核電常規島汽輪機基礎結構綜述

王 學 民

(中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310012)

1 汽輪發電機組基礎動力分析概述

汽機基礎動力特性設計的方法分為共振法與振幅法[1,2]。共振法只進行自由振動分析，要求計算自振頻率避開工作轉速和臨界轉速等，即所謂“頻率控制”；振幅法不但要進行自由振動分析，而且還要進行強迫振動計算，要求計算振動線位移或振動速度不超過規定的限值，即所謂“振幅控制”。

強迫振動計算有2種方法，即真強迫振動分析與采用等效荷載的虛擬強迫振動分析。真強迫振動分析求解結構動力學方程，需要給定作用在結構上的擾力、體系的阻尼，同時還要規定允許振動線位移。這是真強迫振動分析進行振幅控制的3個要素。

各國規范對允許振動線位移的規定出入很大，不僅數量上有差別，而且控制位置也不相同。如果明確規定控制基礎振動，則應計算并控制軸承與基礎連接點的振幅；如果規定控制軸承振動，則應計算并控制軸承蓋的振幅。

2 汽機基礎的結構形式

大容量機組的汽機房一般分為3層。底層比廠區地坪標高略高，為主要的輔助設備層，布置有凝汽器、凝結水泵等；中間層敷設大量管道，還布置小型設備等；運轉層一般為大平臺布置形式，布置有汽輪發電機組及其相關設備，并留有充足的設備檢修空間。

國際上有兩種汽機基礎的設計理念：一種是美國的理念，用大質量來減小振動。基于這樣的理念，美國機組的基礎都設計得非常大，立柱的尺寸經常做到3 m，甚至4 m。

另外一種是歐洲的理念，用彈簧隔振基礎進行調頻。將系統(機器與基礎臺板)的垂直固有頻率從常規固定基礎的15 Hz～20 Hz降低到3 Hz～4 Hz。系統的固有頻率遠離了機器的工作頻率，彈簧隔振器還起到了減振與隔振的作用。

還有一種是介于剛性基礎與彈簧隔振基礎之間的柔性基礎，在核電基礎領域沒有應用，而在常規火電百萬機組中有較多的應用。

2.1 剛性基礎

汽輪發電機坐落于基礎頂板上，當汽輪發電機基礎的頂板直接由鋼筋混凝土的柱(或連續墻)支承，由肥梁胖柱形成剛度很大的鋼筋混凝土框架式基礎，簡稱剛性基礎。為增大基礎剛度和自振頻率，采用胖柱厚板的結構形式。其地震反應要比彈性基礎大得多。

在美洲及其聯盟國家有大量的應用剛性基礎的工程經驗，日本三菱在24臺日本核電站采用剛性汽機基礎。

目前，國內大量的1 000 MW等級機組工程，如玉環、外高橋、北疆、鄒縣、寧海、泰州等，均采用鋼筋混凝土剛性框架式基礎。

新建的AP1000核電廠如浙江三門、山東海陽、廣東陸豐，采用的都是哈汽引進的日本三菱機型，常規剛性框架式基礎。

2.2 柔性基礎

柔性基礎與剛性基礎相比基礎結構構件斷面較小，整體剛度更小。上海汽輪發電機廠的1 000 MW等級機組汽機基礎設計為典型的歐洲柔性基礎，基礎結構構件斷面較小，且基礎結構布置受制造廠的限制較多，進一步優化的空間有限。目前國內的玉環、寧海、嘉興三期等工程均采用該機型。

2.3 彈簧隔振基礎

在常規柔性基礎的基礎上，增加彈簧隔振，成為更柔的彈簧隔振基礎。新建的大容量核電機組很多采用了彈簧隔振基礎。目前國內田灣核電站(2×1 000 MW)采用彈簧隔振基礎，一些1 000 MW級的CPR1000核電廠比如嶺澳二期、寧德、紅沿河、陽江、方家山等核電廠的西門子和阿爾斯通機型均采用了彈簧隔振基礎。單機1 750 MW的阿爾斯通臺山核電站也采用了彈簧隔振基礎。

田灣核電3號、4號機組，采用了哈汽的汽輪發電機組，其機型與三門、海陽的AP1000汽輪機基本相同，采用彈簧隔振基礎設計。彈簧隔振基礎特點如下：

1)彈簧基礎是采用隔振方案將汽輪機與下部基礎在動力意義上分開，柱子僅承受上部結構的靜力荷載，因而梁柱截面比較小，更有利于工藝布置；

2)與剛性基礎相比，彈簧基礎具有更好的抗震性能，可以大大減小臺板的加速度響應。但其相對位移更大，因此管道連接應充分考慮地震作用下的位移差；

3)通過調整彈簧剛度，能一定程度上避開機組的自振頻率；

4)彈簧隔振基礎對地基不均勻沉降有一定的可調節能力；

5)彈簧隔振基礎的設計，需要跟汽輪機廠家以及隔振廠家協同配合進行。

3 三大動力百萬級核電汽輪機適用的基礎型式和差異

3.1 汽輪機形式

常見的三大動力汽輪發電機機型參數具體如下：

1)哈爾濱電氣采用較原引進技術的改進型汽機基礎方案，半轉速四缸六排汽機型；

2)上海電氣采用擁有自主知識產權的半轉速三缸四排汽機型，低壓末葉片1 710 mm，該機型同漳州、桃花江項目采用相同的設計方案；

3)東方電氣與GE(原ALSTOM)進行合作，采用機型為GE的ARABELLE機型，末級葉片69英寸，半轉速三缸四排汽機型，其選用機型與徐大堡所采用方案基本一致。

3.2 哈爾濱電氣的汽機基礎

哈爾濱電氣在百萬級核電汽輪機上采用兩種基礎形式，分別為三門和海陽核電項目的剛性基礎形式，以及田灣核電項目的彈性基礎形式。其兩者技術主要差異如表1所示。

表1 哈電汽輪機基礎兩種方案比較

哈電股份原引進技術方案配套的是剛性汽輪機基礎。在田灣二期VVER項目上，哈電股份對原AP1000項目汽輪機設計方案進行了適應性修改和論證。

當采用剛性基礎時，低壓缸和凝汽器分別獨立支撐在各自的基礎上，為了吸收兩個設備間的熱膨脹，接口處應采用彈性連接方式來吸收，因此當凝汽器抽真空時，低壓缸會產生向下的真空吸力并作用在汽機基礎上，但由于剛性基礎的靜剛度很大，基礎變形很小，不會對軸系產生影響。

當采用彈性基礎時，基座靜剛度相對較小，若凝汽器與低壓缸依然采用彈性連接，在機組運行時將會對低壓缸的基礎產生真空力，且真空吸力隨著負荷的變化而變化，從而導致低壓部分的基座變形較大而影響軸系的對中和穩定。因此必須取消真空吸力對基座的影響，凝汽器與低壓缸采用剛性連接，使其成為整體，同時凝汽器也采用彈性支撐，從而上下抵消真空吸力的影響。

3.3 上海電氣的汽機基礎

上海汽輪機廠設計生產的百萬千瓦等級半速核電汽輪機組，包括配CPR1000，AP1000及華龍一號等反應堆的機型全部采用彈簧基礎形式。目前如陽江1號、2號、3號機組和防城港1號機組已成功投運，機組運行情況良好。如圖1所示，上述機組的頂板采用彈簧隔振器支撐，其中低壓缸通過四只支撐鋼臂支撐于頂板上，低壓缸與凝汽器之間剛性連接，凝汽器通過彈簧支撐于基礎上，其中凝汽器的部分運行水重作用到低壓缸上，這部分水重給低壓缸一個向下的預拉載荷，以保證汽缸的穩定性。該載荷最終通過低壓缸傳遞到頂板上，由頂板承擔。

3.4 東方電氣的汽機基礎

東方電氣設計生產的百萬千瓦等級半速核電汽輪機組全部采用彈性基座支撐。尤其，運用于中國核電項目的ARABELLE汽輪發電機組基礎無一例外的全部采用彈簧支撐的方式，如嶺澳3+4，紅沿河1-6，寧德1-4，福清1-4，方家山1+2，田灣5+6，徐大堡AP1000 1+2及目前海興AP1000 1+2。

3.5 對比分析

三大動力AP1000項目汽輪機基礎型式和汽輪機支撐結構已確定，對比、總結見表2。

表2 AP1000項目汽輪機基礎型式和汽輪機支撐結構對比

4 結語

彈性基礎與剛性基礎各有優、劣，是兩種不同的技術路線，均為國際上采用和認可的成熟的設計技術。

國內三家汽輪機基礎供應方均具備AP1000項目汽輪機基礎的設計、供貨能力，并已經確定了設備設計方案和基礎型式，具體如下：

上海電氣、東方電氣汽輪機基礎設計方案使用彈簧隔振基礎，不建議使用剛性基礎。

哈電股份汽輪機基礎設計方案可使用剛性基礎，也可使用彈簧隔振基礎，基礎型式由購買方確定。兩種基礎型式對哈電股份汽輪機基礎主設備的技術方案沒有大的影響。

哈電股份在田灣二期項目上首次采用彈簧隔振基礎，機組尚未運行，技術方案的合理性有待實際運行情況的驗證。

汽輪機基礎采用彈簧隔振方案，可有效降低機組自振頻率與基礎固有頻率耦合產生共振的風險，具有更好的抗震性能。汽輪機基礎彈簧隔振基礎與剛性基礎相比，更有利于土建結構與工藝布置設計，對廠房地基不均勻沉降具有一定的調節能力。但彈性基礎增加彈簧隔振器及必要的設備維護，在管道布置設計應充分考慮地震作用下較大的位移量。

彈性基礎比常規固定基礎的工程直接投資費用略低。

核電項目大容量半速汽輪發電機組采用彈性基礎具有廣泛且成熟的業績，是業內技術發展的趨勢。

根據以上分析，彈簧隔振基礎已成為當前大型核電汽輪機基礎的主流形式，各廠家的汽機均已有業績，且采用彈簧隔振后有諸多優點，可在工程中采用彈簧隔振基礎形式。