核電常規(guī)島汽輪機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)綜述

王 學(xué) 民

(中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 310012)

1 汽輪發(fā)電機組基礎(chǔ)動力分析概述

汽機基礎(chǔ)動力特性設(shè)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(zhuǎn)速和臨界轉(zhuǎn)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(guī)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(jié)構(gòu)動力學(xué)方程，需要給定作用在結(jié)構(gòu)上的擾力、體系的阻尼，同時還要規(guī)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(guī)范對允許振動線位移的規(guī)定出入很大，不僅數(shù)量上有差別，而且控制位置也不相同。如果明確規(guī)定控制基礎(chǔ)振動，則應(yīng)計算并控制軸承與基礎(chǔ)連接點的振幅；如果規(guī)定控制軸承振動，則應(yīng)計算并控制軸承蓋的振幅。

2 汽機基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式

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

國際上有兩種汽機基礎(chǔ)的設(shè)計理念：一種是美國的理念，用大質(zhì)量來減小振動。基于這樣的理念，美國機組的基礎(chǔ)都設(shè)計得非常大，立柱的尺寸經(jīng)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(chǔ)進行調(diào)頻。將系統(tǒng)(機器與基礎(chǔ)臺板)的垂直固有頻率從常規(guī)固定基礎(chǔ)的15 Hz～20 Hz降低到3 Hz～4 Hz。系統(tǒng)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(chǔ)與彈簧隔振基礎(chǔ)之間的柔性基礎(chǔ)，在核電基礎(chǔ)領(lǐng)域沒有應(yīng)用，而在常規(guī)火電百萬機組中有較多的應(yīng)用。

2.1 剛性基礎(chǔ)

汽輪發(fā)電機坐落于基礎(chǔ)頂板上，當(dāng)汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的頂板直接由鋼筋混凝土的柱(或連續(xù)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(chǔ)，簡稱剛性基礎(chǔ)。為增大基礎(chǔ)剛度和自振頻率，采用胖柱厚板的結(jié)構(gòu)形式。其地震反應(yīng)要比彈性基礎(chǔ)大得多。

在美洲及其聯(lián)盟國家有大量的應(yīng)用剛性基礎(chǔ)的工程經(jīng)驗，日本三菱在24臺日本核電站采用剛性汽機基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)大量的1 000 MW等級機組工程，如玉環(huán)、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(chǔ)。

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(guī)剛性框架式基礎(chǔ)。

2.2 柔性基礎(chǔ)

柔性基礎(chǔ)與剛性基礎(chǔ)相比基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面較小，整體剛度更小。上海汽輪發(fā)電機廠的1 000 MW等級機組汽機基礎(chǔ)設(shè)計為典型的歐洲柔性基礎(chǔ)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面較小，且基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置受制造廠的限制較多，進一步優(yōu)化的空間有限。目前國內(nèi)的玉環(huán)、寧海、嘉興三期等工程均采用該機型。

2.3 彈簧隔振基礎(chǔ)

在常規(guī)柔性基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上，增加彈簧隔振，成為更柔的彈簧隔振基礎(chǔ)。新建的大容量核電機組很多采用了彈簧隔振基礎(chǔ)。目前國內(nèi)田灣核電站(2×1 000 MW)采用彈簧隔振基礎(chǔ)，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(chǔ)。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(chǔ)。

田灣核電3號、4號機組，采用了哈汽的汽輪發(fā)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(chǔ)設(shè)計。彈簧隔振基礎(chǔ)特點如下：

1)彈簧基礎(chǔ)是采用隔振方案將汽輪機與下部基礎(chǔ)在動力意義上分開，柱子僅承受上部結(jié)構(gòu)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(chǔ)相比，彈簧基礎(chǔ)具有更好的抗震性能，可以大大減小臺板的加速度響應(yīng)。但其相對位移更大，因此管道連接應(yīng)充分考慮地震作用下的位移差；

3)通過調(diào)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(chǔ)對地基不均勻沉降有一定的可調(diào)節(jié)能力；

5)彈簧隔振基礎(chǔ)的設(shè)計，需要跟汽輪機廠家以及隔振廠家協(xié)同配合進行。

3 三大動力百萬級核電汽輪機適用的基礎(chǔ)型式和差異

3.1 汽輪機形式

常見的三大動力汽輪發(fā)電機機型參數(shù)具體如下：

1)哈爾濱電氣采用較原引進技術(shù)的改進型汽機基礎(chǔ)方案，半轉(zhuǎn)速四缸六排汽機型；

2)上海電氣采用擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的半轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)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(chǔ)

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

表1 哈電汽輪機基礎(chǔ)兩種方案比較

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

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

當(dāng)采用彈性基礎(chǔ)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(chǔ)產(chǎn)生真空力，且真空吸力隨著負(fù)荷的變化而變化，從而導(dǎo)致低壓部分的基座變形較大而影響軸系的對中和穩(wěn)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(chǔ)

上海汽輪機廠設(shè)計生產(chǎn)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(yīng)堆的機型全部采用彈簧基礎(chǔ)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(chǔ)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(yù)拉載荷，以保證汽缸的穩(wěn)定性。該載荷最終通過低壓缸傳遞到頂板上，由頂板承擔(dān)。

3.4 東方電氣的汽機基礎(chǔ)

東方電氣設(shè)計生產(chǎn)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(fā)電機組基礎(chǔ)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(chǔ)型式和汽輪機支撐結(jié)構(gòu)已確定，對比、總結(jié)見表2。

表2 AP1000項目汽輪機基礎(chǔ)型式和汽輪機支撐結(jié)構(gòu)對比

4 結(jié)語

彈性基礎(chǔ)與剛性基礎(chǔ)各有優(yōu)、劣，是兩種不同的技術(shù)路線，均為國際上采用和認(rèn)可的成熟的設(shè)計技術(shù)。

國內(nèi)三家汽輪機基礎(chǔ)供應(yīng)方均具備AP1000項目汽輪機基礎(chǔ)的設(shè)計、供貨能力，并已經(jīng)確定了設(shè)備設(shè)計方案和基礎(chǔ)型式，具體如下：

上海電氣、東方電氣汽輪機基礎(chǔ)設(shè)計方案使用彈簧隔振基礎(chǔ)，不建議使用剛性基礎(chǔ)。

哈電股份汽輪機基礎(chǔ)設(shè)計方案可使用剛性基礎(chǔ)，也可使用彈簧隔振基礎(chǔ)，基礎(chǔ)型式由購買方確定。兩種基礎(chǔ)型式對哈電股份汽輪機基礎(chǔ)主設(shè)備的技術(shù)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(chǔ)，機組尚未運行，技術(shù)方案的合理性有待實際運行情況的驗證。

汽輪機基礎(chǔ)采用彈簧隔振方案，可有效降低機組自振頻率與基礎(chǔ)固有頻率耦合產(chǎn)生共振的風(fēng)險，具有更好的抗震性能。汽輪機基礎(chǔ)彈簧隔振基礎(chǔ)與剛性基礎(chǔ)相比，更有利于土建結(jié)構(gòu)與工藝布置設(shè)計，對廠房地基不均勻沉降具有一定的調(diào)節(jié)能力。但彈性基礎(chǔ)增加彈簧隔振器及必要的設(shè)備維護，在管道布置設(shè)計應(yīng)充分考慮地震作用下較大的位移量。

彈性基礎(chǔ)比常規(guī)固定基礎(chǔ)的工程直接投資費用略低。

核電項目大容量半速汽輪發(fā)電機組采用彈性基礎(chǔ)具有廣泛且成熟的業(yè)績，是業(yè)內(nèi)技術(shù)發(fā)展的趨勢。

根據(jù)以上分析，彈簧隔振基礎(chǔ)已成為當(dāng)前大型核電汽輪機基礎(chǔ)的主流形式，各廠家的汽機均已有業(yè)績，且采用彈簧隔振后有諸多優(yōu)點，可在工程中采用彈簧隔振基礎(chǔ)形式。