汽轮机基础选型及结构抗震性能

2020-08-03陆思逵杨成忠徐嗣华陈锦剑

上海交通大学学报 2020年7期

王威，陆思逵，杨成忠，徐嗣华，陈锦剑

(1. 华东交通大学土木建筑学院，南昌 330013; 2. 上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海 200240; 3. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

随着我国经济与社会的快速发展，能源的过度开发及资源短缺问题亟待解决.核电作为一种新型能源，因高效、清洁等优点得到大力推广.这些年伴随核电力工业的快速发展，特别是大型汽轮发电机组的大规模建设，急需掌握汽轮机抗震设计的相关技术，然而目前我国还没有完备的汽轮机抗震设计规范，因此汽轮发电机组基础的结构选型以及汽轮机整体结构的抗震性能成为人们十分关注的课题.研究表明，汽轮机基础的动力特性会直接影响汽轮机组的正常运行[1-3].当前国内外核电站汽轮发电机基础的选型，主要考虑设备安装、隔振(周围环境因素)、消除地基不均匀沉降及抗震等因素[4-9]，常选用刚性基础或弹簧基础作为核电汽轮机的基础形式.

近年来，大量学者研究了核电汽轮机的振动特性，主要集中在基础空间多自由度动力分析、模型振动试验以及工程实测等方面[10-14]，对汽轮机整体结构的抗震分析较少.受福岛核电站核泄漏事故的影响，为确保核电设备的安全性，对核电设备的抗震性能评估显得格外重要.然而，我国对这类重要设备的抗震性能的研究稍显滞后.目前主要采用的分析方法有静力分析法、反应谱方法以及时程分析法[15].其中，时程分析法较前两种方法能准确全面地反映地震幅值、频谱及持时对汽轮机的影响，并能充分考虑汽轮机设备之间及其与基础之间的动力特性和相互关系，可获得较精确的抗震性能分析结果.鉴于此，本文以Siemens 1250 MW等级半速机为依托，通过LS-DYNA有限元程序建立了汽轮机整体结构的三维有限元模型，对比分析了刚性基础与弹簧基础的抗震性能，并对汽轮机整体进行结构动力时程分析，从结构抗震角度综合分析核电汽轮机的抗震性能[16-18].

1 研究对象

汽轮机作为核电站中重要设备之一，其安装高度较高，自身尺寸大，结构复杂，质量大且分布不均，各个结构之间在进行动力时程分析时会互相影响，这些因素决定在进行汽轮机结构抗震分析时，应考虑各个结构之间以及结构与基础之间的耦合作用.但由于汽轮机结构复杂，为避免计算过于繁琐，可对其中的部分设备进行简化处理.例如：文中将汽轮机高压缸及发电机等效为相应的质量加载到对应的基础台板上；将高压转子等效为梁单元进行模拟，忽略冷却水管中水的晃动产生的作用，并把其以等效质点的形式分布于水管节点处.

本文以Siemens 1 250 MW等级半速机为依托进行研究，根据实际项目尺寸建立如图1所示有限元模型，模型节点 378 882 个，单元 338 955 个.汽轮机组采用的基础由钢筋混凝土台板、柱、中间层和底板组成.混凝土台板上依次安装高压缸、1#低压缸(低压缸主要由外缸和内缸组成，在其外部的称为“低压缸外缸”，而在其内部的称为“低压缸内缸”)、2#低压缸、发电机等，1#、2#低压缸下部分别安装1#、2#凝汽器，低压缸内缸和低压缸外缸均通过猫爪的型式与基础的横梁进行连接.其中混凝土台板：总长58.78 m，在高压缸处宽度为22.5 m，在发电机处宽度为12.6 m，在高压缸与发电机处厚度为3.1 m，在低压缸外缸处厚度为3.6 m.自高压缸至发电机6排柱，柱头标高分别为14.0、13.5、13.5、13.5、14.0和14.0 m.底板长宽尺寸与混凝土台板相同，厚度为3.2 m.在定义单元网格类型时，采用多种不同类型单元混用的方法来求解：主结构采用六面体单元；低压缸内缸和水室内部支撑结构采用一维杆单元；凝汽器外壳，水室，底板及隔板等采用壳单元；其内部支撑及冷却水管采用梁单元等.

图1 汽轮机整体结构图Fig.1 Schematic diagram of the turbine

2 基础形式的选择

基础形式的选择不仅会影响基础自身的动力特性，也直接关系到汽轮机能否在一定地震荷载作用下还能正常工作，而不致发生事故.目前，国内外在核电设备中常选用的基础形式主要有弹簧基础和刚性基础两种，图2即为两类基础形式的构造图，其中弹簧基础台板与柱间一维弹簧单元的布置如S1～S10位置所示.

图2 两种基础形式Fig.2 Two types of foundation forms

本工程所采用的基础结构中，钢筋混凝土台板采用C40混凝土，台板下部结构柱子以及基础底部支撑台采用C50混凝土.参与计算的主要设备有低压缸外缸，低压缸内缸，水室及转子，其中低压缸外缸和水室采用Q235B的钢材，低压缸内缸采用P265GH钢材，转子采用等效参数进行模拟.根据提供的相关资料，对所列材料参数进行一定的折算，具体材料参数见表1.

表1 汽轮机设备力学参数Tab.1 Mechanical parameters of steam turbine

当采用弹簧基础时，根据实际提供的资料，弹簧的刚度采用并联的形式在相应的自由度方向进行等效.表2列出了台板和柱间弹簧S1～S10的水平刚度(kH)及竖向刚度(kV).

表2 台板和柱间弹簧水平及竖向刚度

2.1 模态分析

在抗震分析中，结构的模态和自振频率的计算是必要的，其不仅反映了结构内在特征，也是后续的结构瞬态响应分析的基础.本文采用LS-DYNA隐式求解模块中提供的一个并行的Lanczos特征值求解器，分别计算了采用两种基础下结构的模态和自振频率.为验证有限元模型的准确性，将本文结果与文献[4-6]中相似模型的自振频率进行对比，如图3所示，可以看出本文结果与文献描述基本一致.

图3 两种基础自振频率Fig.3 Natural vibration frequencies of two kinds of foundations

从图3两种基础的自振频率可以看出，弹簧基础较刚性基础的自振频率普遍低，尤其在高频阶段更为明显，这表明弹簧基础通过降低基础台板与下部结构柱子间的连接刚度以达到调频隔振的效果比较明显，可以选用弹簧基础作为汽轮机的基础形式.各取刚性基础和弹簧基础前6阶振动模态进行比较，如图4和5所示.

图4 刚性基础前6阶振型图Fig.4 The first six vibration modes of rigid foundation

从图4和图5可以看出：① 第1阶模态，两类基础均以x方向的摆动为主；② 第2阶模态，两类基础均以xy平面内摆动为主；③ 第3阶模态，刚性基础以xy平面内摆动为主，而弹簧基础以y方向摆动为主并耦合xy平面内扭转振动；④ 第4阶模态，刚性基础以xy平面内扭转振动为主，而弹簧基础以高压缸纵梁为轴进行z方向振动；⑤ 第5阶模态，刚性基础以中间跨柱x方向摆动为主，而弹簧基础以发电机纵梁位置为轴进行z方向振动；⑥ 第6阶模态，刚性基础以两端柱沿x方向摆动为主，而弹簧基础以台板的中心线为轴的上下摆动为主.

图5 弹簧基础前6阶振型图Fig.5 The first six vibration modes of spring foundation

2.2 地震荷载作用下基础的响应

2.2.1地震波的选取作为激励的地震波的选取，应遵循因地制宜的原则，尽量符合本地地质条件和我国抗震设计规范要求.结合该汽轮机所在厂区场地类别(III 类)，选用一条真实记录的地震波EL-Centro波(适合 II，III 场地)，这一记录由于加速度峰值较大，且波频范围较宽，因此多年来被工程界作为大地震的典型例子加以广泛应用.按6度抗震设防要求，将实测地震波加速度峰值调整为0.18 m/s2，并在6度多遇地震下进行两类基础的抗震性能比较.

2.2.2地震作用下时程分析将上述6度设防烈度多遇地震水准，分别作用于刚性基础和弹簧基础，其台板的加速度响应如图6所示，图中t为时间，a为加速度响应.从图中可以看出：沿纵向(x向)地震输入时，刚性基础台板加速度峰值为0.34 m/s2，放大系数为底板的1.89倍，而弹簧基础台板加速度峰值为0.173 m/s2，放大系数为底板的0.96倍；当沿横向(y向)和竖向(z向)分别地震波输入时，刚性基础台板加速度放大系数为底板的1.78和1.23倍，弹簧基础台板加速度的放大系数变为底板的1.06和0.76倍.因此，总体来说，刚性基础由于其整体刚度大，对地震荷载有一定的放大作用，而弹簧基础因台板下部支撑刚度小，在地震荷载作用下基础台板的动力响应较小，其抗震性能更为优越.

图6 刚性基础和弹簧基础台板的加速度时程曲线Fig.6 Acceleration of bedplates in the rigid foundation and the spring foundation

借鉴GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》[19]的要求，对两类基础在多遇地震作用下的层间位移转角和柱内最大应力进行验算，结果见表3，表中沿xyz方向同时地震波输入时的比值为1∶0.85∶0.65.由表3可以看出：地震荷载水平作用引起的柱顶层间位移转角较竖向作用引起的大；刚性基础的层间位移角较弹簧基础的大，但均小于规范要求1.82×10-3；刚性基础柱内最大应力较弹簧基础要小，但两类基础各方向内力差别较小，且总体上满足C50混凝土在动力作用下的屈服强度要求.此外，由于本次弹簧基础并未考虑阻尼的影响，倘若存在阻尼，结构内部会产生能量消耗，内力将会减小，并低于采用刚性基础所产生的内力.因此从抗震性能来说，弹簧基础比刚性基础更为优越.

表3 多遇地震作用下柱子最大内力和层间位移角Tab.3 Maximum internal force and inter-story displacement angle under frequent earthquake action

3 汽轮机结构时程分析

通过上文分析可以得出，弹簧基础的抗震性能要优于刚性基础.因此，本文选用弹簧基础作为该汽轮机的基础形式，进一步地仍用上述EL-Centro波作为地震荷载，按照抗震等级8度的设防要求，将加速度峰值调整为0.7 m/s2和4.0 m/s2分别进行了汽轮机整体结构的弹性及弹塑性时程分析，并依据所定义的各参考位置产生的相对位移以及低压缸和凝汽器的最大应力验证汽轮机整体的抗震能力.

低压缸及凝汽器作为汽轮机结构中重要的组成部分，其质量大，结构复杂且内部支撑多.为验证有限元模型的准确性，将本文低压缸及凝汽器模型自振频率结果与文献[13]中的相似模型进行对比，如表4所示.可以看出，本文结果与文献[13]数据基本一致.

表4 两种模型自振频率对比Tab.4 Comparison of natural frequencies of two models

3.1 评价标准的制定

在进行汽轮发电机组整体结构多遇地震下的弹性分析以及罕遇地震下的弹塑性分析验算时，对于结构的抗震性能和抗震要求评价标准的选择，显然不能脱离其本身的工作性质和特点.作为核电站的重要组成部分，汽轮发电机组工作在高温高压的环境下，其设计制造要求高度精密，同时成本也相当高昂，因此不管是从安全性还是从经济性方面考虑，其抗震设计要求必然要高于普通的建筑结构.有关核电站和火电站汽轮机地震灾害调查的研究表明，地震引起的动静碰磨是造成汽轮发电机组损坏的一大原因.此外，某些部件在地震作用下可能会失效，如地脚螺栓被拔出，预埋件破坏等，而在距离震中稍远的位置，因为地震作用引发的轴系振动突变，有时甚至会导致机组被迫停机.因此，不能简单地应用《建筑抗震设计规范》中的相关评价标准如变形控制要求来考察此类结构的抗震性能考核.

综合考虑以上因素以及设计经验，本文从汽轮发电机组的实际特点出发，借鉴《建筑抗震设计规范》的要求，从相对位移和附加应力两方面对机组进行分析，主要是考量部件间的相对位移是否会引发碰撞以及附加应力是否使材料发生屈服来判断结构在地震作用下是否安全.另外，从探讨评估方法的角度，本文并未考虑运行工况的影响，即没有考虑运行时的热胀以及压力、热应力等载荷.

3.2 各参考位置选择

汽轮机组整体结构复杂，如果对模型内所有位置的计算结果都进行输出分析，那么将使得输出数据库以及分析工作量相当庞大.因此，本文从汽轮机结构安全的角度出发，根据结构特点及工程实际需要选取了几处结构间易发生碰撞的典型位置的相对位移作为参考来对本次结构抗震研究的计算结果进行分析，这些典型位置如图7所示，主要包括以下4种.

(1) 低压缸外缸与运转层之间相对位移.低压缸外缸与基础开孔之间的间隙作为机械结构与土木结构的连接配合间隙需要重点关注，以免因为两种结构的地震响应差异而导致相对位移和变形过大.这种位置一共有8处，由于机组横向具有对称性，横向仅取两个低压缸外缸一侧侧板与基础之间的间隙作为参考进行分析，而沿轴向方向每个低压缸外缸两端端板与基础的间隙均需考虑，即图7(a)中A1～A6处.

(2) 转子与低压缸外缸之间相对位移.为防止蒸汽泄漏，转子穿出低压缸外缸的部位装有汽封环，汽封环通过波纹管安装在低压缸外缸两端，由波纹管来吸收运行时的热胀及变形.由于波纹管在分析计算的过程中被简化，所以取转子穿出低压缸外缸处，亦即转子与波纹管配合处作为参考位置来分析，详见图7(b)中B1～B4位置.

(3) 低压缸外缸与基础支座之间相对位移.尽管本文低压缸外缸不需要像常规机组那样支撑内缸及内缸内部的所有部件，但是其庞大的自身结构和重量以及承担的一部分凝汽器的重量使得低压缸外缸支座处的变形能力备受关注.同样，由于机组的横向对称性，仅取一侧相关位置进行分析，详见图7(c)中C1～C4所示.

(4) 转子与运转层之间相对位移.转子是由轴承直接支撑的，轴承直接影响着转子的位移及工作情况，其在地震作用下是否仍然能够稳定地给转子提供支撑是转子地震响应分析的基础.如果轴承在地震作用下发生失稳失效等，那么需对轴承进行改进设计后重新对转子进行分析.本文研究中，在建立有限元模型时将轴承等效为杆单元支撑.可根据转子与运转层之间相对位移，来判断轴承的稳定性，进而评估转子的性能，其考察位置如图7(d)中D1～D4所示.

图7 各构件之间的参考位置Fig.7 Reference positions among components

3.3 动力时程分析汇总

3.3.1参考位置相对位移汇总将上文各个构件之间的参考位置最大相对位移进行汇总，如表5所示.表中：Ix表示沿x方向输入地震波；Iy表示沿y方向输入地震波.可以看出，在8度设防烈度多遇地震水准下，各部件之间均有一定的相对位移，但这些位移均未超过汽轮机的正常使用的允许变形范围，满足结构抗震要求.但在8度设防烈度罕遇地震水准下，这些位移有的已经超出了部件的承受能力，不满足汽轮机结构的抗震要求，会导致汽轮机结构的损坏.

表5 各参考位置相对位移Tab.5 Relative displacement of each reference position

3.3.2结构应力结果汇总为保障汽轮发电机结构的安全，除了严格的变形控制要求，地震引起的附加应力对结构的影响也必须引起重视.沿袭目前常规的结构抗震设计方法，本文在计算时没有考虑机组的运行载荷.地震波沿水平方向输入时机组的应力分布情况如表6所示.可以看出，在水平地震作用下，低压缸外缸与凝汽器的附加应力响应较大，最大处均超过了材料的屈服强度，而低压缸内缸在两个方向的应力均较低.从地震附加应力方面来说，内缸抗震性能优越，低压缸外缸及凝汽器抗震性能则较差，考虑到还需要与压力等运行载荷叠加，低压缸外缸和凝汽器不满足8度设防烈度地震水准，需要进行改进设计.