開研究,尤其是對汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)加入彈簧隔振器后,要根據(jù)其基礎(chǔ)動力特性的改變,找出在此情況下能進行彈簧隔振基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計的有效方法,以完成此類基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計。在設(shè)計提升彈簧隔振基礎(chǔ)減振、隔振效果時,要加大隔振元件中彈簧剛度,同時也要考慮阻尼器的阻尼值以使基礎(chǔ)整體達到最佳減振、隔振效果。

6 展 望

本文對汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的動力特性、減振、隔振及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了綜述,并根據(jù)對該研究方向的理解,在每個研究方面的最后對該研究方向存在的問題進行了深入探討。從分析的情況來看,汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的研究還處于發(fā)展階段,未來的汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的研究工作需從以下幾方面進行:

1) 利用有限元方法對基礎(chǔ)進行動力特性分析時,可以將基礎(chǔ)模型采用不同的數(shù)學(xué)等效方式并參照不同的動力特性規(guī)范相互驗證,進而得到更加準確的結(jié)果;在進行模型試驗時,考慮由于模型制作或者試驗條件與基礎(chǔ)原型的差異等原因所造成的誤差,分析并消除誤差,提高模型試驗精度。同時國內(nèi)的專家學(xué)者還可以集中智慧,提出一個用于模型試驗的指導(dǎo)性文件,這將為之后的工作提供極大的幫助。

2) 在基礎(chǔ)動力特性的理論研究方面,目前多采用線性理論建立基礎(chǔ)的運動方程,很少考慮機組轉(zhuǎn)子、非線性油膜力和地基等對基礎(chǔ)作用,使基礎(chǔ)產(chǎn)生非線性振動?？梢栽诶碚撗芯恐屑尤雽A(chǔ)的非線性振動分析,使基礎(chǔ)的研究分析更接近實際工作,結(jié)果更精確。

3) 中國已經(jīng)掌握了島式彈簧隔振基礎(chǔ)設(shè)計的核心技術(shù),以后可嘗試自主設(shè)計。在聯(lián)合布置彈簧隔振基礎(chǔ)設(shè)計方面,可以借鑒國外在聯(lián)合布置彈簧隔振基礎(chǔ)設(shè)計上的成功經(jīng)驗,研究并發(fā)展適用于中國地質(zhì)條件、具有良好抗震性能的聯(lián)合布置彈簧隔振基礎(chǔ)。

4)目前,中國建造的彈簧隔振基礎(chǔ)中所采用的彈簧隔振元件除全部由國外廠家供給外,也能獨立完成彈簧隔振元件的設(shè)計,只是在彈簧隔振元件的生產(chǎn)制造上還存在不足。如何提高彈簧隔振元件的質(zhì)量將是中國今后一個新的研究方向。

5)在優(yōu)化設(shè)計方面,對彈簧隔振基礎(chǔ)進行優(yōu)化設(shè)計將是一個新的研究方向。采用工程優(yōu)化設(shè)計思想,利用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù),發(fā)展適宜于大型汽輪發(fā)電機彈簧隔振基礎(chǔ)的快速尋優(yōu)算法,對彈簧隔振基礎(chǔ)進行優(yōu)化設(shè)計。

6) 在彈簧隔振基礎(chǔ)設(shè)計時,為了使彈簧隔振基礎(chǔ)達到良好的減振隔振目的,要加大元件中的彈簧剛度,同時要設(shè)置合理的阻尼比,以使基礎(chǔ)達到最佳的減振、隔振效果。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Research summary on design technology of turbine generator foundation

FU Xu, LI Hongxia, WANG Minjie

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

The turbine generator foundation being a working platform supporting the normal operation of generation units, the dynamic characteristics have a direct influence on the safe and stable operation of the whole unit.The research on the dynamic characteristics and the design of the structure optimization, therefore, are significant.In this paper, the author reviewed the development history of design technology of turbine generator foundation, pointed out the shortcomings of its research nowadays from dynamic characteristics, vibration isolation and design optimization, and the research orientation is prospected.

turbine generator foundation;dynamic characteristics;vibration reduction;optimization design

2016-01-25;

2016-06-03。

付 旭(1992—),女,碩士研究生，研究方向為汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)動力特性分析及優(yōu)化設(shè)計。

TM311

A

2095-6843(2016)05-0460-06