AP1000三菱核电半速汽轮发电机组固定基础与弹簧基础动刚度的探讨
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第三代核电机组AP1000在停堆大修方面的优势应用摘要:AP1000第三代核电机组的先进性体现在使用成熟技术的基础上,在设计上采用了非能动的安全系统,加强了预防和缓解严重事故的措施,提高了电站的安全性;同时,由于非能动技术的使用,使得电站的辅助设备大大减少,减少了故障的概率,提高了安全性;另外,由于核级设备的减少,对核电机组大修安排方面的制约降低,更加灵活的安排核电机组的换料停堆大修,将大幅缩减大修工期。
关键词:AP1000;非能动;换料停堆大修1.前言AP1000为第三代非能动核电站,是目前应用非能动理念的代表者。
鉴于AP1000机组的非能动特性,在设计及电站运营上,必然与第二代核电机组存在较大差异;非能动技术的引入,大幅度简化了系统设备。
根据AP1000机组设计大修时间为17天或更短,因此本文将重点研究AP1000非能动核电机组较传统二代压水堆核电机组(本文以M310为例)在机组停运大修方面的优势。
2.AP1000机组在大修中的优势应用2.1总体设备数量减少AP1000的设计理念简单,厂房规模缩小,系统设置简化,工艺布置简化,管道交叉减少。
相应使设计工作量减少,设计接口更易于控制和管理。
很多动力设备被取消,取消了应急动力电源。
AP1000的简化非能动设计大幅度减少了安全系统的设备和部件,与正在运行的M310电站设备相比,阀门、泵、安全级管道、电缆、抗震厂房容积分别减少了约50%,36%,83%,87%和56%,同样在大修期间的检修项目将大幅度减少;同时便于采购、运行和维护。
2.2 低低水位阀门M310机组低低水位阀门约230个左右,平均每次大修低低水位阀门检修数量为20-30个左右,且即使通过中长期优化某次大修无低低水位,但因阀门、管道等新增缺陷可能性大,所以无低低水位大修在二代核电机组里实现难度较大。
AP1000机组因采用非能动设计理念,阀门数量大幅度减少,其中低低水位阀门数量在60个左右,平均每次大修低低水位阀门检修量为5-7个左右;同时因管道排布、阀门数量少,可以通过冰塞的方式进行低低水位阀门的隔离检修,从而取消堆芯全卸料后的排水到低低水位、低低水位检修和检修后一回路充水的工作。
哈汽、三菱重工AP1000核电汽轮机的结构与系统关键词:核电汽轮机;系统;结构;湿度摘要:对核电汽轮机的技术特点进行了详细的分析和论述,有助于让读者全面了解核电汽轮机的设计特点。
本文全面介绍了由哈尔滨汽轮机厂有限与三菱重工设计制造的与AP1000核岛相匹配的核电汽轮机结构和主要系统。
0 概述HN1251-5.38型核电汽轮机是哈尔滨动力设备股份公司与三门核电有限公司签订的世界首台AP1000核电站常规岛用汽轮机。
该机组是一台单轴、四缸六排汽带中间汽水分离再热器的反动式凝汽式汽轮机。
高压缸是2×10级对称双分流结构,3个低压缸采用相同设计,同样是2×10级对称双分流结构。
下面将针对该型核电汽轮机的技术特点和关键技术问题进行详细的分析和论述。
1 汽轮机总体配置1.1蒸汽流程HN1251-5.38型核电汽轮机由一个高压缸和三个低压缸组成,两个(每侧2个,共4个)高压主汽调节联合阀布置在高压缸两侧,由核岛来的2根主蒸汽管道经主蒸汽联箱后分成4根主蒸汽管道分别与4个主汽阀进口相连。
蒸汽由主汽阀进入调节阀,从调节阀出来的主蒸汽分别从高压缸中部上半和下半进入高压缸。
高压缸为对称双分流布置,经高压缸做工后的蒸汽分别经调端和电端各3个排汽口排出,通过6个导汽管分别进入布置在汽轮机两侧的MSR壳体下半蒸汽进口。
蒸汽在MSR通过分离器后分离出大概97.8%的水分,汽水分离后的蒸汽向上通过MSR一级和二级再热器加热变成过热蒸汽,每个MSR 壳体上部共有3个排汽口,再热后的蒸汽经低压进汽管由低压缸中部进入低压缸。
蒸汽由中部经对称双分流的汽道部分做功后经排汽口排入冷凝器。
1.2汽轮机热力系统回热系统为7级配置,由2个高压加热器、4个低压加热器和1个除氧器组成,汽水分离系统采用一级分离和二级再热。
回热加热器的疏水除4号低压加热器配有疏水泵外,其它加热器采用逐级自流方式,高压加热器疏水按逐级自流至除氧器,1、2号低压加热器逐级自流至冷凝器,系统补水至冷凝器。
AP1000核电机组冷端设计优化研究
根据国家产业政策,大批核电项目开工在即,与常规火电不同,核电站具有带基本负荷的特点,因此为了使核反应堆热功率最大限度转换为电站的有用功率,提高机组经济性,要求核电站常规岛汽轮发电机能得到最大输出功率。
冷端系统在核电厂的整个热力循环中起着冷源作用,并对核电厂整体经济性影响很大,因此对冷端系统进行优化研究具有重要的现实意义。
本文在分析研究核电站冷端系统基本原理的基础上,分别对汽轮机低压缸、凝汽器以及冷却塔的性能计算进行了研究;在综合考虑机组投资、运行费用及收益等因素的基础上,采用年费用最小法,针对某滨海核电厂址条件,在不考虑冷却水温升限制、冷却水温升不大于8℃和不大于7℃时,对三缸四排汽单背压、双背压和四缸六排汽单背压、三背压机组进行了冷端设计优化计算,分析了不同冷却水温升限制对不同型式机组经济性的影响。
针对某南方内陆核电厂址条件,分别对三缸四排汽单背压、双背压和四缸六排汽单背压、三背压机组进行了冷端设计优化计算,并对年费用最小的四缸六排汽三背压机组冷端配置方案进行了敏感性分析,得到了最佳冷端配置方案。
上述结果可为滨海及内陆核电站确定冷端最优方案提供参考。
针对AP1000审评的技术见解-汇总国家核安全局针对AP1000自主化依托项目安全审评的技术见解一、背景1. AP1000的设计特点与以往传统的压水堆设计相比,AP1000的主要特点在于采用了非能动的安全理念,包括非能动的余热排出系统、非能动的应急堆芯冷却系统(包括堆芯补水箱、安注箱和内置换料水箱)、自动降压系统、非能动的安全壳冷却系统和非能动的主控室可居留性系统。
这些非能动安全系统仅依靠重力、自然循环和蓄压工作,非能动安全系统投运时只要相关阀门的一次性切换,不需要机械设备的连续运转,不需要外部动力供应,也不需要支持系统。
期望通过这些非能动系统设计的使用,提高安全系统的可靠性水平。
同时,AP1000的主泵采用屏蔽泵,没有反应堆冷却剂泵轴封系统,消除了全厂断电状态下主泵轴封破口的风险;屏蔽泵与蒸汽发生器直接连接,没有蒸汽发生器与主泵之间的中间管段。
此外,AP1000采取了多项严重事故缓解措施,包括:非能动的氢气复合器系统和堆芯熔融物在压力容器内的保持能力(IVR)。
2. 美国核管会有关AP1000的审评情况美国西屋电力公司(WEC)于2002年3月28日根据联邦法规10CFR52向美国核管会(NRC)提交了AP1000标准设计认证申请。
在AP1000标准设计审评过程中,WEC为解决NRC提出的审评问题,多次对设计控制文件进行了升版,至2021年9月7日WEC提交了设计控制文件的第15版。
NRC于2021年9月13日发布了针对AP1000(设计控制文件第14版)的最终安全评价报告NUREG-1793,于2021年12月发布NUREG-1793补充1(这是针对AP1000设计修改DCD15版修改内容的评价意见)。
NRC于2021年1月27日在71FR4464中发布最终的AP1000标准设计证书。
美国联邦法规10CFR52附录D记载了AP1000标准设计证书,其中明确目前认可的AP1000设计控制文件版本是第15版。
AP1000第三代核电半速汽轮机技术特点和安装工艺摘要:海阳核电#2常规岛汽轮机采用的是哈动-三菱重工联合设计、供货的额定功率为1250MW、1500r/min、单轴、中间汽水分离再热、四缸、六排汽、反动式凝汽式汽轮机。
本文从高低压缸、轴承等主要汽轮机设备的技术特点和汽轮机的安装工艺对该汽轮机进行了介绍。
关键词:AP1000核电;汽轮机;高低压缸;施工工艺引言山东海阳核电厂一期工程机组采用世界最先进的第三代压水堆核电站AP1000设计,其常规岛汽轮机采用的是哈动-三菱重工联合设计的设计半速汽轮机。
与全速汽轮机相比,半速汽轮机可以降低转动部件的应力,减少汽轮机的余速损失,降低汽轮机级间蒸汽泄漏量,增加轴系稳定性,降低厂房建设成本,将会成为未来核电的标准配备。
但是由于半速汽轮机部件几何尺寸、重量均比常规汽轮机部件大得多,且汽轮机结构也与常规不同,这就使AP1000核电半速汽轮发电机的安装工艺与常规汽轮机有所不同。
1汽轮机安装施工工艺流程施工工艺流程见图1:3 汽轮机发电机地脚螺栓安装首先在楼板上和汽轮机基础布置立柱,待预埋件浇筑后进行立柱安装,汽轮发电机地脚螺栓模块化安装装置的布置如图2所示,其中纵向、横向主辅梁均采用H型钢制成。
待建筑专业将汽轮机基础底层钢筋绑扎完毕后,安装螺钉框架纵向主梁,与立柱顶部铁板焊接牢固后再安装横向主梁。
将地脚螺栓参照如图3形式组合安装。
其中地脚螺栓上部螺母与定位钢支撑之间安装一定位环,定位环内径大于螺栓外径0.5mm。
连接完成后分时间段进行测量,复测三次测量数据一致后将钢支撑焊接牢固,并将螺母点焊。
4 台板安装根据图纸布置各垫板和可调垫铁,在垫板四周焊接三个M8六角螺母,穿上M8螺栓,将各圆形垫板就位。
通过旋转螺栓调整垫板标高及水平度。
垫板标高需考虑轴系扬度。
低压缸两侧台板的可调垫铁根据低压缸台板定位后进行标高调整。
各轴承座的可调垫铁需严格按照图纸设计的角度位置放置,标高需在轴承座台板就位前调整好,各调整垫铁需考虑轴系抬高量,各轴承座调整垫铁轴系抬高量参照其横向附近的地脚螺栓的轴系抬高量。
AP1000核电机组发电机抽、穿转子摘要:本文简要介绍了AP1000核电厂发电机特点,重点介绍发电机抽、穿转子方法及注意事项,对于后续AP1000核电厂发电机抽、穿转子工作具有一定的借鉴意义。
关键词:AP1000;发电机;抽;穿转子1 简述AP1000核电厂汽轮发电机组由哈动-三菱联合供货,其发电机为卧式安装的半速汽轮发电机。
相对于全速机组,发电机的尺寸和重量均有所增加。
发电机转子重203t,长16900mm,直径1965mm,定子膛内径为2065mm,转子和定子膛四周间隙约为50mm。
发电机转子由整体合金钢锻件加工而成,转子两端通过两个端盖式轴承支撑。
发电机抽、穿转子工作是发电机大修期间一项重要工作,其工作风险高,难度大,本文将重点介绍AP1000核电机组抽、穿转子的基本方法。
2 发电机抽转子2.1 先决条件检查发电机内部气体置换完成;发电机转子调整至正确位置(大齿朝上)且牵引工具安装完成;励侧抽转子用锚固点安装完毕;发电机汽隙挡板拆除完毕;励、汽两端冷却水管保护装置安装完成;励端氢冷器冷却水管排汽管线拆除;专用工具准备齐全。
2.2 抽转子准备2.2.1使用240T行车从励端缓缓吊起转子少许,自励侧放入转子垫块后落下行车(此时转子由转子垫块和汽端轴瓦支撑),拆除励端轴瓦及瓦枕下半。
2.2.2安装抛挂励侧下端盖的专用工具后拆除励侧下端盖与机座紧固螺栓;使用两侧手拉葫芦,缓慢下落端盖,当下落至端盖躲过平台定位销位置时,用厂房行车轻轻吊起励侧下端盖,将端盖向励侧水平方向平移,同时下落端盖;端盖下落距定子膛水平中心约650mm时,停止下落端盖,用两块225mm的专用木块垫在端盖与机座间。
2.2.3 使用行车从励侧微抬起转子,使用专用铁钎取出转子垫块后,自励侧向定子膛内运送纤维纸板至指定位置后,将纤维纸板两侧牵引绳固定牢固;2.2.4 从励侧向定子膛内运送防撞击滑板至指定位置(注意轴向两侧均不得悬空),将防撞击滑板两侧牵引绳固定牢靠。
AP1000核电汽轮机保护配置的探讨罗吉江【摘要】汽轮机保护系统是汽轮机的重要组成部分,对汽轮机的安全稳定运行具有重要意义.对AP1000核电汽轮机保护系统的特点、配置进行了介绍,并对AP1000核电汽轮机保护系统配置的合理性进行了探讨.主要就汽轮机轴振保护、机械超速保护及主油箱低油位保护配置提出了优化建议,对AP1000核电汽轮机保护系统的完善具有一定的借鉴意义.【期刊名称】《热力透平》【年(卷),期】2019(048)001【总页数】4页(P61-64)【关键词】AP1000;核电汽轮机;保护配置;优化【作者】罗吉江【作者单位】山东核电有限公司 ,烟台265116【正文语种】中文【中图分类】TK264.2AP1000核电技术是我国引进美国西屋公司的第三代核电技术,核岛反应堆是采用非能动理念模块化建造的两环路压水堆,首批依托项目的常规岛汽轮发电机组为哈动-三菱联合公司提供的1 000 MW级核电机组。
汽轮机是由1个高压缸、3个低压缸组成的凝汽式半速汽轮机,没有中压缸。
每个汽缸的通流部分均采用双分流对称布置。
机组共有4个高压主汽阀、4个高压调节阀、6个再热主汽阀和6个再热调节阀[1]。
AP1000核电厂的仪表控制系统为数字化分布式控制系统,采用了西屋的Common Q 和Ovation两种平台。
Common Q平台属1E级,用于实现安全仪控功能,设备能够满足抗震要求;Ovation平台属非1E级,是全数字化控制系统平台,为分布式控制系统(Distributed Control System, DCS)。
Ovation系统由Emerson公司设计和开发,具有监视电厂实时状态、分散电厂信息及电厂过程控制等功能,可以实现电厂启动、升功率、功率运行及停堆等功能。
汽轮机控制与诊断系统(TOS)被纳入一体化的Ovation平台,由汽轮机监测系统(TSI)、汽轮机控制系统(MTC)、汽轮机保护系统(MTP)和汽轮机状态监测及故障诊断系统(TDM)组成[2]。
浅谈核电汽轮机基础台板下大型弹簧隔振器施工工艺王千华,陆鹏飞,谢明明山东省济南市工业北路297号山东电力建设第二工程公司邮编:250100摘要:随着核电产业的蓬勃发展,核电建设市场成为电建企业的焦点。
不仅要在满足质量要求、确保成本效益的前提下,如何施工好这些复杂结构并尽最大可能的保证机组的安全运行已成为电建企业急需解决的问题。
关键词:核电;弹簧隔振器;弹性基础弹性基础与常规固定基础最主要的差别:将立柱与台板之间增设弹簧隔振器,改刚性连接为弹性连接。
基础间采用弹簧隔振器解决了基础固有频率与机器运行频率相近的难题,但因弹簧隔振器对混凝土平整度要求为1mm/m,大大增加了施工难度。
1、常规做法弹簧隔振器安装柱顶处理现行方法可分为:普通混凝土浇筑后打磨处理和采用二次灌浆再打磨处理两种。
普通混凝土浇筑,根据以往浇筑混凝土经验可将平整度控制在5~8mm之内,但这远远满足不了弹簧隔振器对平整度(1mm/m)的要求;若采用二次灌浆,需待下部混凝土浇筑后方可进行灌浆区钢筋、模板等作业,这样工期较长影响工程进度;弹簧隔振器周围支撑与周围底模连成整体,下部采用顶丝进行调整,因弹簧隔振器对平整度要求较高,调整非常困难。
2、新方法特点2.1、角钢控制标高精确:为了使柱顶标高及平整度准确,采用在柱顶周边安装角钢的方法控制标高,考虑柱顶截面尺寸较大(3000mm*1000mm),角钢长度过长会因自身变形影响平整度,将角钢截成900mm一段安装,上用钢筋焊接卡扣用螺栓调节角钢标高,最重测量报告显示角钢标高及平整度均控制在1mm之内(右图:25号弹簧隔振器柱顶标高测量报告),验收完成并在浇筑之前将螺栓与螺母焊接(点焊)固定,使角钢上下均不能移动。
2.2、浇筑过程中间歇浇筑:浇筑混凝土完成后混凝土均有不等量收缩,一次浇筑到顶收缩量较大,为了减小收缩,采用间歇浇筑的方法,浇筑至离柱顶500mm时停止浇筑1-2小时(现场实验室测定C45混凝土初凝时间约3小时),使下部混凝土预收缩一段时间,并将浮浆清除干净后在进行浇注,通过实践这种方法可大大减小收缩量,从而保证了柱顶的平整度。
弹簧减振基础上的汽轮机安装(论文)南天飞龙一.概述早在上世纪七十年代中期,德国西门子公司下属KWU核电制造分部就采用了弹簧减振基础,即将汽轮发电机组安装在一块单独的底板上,为减轻振动,将钢筋混凝土底板通过弹簧支撑在基础上。
它的单机功率为1300MW。
转速n=1500r / min的半速机组,设计结构为一只高压缸和二只低压缸,每台低压缸配置一台凝汽器,凝汽器与低压缸排汽接管焊接在一起,凝汽器位于低压缸底部,坐落在弹簧支座上,弹簧支座承受凝汽器的重量,并补偿垂直方向的热膨胀。
其布置参考下图一。
该T-G机组全长为55M。
图一:1300MW饱和汽轮机组的安装图1——高压缸2——低压缸3——发电机4——励磁机5——截止阀6——汽水分离器/ 中间再热器7.——凝汽器8——新汽阀门9——底板10——弹簧支承11——给水加热器12——蒸汽管道所采用的弹簧减振器系由德国隔尔固(GERB)公司提供,其优点是:汽轮机及平台与基础结构脱离动力耦合,能减低汽轮机发电机组的轴系不振动,保护汽轮机设备免受地震损害,而且在机组大修时,当基础不均匀下沉时,可采用调整弹簧预应力的方法,使轴系较易对中,能方便地调整其靠背轮上下张口值。
目前国内600MW以上的火电与核电机组,如秦山核电站600MW、730MW、大亚湾及岭澳的900MW核电站、上海吴泾、浙江嘉兴等电厂的600MW火电机组,还有石洞口二厂的超临界600MW 火电机组以及外高桥二期的超临界900MW火电机组均未采用弹性基础。
田湾核电站一期的2台1060MW核电汽轮机系俄罗斯列宁格勒金属工厂设计与制造的(见图二),该汽轮发电机组轴系长达72M,却首次在国外采用了弹簧减振基础,列宁格勒金属工厂(简称LMZ)先前已生产同类机组7台(其中6台安装在前苏联乌克兰洛文斯卡亚等核电站,一台安装在现俄罗斯的加里宁斯卡核电站)均未采用弹性基础,又缺乏在弹性基础上安装汽轮机的经验。
此外,俄罗斯圣彼得堡设计院也缺乏设计弹性基础的经验。
三代核电半速汽轮机组与弹簧基础应用摘要:本文论述了半速汽轮机组的优点,是三代核电发展选择。
简述弹簧隔振装置的隔振原理,计算并分析三代核电(桃花江核电)汽轮机组的弹簧隔振装置的隔振效果;文章又简述弹簧基础的其他优点。
最后总结采用半速机和弹簧基础可满足三代核电发展需求。
关键词:三代核电;半速汽轮机组;弹簧隔振装置;常规基础;弹簧基础;系统固有频率;隔振效率桃花江核电Application of Spring Foundation & Semi-speed Turbine-generator in3rd Generation NPP(Tianjin University Science and Technology, Tianjin City, China 300222)Abstract:The paper discusses the Semi-speed Turbine-generator advantages, it is the choice of 3rd generation NPP development. The paper explains the operating principles of spring vibration-isolation mountings, calculates and analyses the vibration-isolation result of spring foundation in 3rd generation nuclear power (Taohuajiang NPP), the paper also introduces its additional advantages. The summary points out the Semi-speed units and spring foundation can satisfy the demand of 3rd generation NPP development.Key words:3rd generation NPP; Semi-speed Turbine-generator units; conventional foundation; Spring vibration-isolation mountings; spring foundation; natural frequency; vibration isolation efficiency; Taohuajiang1概述汽轮发电机基础分为常规框架式基础和弹簧隔振基础两种;常规框架式基础(以下简称常规基础)其主要缺点在于对基础条件要求高,仅适用于地震烈度小的硬地基,基础造价大;振动传递系数大,动力计算复杂,对长轴系、超大、超重的汽轮机组不适应。
论析AP1000汽轮机主要设备结构1 AP1000汽轮机设备简介AP1000核电机组汽轮机采用日本三菱重工技术,关键重要部件进口,由哈尔滨汽轮机厂和三菱联合供货。
汽轮机为工作转速1500转/分的半转速型、单轴、四缸六排汽的反动凝汽式汽轮机,末级动叶片长1375mm,额定输出功率为1251MW。
汽轮机组由1台高压缸和3台低压缸及其辅助设备组成,辅助设备包括主汽阀和主调阀、MSR、盘车装置、转子轴承、润滑油系统、轴封系统和仪表控制等系统。
主汽阀和主调阀布置在高压缸两侧,高压转子和三个低压转子通过刚性联轴器联接成一个轴系,再通过刚性联轴器与发电机转子相联。
两台卧式汽水分离器(MSR)布置在汽轮机本体两侧,用于接收高压缸排汽,通过二级加热后将蒸汽输送至三台低压缸中。
2 汽轮机主要设备结构在汽轮机组中,主汽阀和主调阀、低压缸、高压缸是最重要的设备,其中主汽阀和主调阀对汽轮机的控制调节和保护起着重要作用,高压缸和低压缸模块是汽轮机本体最主要的组成设备。
另外,低压末级叶片结构和防湿对机组通流效率和运行寿命有很大影响,汽轮机滑销系统对机组的定位和运行安全性同样起至关重要的作用。
在这里也将对以上部分结构进行简要分析:2.1 主汽阀和主调阀汽轮机共有4个主汽门(MSV)和4个主调门(GV),组成2台联合阀组布置在高压缸两侧,每个联合阀组两端为MSV,中间为2台GV,如图1所示。
其中一个主汽阀的进汽端用刚性支撑,另一进汽端为挠性支撑,用于平衡阀门轴向膨胀力和振动。
4台主汽阀为带先导阀的非平衡活塞式阀门,主调阀为带消音器的平衡活塞式阀门。
在主汽阀的结构中,设置了一个先导阀(pilot valve)。
在机组启动过程中,首先开启先导阀,确保汽轮机部件均匀受热,并且在汽轮机从静止升速至额定转速的过程中,先导阀保持全开状态,以减小阀座附近的蒸汽速度,从而减小蒸汽对阀座的直接冲击和腐蚀。
考虑到安装空间的限制,MSV的油动机垂直于阀杆运动方向,为此在两者之间设置一套连杆传递装置,如图2所示。
弹簧减振基础上的汽轮机安装(论文)南天飞龙一.概述早在上世纪七十年代中期,德国西门子公司下属KWU核电制造分部就采用了弹簧减振基础,即将汽轮发电机组安装在一块单独的底板上,为减轻振动,将钢筋混凝土底板通过弹簧支撑在基础上。
它的单机功率为1300MW。
转速n=1500r / min的半速机组,设计结构为一只高压缸和二只低压缸,每台低压缸配置一台凝汽器,凝汽器与低压缸排汽接管焊接在一起,凝汽器位于低压缸底部,坐落在弹簧支座上,弹簧支座承受凝汽器的重量,并补偿垂直方向的热膨胀。
其布置参考下图一。
该T-G机组全长为55M。
图一:1300MW饱和汽轮机组的安装图1——高压缸2——低压缸3——发电机4——励磁机5——截止阀6——汽水分离器/ 中间再热器7.——凝汽器8——新汽阀门9——底板10——弹簧支承11——给水加热器12——蒸汽管道所采用的弹簧减振器系由德国隔尔固(GERB)公司提供,其优点是:汽轮机及平台与基础结构脱离动力耦合,能减低汽轮机发电机组的轴系不振动,保护汽轮机设备免受地震损害,而且在机组大修时,当基础不均匀下沉时,可采用调整弹簧预应力的方法,使轴系较易对中,能方便地调整其靠背轮上下张口值。
目前国内600MW以上的火电与核电机组,如秦山核电站600MW、730MW、大亚湾及岭澳的900MW核电站、上海吴泾、浙江嘉兴等电厂的600MW火电机组,还有石洞口二厂的超临界600MW 火电机组以及外高桥二期的超临界900MW火电机组均未采用弹性基础。
田湾核电站一期的2台1060MW核电汽轮机系俄罗斯列宁格勒金属工厂设计与制造的(见图二),该汽轮发电机组轴系长达72M,却首次在国外采用了弹簧减振基础,列宁格勒金属工厂(简称LMZ)先前已生产同类机组7台(其中6台安装在前苏联乌克兰洛文斯卡亚等核电站,一台安装在现俄罗斯的加里宁斯卡核电站)均未采用弹性基础,又缺乏在弹性基础上安装汽轮机的经验。
此外,俄罗斯圣彼得堡设计院也缺乏设计弹性基础的经验。
第43卷增刊2010年8月武汉大学学报(工学版)Engineering Journal of Wuhan UniversityVol.43Sup.Aug.2010作者简介:尹学军(1962-),男,山东青州市人,德国工学博士,隔而固(青岛)振动控制有限公司总经理,中国工程建设标准化协会建筑振动专业委员会副秘书长,中国环境保护产业协会噪声与振动控制委员会常务委员.文章编号:1671-8844(2010)S1-0244-04AP1000三菱核电半速汽轮发电机组固定基础与弹簧基础动刚度的探讨尹学军1,周建章2,邵晓岩1,王建立1,房俊喜1(1.隔而固(青岛)振动控制有限公司,山东青岛 266108;2.华东电力设计院,上海 200063)摘要:AP1000三菱核电半速汽轮发电机组采用弹簧基础后,会不会影响机组的轴系临界转速?这是汽轮机工程师希望回答的一个关键问题.在计算机组轴系临界转速时,轴系支承刚度是轴承油膜刚度(包括轴承座刚度)与基础支承刚度的串联和.对固定基础,往往会给人基础的支承刚度为无穷大的感觉.其实这个概念不确切,因为振动是动态问题,牵涉到固有频率(特征值)与模态振型(特征向量)等动态概念,不能用静态概念解决.确切的概念应该用基础的动刚度,而不是静刚度,所以固定基础的支承刚度并不是无穷大.为此,在对弹簧基础进行优化设计后,进行了10~50Hz范围内AP1000三菱机组固定基础与弹簧基础的动刚度的对比计算分析.计算结果表明,弹簧基础与固定基础的动刚度都是有限值,频域曲线相互交错,数量级相同,最小值都容易做到大于2×106kN/m,符合Siemens与Alstom公司的要求.由此可以期望弹簧基础基本不会改变机组的轴系临界转速.另外,介绍怎样对弹簧基础进行优化设计,使其动刚度在10~50Hz频域范围内都大于2×106kN/m.关键词:AP1000三菱核电半速汽轮发电机组;常规固定基础;弹簧基础;动刚度中图分类号:TU 476.1 文献标志码:AStudy of dynamic stiffnesses of conventional and spring foundationsfor AP1000Mitsubishi nuclear half speed turbo-generator setYIN Xuejun1,ZHOU Jianzhang2,SHAO Xiaoyan1,WANG Jianli 1,FANG Junxi 1(1.GERB(Qingdao)Vibration Control Co.Ltd.,Qingdao 266108,China;2.East China Electric Power Design Institute,Shanghai 200063,China)Abstract:If a spring foundation is used for AP1000Mitsubishi nuclear half speed turbo-generator(T/G)set,a key question needs to be answered for turbine engineers:if the critical speed of the shaft system ofthe T/G set will be highly changed?Sum of the stiffness in series by oil film’s,including the pedestal’s,and the foundation’s is used to calculate the critical speed.Infinity seems to be usually taken as thestiffness for the conventional foundation.It is incorrect,because vibration,including eigenvalues andeigenvectors,can only be resolved dynamically,not statically;so that a dynamic stiffness,not static oneshould be used as the foundation one.A comparative analysis of the dynamic stiffness in the area within10~50Hz for both the conventional one and an optimized spring one is performed.The result showsthat the dynamic stiffness for both foundations is of a limited value with the same in order of magnitude,inter-sected within10~50Hz and the minimum easily to be higher than 2×106kN/m.It is requested by Siemens andAlstom to ensure not to change the critical speed,when the foundation is changed from a conventional to springone.In addition,how to optimize the spring foundation to ensure the minimum dynamic stiffness for the springfoundation to be higher than 2×106kN/m will be introduced in the paper. 增刊尹学军,等:AP1000三菱核电半速汽轮发电机组固定基础与弹簧基础动刚度的探讨Key words:AP1000Mitsubishi nuclear half speed T/G set;conventional foundation;spring foundation;dynamic stiffness1 概述在计算汽轮发电机组轴系各段转子的临界转速时,各个轴承的支承刚度为该轴承的油膜刚度与基础支承刚度的串联和.需要说明的是,此处的基础支承刚度应该是动刚度.在线性系统中,结构的振幅与激振力成正比,而与结构的动刚度成反比:A=P/Kd(1)式中:A表示结构振幅;P表示激振力;Kd表示结构动刚度,Kd=KC/u(2)其中:KC表示结构静刚度;u表示结构动力放大系数.由公式(1)、(2)可见,结构的动刚度除与静刚度有关外,还与结构动力放大系数有关,因此,不能简单地认为固定基础的动刚度一定比弹簧基础的动刚度大.为说明这个问题,本文以国内某电厂AP1000三菱核电半速机组为例,对已知固定基础,专门设计了一个弹簧基础,然后对两种基础的动刚度进行比较,得出一些结论,供以后设计参考.2 基础动刚度分析2.1 输入数据已知的数据为AP1000三菱核电半速机组固定基础的原始资料,其中材料数据如下:混凝土强度等级:C35,混凝土弹性模量:E=31 500N/mm2,混凝土密度:D=2.5t/m3,混凝土泊松比:0.2.取弹簧基础台座的尺寸,相同于固定基础台座的尺寸.根据机器与台座的静重载荷分布,计算每个柱顶上的静重载荷,再由每个柱顶上的静重载荷,选择该柱顶上应该布置的合适型号的弹簧隔振器的组合.每个柱顶上选定的弹簧隔振器型号及其刚度见表1.由于弹簧基础隔离了机器动载荷到下部基础的传递,所以各个立柱不再承受动载荷,而只承受静载荷,AP1000三菱核电半速机组弹簧基础立柱的尺寸便可以比固定基础的尺寸大大缩小,初步选择的弹簧基础的各个立柱截面的长、宽尺寸(B×H)分别为1.6m×1.6m、2.0m×2.0m、2.0m×2.5m、2.0m×3.5m不等,具体见表2.表1 柱顶弹簧隔振器选型及刚度柱号节点号弹簧隔振器刚度/(kN·mm-1)垂向水平向C1 1001 108.7 16.5C2 1002 108.7 16.5C3 1003 241.2 36.3C4 1004 241.2 36.3C5 1005 365.3 54.0C6 1006 365.3 54.0C7 1007 523.7 77.4C8 1008 523.7 77.4C9 1009 523.7 77.4C10 1010 523.7 77.4C11 1011 375.2 55.5C12 1012 375.2 55.5C13 1013 127.6 19.0C14 1014 127.6 19.0表2 中间立柱截面尺寸柱号截面尺寸(B×H)/m柱计算高度/m柱垂向刚度/(kN·mm-1)弹簧垂向刚度/(kN·mm-1)刚度比C1 1.6×1.6 21.75 3 707.6 108.7 34.1C2 1.6×1.6 21.75 3 707.6 108.65 34.1C3 2.0×2.0 21.75 5 793.1 241.2 24.0C4 2.0×2.0 21.75 5 793.1 241.2 24.0C5 2.0×2.5 21.05 7 482.2 365.3 20.5C6 2.0×2.5 21.05 7 482.2 365.3 20.5C7 2.0×3.5 20.35 10 475.1 523.7 20.0C8 2.0×3.5 20.35 10 475.1 523.7 20.0C9 2.0×3.5 20.35 10 475.1 523.7 20.0C10 2.0×3.5 20.35 10 475.1 523.7 20.0C11 2.0×2.0 20.85 6 043.2 375.2 16.1C12 2.0×2.0 20.85 6 043.2 375.2 16.1C13 1.6×1.6 21.35 3 777.0 127.6 29.6C14 1.6×1.6 21.35 3 777.0 127.6 29.6 根据德国标准DIN 4024,如果台座脱离立柱单独建模进行静力与动力分析,则必须立柱相对于该柱顶上布置的弹簧隔振器为刚性,即立柱的垂向刚度必须至少10倍大于该立柱顶上布置的弹簧隔振器的总垂向刚度.核算的刚度比见表2.2.2 动刚度分析根据三菱机组基础设计准则,需要计算工作转542武汉大学学报(工学版)第43卷速25Hz±20%范围内的振动响应.故动刚度分析时,在每个轴承点位置施加单位扰力,然后计算该点在20~30Hz频率范围内的振动幅值,即可得出动刚度:Ki,dyn=Fi,fyn/ui(3)式中:Ki,dyn表示轴承点i处的动刚度;Fi,fyn表示输入的动态扰力,此处为单位力;ui表示轴承点i处的振动位移幅值.计算所得固定基础动刚度的最值如表3所示.弹簧基础的动刚度最值如表4所示.表3 固定基础动刚度最值轴承垂向动刚度最值/(1.0×106 kN/m)水平向动刚度最值/(1.0×106 kN/m)最大/kV频率/Hz最小/kV频率/Hz最大/kV频率/Hz最小/kV频率/Hz1 22.23 28.9 7.56 24.67 37.58 29.88 13.44 20.172 15.73 26.41 9.29 20.15 44.37 25.83 11.2 20.173 13.80 23.47 5.25 29.88 28.89 25.83 11.02 20.174 24.28 23.03 14.46 20.15 58.42 26.72 31.80 23.475 25.98 23.47 15.94 20.96 50.10 26.59 26.7 23.126 28.44 24.07 14.66 20.80 53.03 29.60 25.42 23.127 27.52 23.76 12.06 20.96 53.55 20.15 24.76 23.038 21.22 20.96 8.21 29.88 23.10 26.41 16.23 20.159 57.17 29.88 4.03 20.15 30.83 27.12 4.21 20.1510 112.22 27.87 2.88 20.15 50.03 29.88 2.44 20.15表4 弹簧基础动刚度最值轴承垂向动刚度最值/(1.0×106 kN/m)水平向动刚度最值/(1.0×106 kN/m)最大/kV频率/Hz最小/kV频率/Hz最大/kV频率/Hz最小/kV频率/Hz1 53.44 28.1 12.75 20.0 14.53 24.4 2.72 20.02 22.72 20.0 2.63 30.0 127.50 21.8 6.96 25.83 14.6 20.0 2.56 30.0 155.30 22.6 11.63 25.94 11.46 20.0 1.62 30.0 84.01 24.7 21.14 20.05 12.35 20.0 1.68 30.0 137.60 28.9 23.26 20.06 12.59 20.0 1.63 30.0 225.40 23.2 27.58 25.87 11.57 20.0 1.62 30.0 191.40 23.2 20.00 25.98 106.9 29.2 33.37 22.1 98.86 23.4 12.31 25.99 126.3 29.5 50.93 20.0 125.90 23.0 12.88 25.910 57.35 30.0 18.59 20.0 68.48 30.0 14.02 20.02.3 两种基础动刚度比较从上述图表可以看出,固定基础垂向动刚度最小值为2.88×106 kN/m,位于轴承点10处的发电机侧.水平动刚度最小值为2.44×106 kN/m,也是位于轴承点10处的发电机侧.而对于弹簧基础,垂向动刚度最小值为1.62×106 kN/m,位于低压缸中间的轴承点4、5、6、7处.水平动刚度最小值为2.72×106 kN/m,位于高压缸处的轴承点1处.由固定基础到弹簧基础,汽机基础动刚度的薄弱部位由发电机侧变为低压缸处,原因是采用弹簧基础后,低压缸位置处的两道横向剪力墙被删剪,下部结构为通过一根横梁相联的梁柱框架结构,直接导致基础顶板低压缸位置动刚度减小,而成了薄弱环节.根据欧洲制造厂家的弹簧基础设计准则,只有当各个轴承处基础动刚度都大于2.0×106 kN/m(对于本机组,应为2.44×106 kN/m,即保证弹簧基础动刚度不小于固定基础的动刚度)时,才能保证基础支承刚度与油膜刚度串联后,不影响各段转子的临界转速.因此,需要对该弹簧基础的尺寸进行调整,加强薄弱部位的静刚度,使其动刚度满足临界转速的要求.3 弹簧基础尺寸的优化3.1 下部结构(立柱)截面长、宽尺寸的优化由弹簧基础台座的动力分析发现,振动模式中前3阶模态振型下部结构与上部基础顶板一起参与水平变形及振动.这表明,下部结构与上部结构没有完全解耦,个别立柱的水平刚度偏小,需要加642 增刊尹学军,等:AP1000三菱核电半速汽轮发电机组固定基础与弹簧基础动刚度的探讨大柱截面尺寸.分析前3阶模态振型,发现发电机侧的立柱1、2和3、4以及高压缸侧端部的柱13、14存在二阶弯曲变形,说明这6根立柱较其他立柱柔,需要优化,加大尺寸.优化后立柱的长、宽尺寸(B×H),柱1、2、13与14由1.6m×1.6m加大到2.2m×2.2m;柱3、4、11与12由2.0m×2.0m加大到2.0m×2.5m.这里将柱11与12的宽尺寸(H)也同时加大了.3.2 基础台座(横梁)厚度的优化由弹簧基础台座的动力分析还发现,低压缸部位基础台座的垂向动刚度偏小,说明此处横梁截面的高度偏小,需要加高横梁尺寸.固定基础时,这根横梁的下面是一道连续的剪力墙,这里不可能布置任何管道与机器零件,所以允许弹簧基础沿横向通长加高横梁.这样,会使弹簧隔振器顶面的标高下降,从而降低了相应立柱的高度,并同时提高了立柱的动刚度.优化后,两个低压缸之间的横梁截面高度通常加高了800mm,相应的立柱顶面标高也降低了800mm.由于高压缸位置处的水平动刚度也偏小,此处横梁高度加大了300mm.对优化后的基础台座再次进行动刚度分析,结果比较理想.在20~30Hz范围内,基础台座的垂向最小动刚度为4.3×106 kN/m>2.0×106 kN/m,水平最小动刚度为3.8×106 kN/m>2.0×106kN/m,均能满足要求.因为发电机转子的临界转速小于20Hz,如将动刚度的分析计算范围扩大到10~50Hz范围,分析计算发现,在扩大了的频率范围内,固定基础的最小动刚度略大于2.0×106 kN/m,弹簧基础的最小动刚度也略大于2.0×106 kN/m.4 讨论4.1 10个轴承、10条动刚度频域曲线忽高忽低、相互缠绕、波浪起伏的含义 无论固定基础还是弹簧基础,10个轴承、10条动刚度频域曲线都是一样的忽高忽低、相互缠绕、波浪起伏地变化,说明动刚度不是定值.无论固定基础或是弹簧基础,从0到半速机组额定转速的25Hz,每个轴承都有很多个固有频率会响应振动.如果激振频率远离响应的固有频率,动刚度就将很大;反之,动刚度就很小.前面已经分析,检查动力分析得到的模态振型,就可以找到动刚度的薄弱环节,针对薄弱环节可以通过修改立柱、台座有关的尺寸,提高台座与立柱的动刚度,满足德国汽轮发电机组基础的设计标准DIN 4024与制造厂家对最小动刚度的限制要求.4.2 弹簧基础与固定基础的动刚度频域曲线在相同数值范围的含义 将弹簧基础与固定基础的动刚度频域曲线进行对比,可以看出,两者处于相同的数值范围内.这意味着弹簧基础不会影响到汽轮发电机组轴系各段转子的临界转速.如果有影响可通过对立柱与台座的局部尺寸进行修改,可以将台座的动刚度与机组的临界转速修改到许可值范围内.将AP1000三菱核电半速机组的基础从固定基础改为弹簧基础,可将系统的固有频率从19.63Hz减小到3.0Hz,极大地远离了共振区域;由于解除了立柱对台座的牵连作用,大大改善了台座的受力;可以极大地减小混凝土的土方量,从而节省了核电站一次投资;可以在台座下面腾出将近160m2的空间,用来布置管道与设备.而弹簧基础不会影响机组轴系的临界转速,或影响极小.2004年12月,上海发电设备成套设计研究所与隔而固公司合作,曾对一台美国西屋型600MW机组原有的固定基础与隔而固专门设计的弹簧基础完成了轴系各段转子临界转速的对比计算,变化在±1.7%范围以内,其余各项指标都符合“设计规范”的要求.5 结论通过固定基础与弹簧基础动刚度的对比计算与前面的分析,可以得出结论如下:1)两种基础的动刚度频域曲线互有高低,曲线之间相互缠绕、波浪起伏,但在相同的数值范围内,没有任何根据可以得出“固定基础的动刚度在任何频率下都比弹簧基础的高”的结论.2)弹簧基础的动刚度是可以调整的,因此,如果初步设计的布置方案经动力分析后发现局部动刚度偏小,可以通过修改立柱与台座某些部位的尺寸给予提高.3)相对于固定基础,弹簧基础对汽轮发电机组轴系各段转子临界转速的影响,可以肯定控制在2%~3%范围内.742。