Transcript 高烈度地震区汽轮发电机基础结构选型

高烈度地震区汽轮发电机
基础结构选型
李炳益1
孙波1
（1 东北电力设计院，2
刘丽华1 房俊喜2
沙曾炘2
隔而固（青岛）振动控制有限公司）
1
引言
单一水准的设防目标 ：地震基本烈度的水平上保障人身安全为主 。
《三水准、两阶段》的设防原则 ：
三水准设防目标
设计水准
地震作用
50年超越
概率
（%）
重现期
（年）
设防目标
第一水准
多遇地震
63.2
50
一般不受损坏或不需修理可继续使用，能保
障人的生活、生产、经济和社会活动的正常
运行。
第二水准
设防烈度
地震
10
475
可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续
使用，保障人身安全和减少经济损失。
第三水准
罕遇地震
2～3
1641～ 不致倒塌或发生危及生命的严重破坏，以保
2475
障人身安全。
两阶段设计步骤：
第一阶段，进行多遇地震作用下的结构和构件承载力和弹性变形验算；
第二阶段，进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算。
结构性能抗震设计 ：
性能设计要综合考虑许多因素，如场地特征、结构功能与重要性、投
资与效益、震后损失与重建、潜在的历史文化价值、社会效益及业主的承
受能力等 。
汽轮发电机基础的抗震设计：
与建筑物不同，汽轮发电机基础的抗震设计原则并不仅仅是在地震作
用下保障结构本身和人的生命安全，而主要是是要保障设备的安全运行或
设备不受较大损伤，也就是应纳入性能设计的思想。
2 工程概况
厂址：新疆南疆
装机容量： 2×350MW
地震烈度： 8度
地震加速度： 0.3g
场地类别：Ⅱ类
地震分组：第三组
由于属于高烈度地震区，汽轮发电机基础采用弹簧隔振基础。
弹簧隔振基础有关参数
基础顶板：长度：L=32.23m，宽度：B=12.0m，顶板重约：Gf=20170KN；
基础底板：埋深-8.000m，板厚2.0m；
中间层：标高为6.270m，板厚为150mm；
柱子截面为2.1m×1.7m和1.8m×1.4m两种
3 汽轮发电机基础弹塑性时程分析
地震加速度的放大倍率：常规基础在2.5～3.5倍之间，
弹簧基础在1.2以下，有时还小于1.0。
3.1 本工程汽轮发电机基础时程分析
3.1.1 本次分析中的所用相关数据如下：
输入的地面加速度0.3g，
场地类别Ⅱ类，
设计地震分组为第三组，
特征周期为 Tg = 0.45s，
阻尼比为 D = 0.05，
分析中载荷作用时间为30s。
3.1.2 地震加速度响应计算分析
在多与地震、设防烈度地震、罕遇地震作用下，对基础结构进行地震加速度
响应计算分析。
多遇地震作用下，输入的地面加速度值为0.11g时，基础顶板与设备各轴承
座连接处的加速度值如下表：
多遇地震时基础顶板与设备轴承座连接处加速度值 （g）
多遇地震
弹簧基础
常规基础
Node
X向加速度
Y向加速度
Node
X向加速度
Y向加速度
351
0.134
0.129
351
0.276
0.267
352
0.13
0.128
352
0.258
0.268
353
0.13
0.128
353
0.258
0.267
354
0.109
0.121
354
0.253
0.253
355
0.109
0.121
355
0.253
0.251
356
0.127
0.134
356
0.252
0.241
注：X向为纵向，Y向为横向。
对于弹簧基础，在设备轴承座连接处的响应加速度最大值X向和Y向均为
0.134g，其放大倍率为1.207倍。
对于常规基础，加速度最大值X向为0.276g，Y向为0.268g，其放大倍率为
2.486倍和2.414倍。
设防烈度地震作用下，输入的地面加速度值为0.3g时，基础顶板与设
备各轴承座连接处的加速度值如下表：
设防烈度地震时基础顶板与设备轴承座连接处加速度值 （g）
设防烈度
Node
351
352
353
354
355
356
弹簧基础
X向加速度
Y向加速度
0.327
0.372
0.345
0.323
0.348
0.323
0.395
0.314
0.395
0.316
0.403
0.335
Node
351
352
353
354
355
356
常规基础
X向加速度
Y向加速度
0.767
0.741
0.715
0.745
0.715
0.74
0.702
0.704
0.702
0.696
0.700
0.669
对于弹簧基础，在设备轴承座连接处的响应加速度最大值X向为0.403g， Y
向为0.372g，其放大倍率为1.308倍和1.208倍。
对于常规基础，加速度最大值X向为0.767g，Y向为0.745g，其放大倍率为
2.48倍和2.419倍。
罕遇地震作用下，输入的地面加速度值为0.51g时，基础顶板与设备各轴
承座连接处的加速度值如下表：
设防烈度地震时基础顶板与设备轴承座连接处加速度值 （g）
罕遇地震
弹簧基础
常规基础
Node
X向加速度
Y向加速度
Node
X向加速度
Y向加速度
351
0.605
0.623
351
1.38
1.33
352
0.57
0.563
352
1.29
1.34
353
0.57
0.564
353
1.29
1.33
354
0.561
0.562
354
1.27
1.27
355
0.561
0.561
355
1.27
1.25
356
0.603
0.58
356
1.26
1.2
对于弹簧基础，加速度最大值X向为0.605g， Y向为0.623g，其放大倍率
为1.092倍和1.125倍。
对于常规基础，加速度最大值X向为1.38g，Y向为1.34g，其放大倍率为
2.491倍和2.419倍。
从以上结果可看出，三个水准地震工况下，弹簧基
础和常规基础的顶板上的地震加速度放大倍率基本相同
，弹簧基础放大倍率最大为1.308，常规基础放大倍率为
2.491。
3.2 其他工程的地震加速度响应计算分析结果
3.2.1 华北院对北疆电厂1000MW机组汽轮发电机基础，按《建筑抗震设
计规范》三水准设计原则，进行了地震响应时程分析。
厂址抗震设防烈度为8度（0.2g），场地类别为Ⅳ类。
三水准地震作用下地震加速度时程分析结果
三水准设防
地面加速度峰值 基础台面地震 地震加速度放大
倍数
（cm/s2）
加速度（cm/s2）
多遇地震
70
220
3.14
设防烈度地震
200
650
3.25
罕遇地震
400
1300
3.25
3.2.2 对北疆电厂1000MW机组汽轮发电机基础建立常规的构架式基
础和弹簧隔振基础两种模型，进行了在罕遇地震作用下地震响应时程分
析。
常规基础台面上的加速度是地面地震加速度峰值的2.83倍；
弹簧隔振基础台面上的加速度值是地面地震加速度峰值的1.21倍。
3.2.3 以咸宁核电站（AP1000)采用的三菱机型汽轮发电机组为例
，建立常规框架式基础和弹簧隔振基础两种模型，分别进行地震加速
度时程分析。
抗震设防烈度为6度（计算提高到7度），地面加速度峰值为0.1g，场地
特征周期为0.25s。
两种基础顶板和轴承座处最大加速度值
顶板最大加速度
轴承座最大加速度
基础型式
ax(g)
ay(g)
ax(g)
ay(g)
弹簧基础
0.060
0.088
0.061
0.089
框架基础
0.256
0.361
0.271
0.355
各轴承座处最大加速度值与地面输入值的倍率：
常规基础水平横向的3.55倍，水平纵向为2.71倍。
弹簧隔振基础水平横向为0.89倍，水平纵向为0.61倍。
3.3 地震加速度对汽轮发电机的影响
从前面介绍的计算分析结果可知，建在地震区发电厂的常规的钢筋混凝
土构架式基础，其顶板上的地震加速度都大于基础底面的加速度，也就是地面
加速度通过结构后是放大的。其放大倍数约在2.5～3.5之间。而弹簧隔振基础
其放大倍数一般小于1.3，有时还小于1.0，也就是说可以不放大。
下表中列了常规基础在不同地震作用下地面与轴承座处地震加速度对比值
范围。
常规基础在不同地震作用下地面与轴承座处地震加速度对比值 （cm/s2）
设防水准
多遇地震
设防烈度
地震
罕遇地震
加速度
部位
地面
轴承座处
地面
轴承座处
地面
轴承座处
6
18
45～63
50
125～175
125
312～437
7
35
87～122
100
250～350
220
550～770
地 震 烈 度 (度)
7 (1.5g)
8
55
70
137～192
175～245
150
200
375～525
500～700
310
400
775～1085 1000～1400
8 (0.3g)
9
110
140
275～385
350～490
300
400
750～1050 1000～1400
510
620
1275～1785 1550～2170
设备厂家对地震加速度值的限值 ：
国内：设备正常运行时，汽轮机零件强度能够承受的加速度为0.12g；
事故发生时，承受的加速度不能超过0.4g。
国外：基础与设备连接点处地震加速度，水平向不要超过0.3g；
竖向不要超过0.2g。
常规基础在多遇地震作用下7度（1.5g）及以上时，轴承座连接处的地震加
速度超过设备正常运行时能承受的限度0.12g；
设防烈度地震作用下7度（1.5g）及以上时，轴承座连接处的地震加速度
超过事故发生时能承受的限度0.4g；
更超出国外厂家要求的水平向加速度限度0.3g。
弹簧隔振基础，8度（0.3g）及以下多遇地震和7度及以下设防烈度地震作
用下都能保证设备正常运行；
8度（0.3g）及以下设防烈度地震作用下能做到设备处于可修的状态。
4
汽轮发电机基础结构选型
汽轮发电机基础的抗震设计不能以基础结构本身满足“小震不坏，中震可修
、大震不倒”作为目标，而是以设备正常运行或不出现大的故障作为目标。
设备制造厂认为，喀什电厂汽轮发电机采用常规基础，由于地震作用较大，
供方将对整个机组做特殊的抗震设计，全面调整现有的结构设计，将引起机
组成本增加、设计周期延长。建议投资方、设计院可参考国外成熟技术，对
汽轮发电机机座采用弹簧隔振。
鉴于上述情况，本工程汽轮发电机基础采用弹簧隔振基础是比较合理的方案。
采用弹簧隔振基础在多遇地震8度（0.3g）以下及设防烈度地震7度以下时，
对设备不用进行加固或地震后可不进行维修；
在设防烈度地震8度（0.3g）及以下时，对设备的部分零件进行加固或地震
后进行维修即可。
汽轮发电机是发电厂中最重要、最昂贵的设备。汽轮发电机的损坏会带来
很大的经济损失。下表中列了2011年水平的不同容量的汽轮机和发电机的参考
价格。
汽轮发电机组设备参考价格 （万元）
容量
（MW）
300
600
1000
汽轮机
规格型号
350-24.2/566/566
超超临界，
660MW，湿冷，
三缸四排汽
25MPa/26.25MPa,
600/600℃
发电机
规格型号
参考价
参考价
价格
合计
8000
QFSN-350-2型
4700
12700
16000
QFSN-660-2型
7500
23500
22500
QFSN-1000-2型
12500
35000
采用弹簧隔振基础会增加一定的造价，每台机组约增加150万元～350万元左右。如果
常规设计的汽轮发电机组处于0.12g～0.4g的加速度范围内时，需要加固或经地震后需要维
修的费用可能高于采用弹簧隔振基础而增加的费用。
另外采用弹簧隔振基础，还有如下优点：
1、能改善汽机基础的动力特性，可减小轴径的磨损，延长设备的寿命和检修
的间隔时间；
2、可有效的隔离动力荷载，使得弹簧下部结构可以按静力结构计算；
3、由于螺旋弹簧本身具有线性、弹性和可控性，因此弹簧基础对消除地基的
不均匀沉降有其独特的优势；
4、需要进行轴系找中时，可以在不停机的情况下，进行快速调平。
以上分析中能得出，从设备的安全运行、经济效益、检修维护等方面综合考虑
，目前在高烈度地震区的汽轮发电机基础采用弹簧隔振基础是相对比较合理的结
构方案。
谢谢！