基于GE 機型的落地式燃機基礎設計分析研究

龍楊洋

（湖南省電力設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

近年來全球天然氣的產量迅速增加，給以潔凈天然氣為燃料的燃氣輪機創(chuàng)造了良好的條件。根據(jù)發(fā)改委的規(guī)劃，到2020 年我國將建成裝機容量5500 萬kW 的燃機規(guī)模。同時，隨著國際市場的發(fā)展，在設計中結合我國經驗，將我國的技術標準與國際標準相接軌，設計出符合廠家、規(guī)范要求的燃機基座已成為我們面前一個新的任務。燃氣輪機安裝于大塊式混凝土基礎上，基礎的位移限制通常以微米計。因此，如何控制基礎變形成為了燃機基礎研究最重要的內容。在緬甸某直通燃機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目中，配置了2 臺GE 6F.01 燃氣輪機，單臺燃機額定功率40860kW。本文結合該工程實例，借助通用有限元軟件ANSYS 建模，對基礎性能進行了綜合分析。

1 有限元模型

在建模時，原則上盡量按照基礎結構設計圖來實施，在不影響計算結果精度的前提下，對嚴重增加計算難度的局部作了忽略處理。利用6 面體8節(jié)點等參單元模擬結構，利用正交異性材料參數(shù)模擬鋼筋混凝土材料。基礎結構數(shù)值模型如圖1 所示。

圖1 設備質量布置方式圖

2 基礎自振特征分析

2.1 分析方法

通過模態(tài)分析，得到基礎自振頻率、振型等參數(shù)，同時得到結構在各方向上的模態(tài)參與系數(shù)和有效質量等參數(shù)。其中模態(tài)參與系數(shù)是振型和激勵方向的函數(shù)，參與系數(shù)可以衡量該階模態(tài)在其激勵方向上對變位的影響程度。而模態(tài)的某一振型的某一方向的有效質量，為各個質點質量與該質點在該階振型中相應方向對應坐標乘積之和的平方。模態(tài)參與系數(shù)和有效質量是在結構抗震設計中使用的概念，但這兩個參數(shù)也從一定意義上反映了結構在受外力作用時可能參與振動的程度。

2.2 頻率分析

表1 列出了基礎模態(tài)分析部分結果。

從表1 中可以看出，模態(tài)分布較稀疏。從分析結果來看，87.25Hz（燃氣輪輪機工作頻率）附近各階模態(tài)的振型參與系數(shù)和有效質量均不大，后面的強迫振動響應分析也證明了這一點，擾力點振動線位移的最大幅值并沒有出現(xiàn)在87.25Hz 附近

表1 前5 階及工作頻率的模態(tài)頻率及模態(tài)參與系數(shù)、有效質量（平動）

3 強迫振動響應分析

3.1 強迫振動的計算結果

為了更好的反映擾力點處的振動情況，分別取擾力作用點正下方基礎平臺上與其對應的位置處為測點進行分析。本工程燃機額定轉速5235r/min，超出普通汽輪機基礎（3000r/min 及以下）評價標準范疇，根據(jù)ISO 標準及《建筑工程容許振動標準》（GB50868 - 2013）的相關規(guī)定，功率大于3MW 、轉速在3000～ 20000r/min 范圍內的發(fā)電和機械驅動的重型燃氣輪機基礎，在時域范圍內的容許振動值采用振動速度均方根值：

本工程燃機基礎與發(fā)電機基礎為整體設計，為了合理評價基礎振動特性，燃機端容許振動值采用振動速度均方根值，電機端采用振動位移峰值。模型擾力作用點位置圖如圖2。

圖2 模型擾力作用點位置圖

表2 擾力作用下的總幅值，根據(jù)《動力機器基礎設計規(guī)范》規(guī)定，當有m 個擾力作用下，質點振動線位移為各擾力下線位移、速度平方和的方根值。

表2 工作階段基礎上各點最大振動線位移、速度及相應轉速

3.2 強迫振動的振幅曲線

基礎各關鍵點振動幅值隨轉速變化的趨勢大體相當。啟動階段和運行階段最大振動速度均方根值分別為1.04mm/s 和4.19mm/s，發(fā)生在2 號擾力點正下方基礎平臺上，圖3 給出了2 點Y 向振幅曲線圖。

圖3 2 點Y 向振幅曲線

4 結語

（1）根據(jù)ISO10816-1 規(guī)定，將機器（燃機與汽機）振動分4 個評價區(qū)域：A 區(qū)指新投產的機器，振動通常宜在此區(qū)域；B 區(qū)指振動在此區(qū)域內的機器可以不受限制地長期運行；C 區(qū)指振動在區(qū)域內機器不宜長期運行，但在適當?shù)难a救措施前，可以運行有限的一段時間；D 區(qū)指在此區(qū)域范圍振動的機器已足夠嚴重并將引起機器損壞，必須停止運行。燃機基礎設計時，工作階段中穩(wěn)態(tài)下（額定轉速）的振動限值應按A/B 區(qū)限值進行控制，啟動、停機超速等瞬態(tài)下的基礎振動限值可按C/D 區(qū)限值進行控制。根據(jù)ISO10816-4 規(guī)定，對于轉速3000～20000r/min 燃機基礎，A/B 區(qū)容許振動速度均方根值為4.5mm/s，C/D 區(qū)容許振動速度均方根值為14.7mm/s。ANSYS 計算結果顯示，各擾力點的最大振動速度均方根值均小于容許值。表明本基礎結構具有較優(yōu)的動力特性，完全滿足ISO 標準。

（2）ANSYS 計算結果顯示，在啟動階段和運行階 段， 電 機 端擾力點的最大振動線位移分別 為16.02μm和 17.18μm，發(fā)生在3 號擾力點正下方基礎平 臺 上。 根 據(jù)《動力機器基礎設計規(guī)范》（GB50040-96），ANSYS 計算結果顯示，各擾力點的最大振幅均小于容許值。表明本基礎結構具有較優(yōu)的動力特性，完全滿足規(guī)范要求。

（3）從計算得到的幅頻曲線上看，電機端振幅值比燃機端大，由此可看出，低轉速對基礎的影響比高轉速要大。

（4）基礎震動主要受自身剛度、質量分布和擾力特性的影響，跟土壤類別、軟硬程度的關系不大。土壤對汽輪機基礎起到承載作用，可以認為地基反立為恒值，同時土壤跟隨基礎震動的參與度不大，可以忽略地基和覆土的影響。