水泥余热发电机组空冷岛振动问题分析与处理

李昊晨，田松峰，丁闪闪

水泥余热发电机组空冷岛振动问题分析与处理

李昊晨，田松峰，丁闪闪

（华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003）

为解决山西某水泥余热发电厂因生料磨振动而导致的空冷岛结构振动超标问题，采用粘弹性人工边界单元，建立振源–土体–空冷岛结构的三维模型，通过对空冷岛进行模态分析得出其主要振动频率，结合振动在土体中的传递及衰减规律，提出隔振沟隔振的解决办法。针对沟深、沟宽、沟数量、沟间距及距振源距离等参数对隔振沟隔振效果的影响进行分析，选定隔振沟各参数的最优值并确定最佳方案，从而使空冷岛设备可以正常运行。

水泥余热发电；空冷岛；隔振沟；有限元分析

0 引言

能源是人类生存与发展中的关键因素，合理开发及高效利用是能源问题中的重中之重。据《中国能源统计年鉴（2017年）》显示，能源消耗中工业消耗占比约70%，其中水泥行业耗能占比量约为7%[1]。水泥行业属于高耗能行业。在水泥实际生产流程中，水泥窖排放的中低温废气温度可到350℃。若将该部分废气直接排放至大气中，不仅导致大量的能源浪费，还造成严重的环境污染，这与“节能减排”的政策相背离。水泥余热发电技术的实施使该部分废气能得以回收与利用[2]。

自“十一五”以来，水泥余热发电技术发展迅速，空冷技术与水泥余热发电技术的结合得到广泛应用[3]。空冷系统在运行中，风机和驱动装置运转产生的振动可能会引起空冷系统的部件振动值过大，且该值与风机系统的运行频率，风机桥架刚度及其隔振措施密切相关。此外，水泥余热发电系统中存在大量的转动设备，如回转窖、立磨、管磨、选粉机、各类破碎机及风机等。这些转动设备在运行时会产生一系列的随机振动，此时产生的载荷为动载荷，其值可达静载荷的数倍。该部分振动可经土层传递至地表。当振幅较大，频率较低，且与结构的自振频率相近甚至相等时，可导致结构共振，引发结构的二次振动。若水泥生产系统的转动设备振动引起空冷岛系统设备的二次振动，则水泥余热发电系统的正常运行将无法得到保障[4]。以山西某水泥预热发电厂为例，该厂空冷岛设备正常运行时振动速度应维持在6.3 mm/s以下；但在生料磨运行时，空冷岛设备的振动速度严重超标，达12.3 mm/s，设备无法正常运行。因此，有必要对该厂生料磨等外部振动引起空冷岛结构振动超标问题进行深入研究。

目前，振动的控制方法主要分为积极隔振、消极隔振与介质隔振，即分别从振源、受振体和传播介质入手对振动进行控制[5-7]。结合余热发电厂实际情况，振源生料磨和受振体空冷岛结构因建设及运行要求不易改造，故采用介质隔振法进行改造，以达到减振效果。现阶段常用的介质隔振法为屏障隔振法，即通过在传递介质中设置隔振沟、波阻块或排桩等结构，造成传递介质的分层，改变振动波的传递从而达到隔振效果。经研究表明，隔振沟较其他方法的隔振效果明显且施加方式简单[8, 9]，故本文拟采用隔振沟方法进行隔振，建立振源–土体–空冷岛结构的三维有限元模型，并针对隔振沟的不同参数分析其对隔振效果的影响，选定各参数值以达到隔振效果的较优值，使水泥余热发电系统可正常运行。

1 有限元模型

1.1 结构参数

该厂发电机组容量为1×7.5 MW，整个空冷系统支撑在距地面15 m高的钢筋混凝土平台上。平台长28.14 m，宽15.08 m。平台上设有风筒梁、步道梁及边梁。该空冷凝汽系统单台机分为1列，配置2个冷却单元，每个单元有单排冷却管束组件、风机、风筒、护网和风机桥架等结构和设备。空冷岛的主要结构参数如表1所示。

表1 空冷岛主要结构参数表

以沉积韵律为基础，该厂土体基础由上至下可分为填土层、粉土层，碎石层和石灰岩层。根据土体各层参数差异，又将碎石层分为两层，土层参数如表2所示。

表2 各土层参数表

该厂采用的生料磨为TRM53.41辊式磨机。为简化模型，取其尺寸为20 m×20 m的正方形。

1.2 模型建立

由于土层的阻尼特性和粘性特性，振动在土层传递的过程中伴随着能量的衰减与耗散，故需对土层阻尼进行设定。本文采用瑞利阻尼，阻尼比取0.03。考虑到有限元模型边界造成振动波的反射与散射会造成模拟结果的不真实，故采用粘弹性边界单元对模型边界进行约束，即在模型边界处延伸出一层实体单元并将单元的外层边界固定。单元材料性质可由下式求得[10-12]：

表3 粘弹性人工边界单元参数

对于空冷岛钢筋混凝土结构。通过定义C35混凝土的塑性损伤模型，与Q235B材料的钢筋进行嵌入约束。根据各柱、梁尺寸建立空冷岛模型[13]，如图1所示。由于空冷岛与土层的接触为不同材料间的接触，为满足振动的有效传递，需进行接触定义。根据接触定义原则，选择空冷岛立柱侧面与底面为主面，与其接触的土体表面为从面。对于接触属性，法向接触设定为硬接触，切向接触设定为罚函数，摩擦系数取0.5。建立振源–土体–空冷岛三维模型图如图2所示。

图1 空冷岛结构模型

图2 振源–土体–空冷岛三维模型图

1.3 模型验证

考虑生料磨的振动为随机振动，取其振动数据中时长为5 s的加速度时程为振源，作用于模型中央下陷深度为2 m的表面上。加速度时程图如图3所示。

图3 振源加速度时程图

输入荷载后空冷岛上部结构的振动速度达13.3 mm/s。图4为空冷岛对振动响应的位移与速度时程图。由图可知，空冷岛的振动速度在1.5～2 s期间超过正常运行范围，其最大位移可达0.007 m，与实际情况相符合，验证了模型的适用性。

图4 空冷岛位移与振动速度时程图

2 隔振沟隔振效果分析

为使空冷岛与生料磨可同时运行，本文采用隔振沟的方法进行处理。取空冷岛模型最大变形节点6315号节点为研究点，如图1、图2中所示。设定不同参数的隔振沟，对该点的振动速度进行分析，令r为有隔振沟时，最大速度与无隔振时最大速度的比值，则无量纲数r表示隔振沟的隔振效果，该值越小则隔振效果越好。

2.1 隔振沟数量对隔振效果的影响

为分析隔振沟数量对隔振效果的影响，分别对2 m、5 m、8 m、10 m和12 m这5种深度在相同沟深、不同沟数量的工况进行分析。隔振沟的布置方式如图5所示，图5中（c）为双沟。为了更好地体现单沟与双沟对空冷岛受振动响应的影响，设定图5（a）和5（b）两种位置的单沟进行对比，两种单沟位置分别对应双沟中两个沟的位置。

图6为不同沟深设定工况下，单沟与双沟的隔振效果对比。由图可知，在同一沟深设定下，双沟的隔振效果较单沟的隔振效果更佳，且双沟隔振效果较单沟隔振效果的提升随着沟深增加有明显的提高，这验证了沟深对隔振效果有重要影响。此外对比两种位置单沟设定可知，随着隔振沟深度的变化，两种位置布置的单沟隔振效果出现交叉，这说明隔振沟位置对隔振效果有一定的影响。

图5 不同隔振沟数量布置图

图6 单双沟隔振效果对比图

2.2 隔振沟沟深对隔振效果的影响

为充分说明沟深对隔振沟的影响，对图5所示3种沟布置情况的隔振效果进行分析。图7为同一位置布置条件下，不同沟深的隔振效果图，由图可知，3种隔振沟布置方式的隔振效果均随沟深的增加而增加，但随沟深的增加隔振效果的提升逐渐降低，趋于稳定。对比两种单沟隔振效果可知，两单沟的隔振效果提升率有明显区别：单沟（a）布置在沟深达5 m后隔振效果迅速提升，但单沟（b）则在沟深达8 m后提升较大，这再次验证了隔振沟位置对其隔振效果有一定的影响。

图7 不同沟深隔振效果对比图

2.3 隔振沟距振源距离对隔振效果的影响

根据上文分析可知，双沟隔振效果优于单沟，且在一定限度内，隔振效果正相关于沟深。故选取沟深为12 m的双沟，取距振源较近的隔振沟与振源间的距离为自变量，取施加隔振沟后的振动速度及其与无隔振沟时最大速度的相对值为依据，对隔振效果的影响进行分析，结果如表4所示。

表4 距振源不同距离隔振效果

分析可得，隔振沟距振源的距离对隔振效果有一定程度的影响，距离过小或过大都会造成隔振效果不佳。本文工况下，距振源5 m时隔振效果最佳，可降低约60%的振动影响。

2.4 隔振沟沟宽对隔振效果的影响

为了更全面地研究隔振沟参数对隔振效果的影响，选取上文涉及参数的最佳值，对0.5 m、1 m、1.5 m和2 m这4种沟宽进行分析，对其隔振效果进行讨论。图8为不同沟宽工况下的隔振效果图，图中隔振效果随着沟宽的增加整体呈先增加后减小的趋势，不同沟宽相对最大速度的差值最大可达0.12。这说明沟宽过大或过小都不利于隔振沟的隔振效果。本文所提模型在沟宽为1 m时，隔振效果可达最佳。

图8 不同沟宽隔振效果图

2.5 隔振沟沟间距对隔振效果的影响

隔振沟双沟的位置可由隔振沟距振源距离，隔振沟沟宽及隔振沟沟间距确定。故选取其他参数为最佳参数条件下，设定不同的隔振沟沟间距，分析该参数对隔振效果的影响。图9反映了不同沟间距设定下隔振沟的隔振效果图。图中显示随着沟间距从3 m增加至5 m，隔振效果明显提高；隔振沟间距继续增加至8 m时，隔振效果则表现为降低趋势；但当间距到达10 m时，隔振效果又有了提升。经分析可知当间距为5 m与间距为10 m两种工况的隔振效果均能满足水泥余热发电厂的正常运行，但前者效果更佳。

图9 不同沟间距隔振效果图

3 结论

（1）隔振沟的数量对隔振效果有重要影响，采用双沟的隔振效果要优于单沟，且隔振效果的提升与隔振沟的深度有关。当沟深达到一定程度时，双沟隔振效果较单沟效果可提升近50%，但沟深过大或过小都不利于隔振效果的提升。

（2）隔振沟的深度对其隔振效果起主要作用，隔振效果随隔振沟深度的增加而逐渐增加；但当深度达12 m时隔振沟的隔振效果趋于稳定，不再随沟深增加而有明显变化。

（3）隔振沟距振源的距离对隔振效果也存在一定程度的影响：当距离小于5 m时，隔振效果随着距离的增加而增加；当距离超过5 m时，隔振效果则随距离增加反而减少。

（4）隔振沟沟宽对隔振效果的影响相对较小。过小的沟宽会使隔振效果并不理想；过大的沟宽不能获得良好的隔振效果，反而会增加施工难度并对当地土层的稳定性造成一定的影响。

（5）隔振沟沟间距对隔振效果的影响相对不明显，但较为复杂。随着沟间距的增加，隔振效果呈先增加后减小再增加的趋势。其他参数确定时，可能存在多种间距均可获得较好的隔振效果的情况，可根据实际情况进行选择。

本文对不同参数对隔振沟隔振效果的影响进行分析，最终确定用沟深12 m，沟宽1 m，沟间距5 m，距振源5 m的双沟隔方案振效果最佳。方案施加后，振动速度约为0.005 3 m/s，减震效果约达60%，可保证空冷岛设备的正常运行，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，硕士研究生，研究方向为设备故障诊断与振动控制；

田松峰（1966—），男，教授，研究方向为设备故障诊断与运行维护。

田松峰