某儲能發(fā)電機組公共底座設(shè)計及分析

陳秋紅，李東超，楊延濤，陳彥，賈奕健，王昊

（1.中國船舶重工集團公司 第七一一研究所，上海 200090；2.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室，上海 200090）

0 引言

儲能發(fā)電機組是在標(biāo)準(zhǔn)柴油發(fā)電機組的柴油機和發(fā)電機之間增加大慣量飛輪進行機械儲能，以滿足瞬變負(fù)荷功率頻繁突加突卸的用電需求，適用于負(fù)荷頻繁突變且用電品質(zhì)要求較高的環(huán)境[1]，以及負(fù)載做周期性波動的脈沖發(fā)電機組[2]。儲能發(fā)電機機組可靠、環(huán)保、經(jīng)濟，是頗具發(fā)展前景的一類發(fā)電機組蓄能技術(shù)[3]。儲能發(fā)電機組主要由柴油發(fā)動機、發(fā)電機、儲能裝置（含儲能飛輪）和公共底座組成。公共底座作為儲能發(fā)電機組的基座，是機組安全起吊和穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。因此公共底座的強度和剛度必須滿足起吊工況和運行工況的需求，才能保證機組安全和工作性能。

以某碼頭電站的儲能發(fā)電機組公共底座為研究對象，完成了公共底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采用有限元靜力分析方法對公共底座的強度和剛度進行了計算和分析。分析結(jié)果及實際使用結(jié)果表明，公共底座設(shè)計滿足要求。

1 公共底座設(shè)計

公共底座整體采用焊接框架結(jié)構(gòu)，縱梁及橫梁均采用矩形鋼。矩形鋼截面抗彎系數(shù)大，抗彎能力強，可保證公共底座在水平及垂直方向都具有較好的剛度。根據(jù)儲能發(fā)電機組設(shè)備布置方式，公共底座由發(fā)動機支座、發(fā)電機支座、儲能裝置支座、縱梁和若干橫梁組成。公共底座側(cè)面設(shè)計4個吊耳，用于公共底座吊裝及組裝后儲能發(fā)電機組的整體起吊。公共底座三維模型如圖1所示。

圖1 公共底座三維模型

2 有限元分析模型

2.1 三維模型建立

為了更好地模擬公共底座變形和應(yīng)力，同時在三維軟件中建立了發(fā)動機、發(fā)電機及儲能裝置的簡化三維模型。發(fā)動機及發(fā)電機的實際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在保證其質(zhì)量、質(zhì)心位置與原結(jié)構(gòu)一致的前提下，建立簡化的三維模型即可滿足要求。儲能發(fā)電機組三維模型如圖2所示?？紤]計算的經(jīng)濟性，忽略公共底座上的安裝孔、倒角、圓角等特征。將完成的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件，進行靜力學(xué)分析。

圖2 儲能發(fā)電機組有限元分析模型

2.2 材料屬性

公共底座矩形鋼及鋼板材質(zhì)均采用Q235-B，靜力學(xué)分析所需要的材料屬性定義如表1所示。

表1 公共底座材料屬性

2.3 網(wǎng)格劃分

發(fā)動機和發(fā)電機形狀規(guī)則，故采用六面體網(wǎng)格，單元尺寸為80 mm；其余部分均采用自適應(yīng)網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為40 mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果：模型的節(jié)點總數(shù)為484 177，單元總數(shù)為173 546，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 儲能發(fā)電機組有限元網(wǎng)格

2.4 工況設(shè)置

根據(jù)儲能發(fā)電機組不同工況，分別對公共底座在發(fā)電機組整體吊裝和發(fā)電機組運行兩種工況進行受力分析。

2.4.1 起吊工況

大型設(shè)備吊裝時起重設(shè)備運行緩慢，可近似認(rèn)為機組吊耳處的起吊力與重力及其他附加載荷（如風(fēng)載、附著力等）始終平衡?？紤]裝配誤差、不均勻受力系數(shù)及其他附加載荷（如風(fēng)載、附著力等），起吊工況載荷按照2倍重力載荷考慮。

邊界條件：約束4個吊耳底面X向、Y向、Z向的位移，3個方向的位移均為0。

載荷：1）機組整體施加2g重力加速度；2）在4個吊耳吊孔處平均施加、合計為F=2G的起吊力（G為機組整體重力載荷）。

2.4.2 運行工況

運行工況時，發(fā)電機組僅受重力和柴油機運轉(zhuǎn)過程中因柴油機燃燒過程及曲軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的附加振動載荷，分析中取2g的重力載荷作為計算載荷。

約束：約束底部24個安裝底板的X向、Y向、Z向的位移，3個方向的位移均為0。

載荷：機組整體施加2g重力加速度。

3 靜力分析結(jié)果

3.1 發(fā)電機組起吊工況

3.1.1 公共底座最大von-Mises等效應(yīng)力分析結(jié)果

起吊工況時公共底座最大von-Mises等效應(yīng)力為160.5 MPa，位于縱梁與發(fā)動機支座接觸部位。總體Von -Mises等效應(yīng)力云圖及局部位置應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 公共底座von-Mises等效應(yīng)力云圖（吊裝工況）

根據(jù)機械設(shè)計手冊[5]，當(dāng)σs/σb=0.55～0.7時，最小許用安全系數(shù)取1.4～1.8。機組吊裝過程為靜載且僅為有限次數(shù)的加載，因此取較小的安全系數(shù)S=1.4，則起吊工況許用應(yīng)力：

最大von-Mises等效應(yīng)力160.5 MPa＜[σ]L=167.9 MPa。

3.1.2 公共底重要部位應(yīng)力分析結(jié)果

發(fā)動機支座及下端橫梁、發(fā)電機支座及下端橫梁、軸承支座及下端橫梁處為重要承載焊縫，由圖5可以看出，最大焊縫應(yīng)力位于縱梁上與發(fā)電機支座接觸的位置，最大von-Mises應(yīng)力數(shù)值為157.63 MPa＜[σ]L=167.9 MPa。

圖5 公共底座重要焊接部位von-Mises等效應(yīng)力云圖（起吊工況）

圖6 吊耳von-Mises 等效應(yīng)力和變形結(jié)果

3.1.3 公共底座吊耳分析結(jié)果

起吊工況時，吊耳的最大應(yīng)力位于吊耳孔中心和吊耳上端與縱梁吊耳加強板的接觸邊緣，最大von-Mises應(yīng)力值115.75 MPa ＜[σ]L=167.9 MPa。吊耳最大變形位于吊耳的最外緣，最大變形為0.1028 mm。吊耳強度和剛度滿足設(shè)計要求。

3.1.4 公共底座剛度分析結(jié)果

起吊工況時公共底座最大變形為2.9 mm，位于公共底座縱梁的發(fā)動機端部。參照GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]，受彎構(gòu)件變形容許值為l/400。公共底座寬度方向l=2050 mm，變形容許值為5.125 mm。起吊時公共底座剛度滿足規(guī)范要求，變形云圖如圖7所示。

圖7 公共底座變形云圖（起吊工況）

3.2 發(fā)電機組行工況

3.2.1 公共底座剛度結(jié)果

根據(jù)機械設(shè)計手冊[5]，當(dāng)σs/σb=0.55～0.70時，最小許用安全系數(shù)取1.4～1.8。機組運行過程中有輕微沖擊，因此許用安全系數(shù)取1.8，則運行工況許用應(yīng)力[σ]O=σs/S=235/1.8=130.6 MPa。運行工況von-Mises等效應(yīng)力云圖如圖8所示,最大應(yīng)力位于發(fā)動機支座處下面的底部安裝板位置，最大值為98.5 MPa＜[σ]O=130.6 MPa。

圖8 公共底座von-Mises等效應(yīng)力云圖（運行工況）

3.2.2 重要部位強度結(jié)果

公共底座發(fā)動機支座及下端橫梁、發(fā)電機支座及下端橫梁、軸承支座及下端橫梁處為重要承載焊縫。Von-Mises等效應(yīng)力云圖如圖9所示。最大von-Mises應(yīng)力位置在發(fā)動機支座處，最大應(yīng)力值為58.477 MPa＜[σ]O=130.6 MPa。

圖9 重要焊接部位von-Mises等效應(yīng)力云圖（運行工況）

3.2.3 公共底座剛度分析結(jié)果

公共底座的變形會影響發(fā)電機組運行過程中軸系的對中精度，因此需控制公共底座變形＜0.1 mm。經(jīng)分析，運行工況下公共底座最大變形為0.095 mm＜0.1 mm，公共底座變形云圖如圖10所示。

圖10 公共底座變形云圖（運行工況）

運行工況下，還需控制發(fā)動機支座頂部安裝板、發(fā)電機支座頂部安裝板、儲能裝置頂部安裝板的垂向變形，防止對發(fā)動機、發(fā)電機及儲能裝置的軸系軸承造成損壞。提取運行工況下各安裝板垂向變形，如表2所示。由表2可以看出，各板垂向變形均＜0.1 mm，且變形方向一致，因此各安裝板變形對機組運行狀態(tài)無明顯影響，可滿足機組運行要求。

表2 安裝板垂向變形結(jié)果提取

4 結(jié)論

1）通過有限元分析軟件對儲能發(fā)電機組公共底座的強度和剛度進行了分析，分析結(jié)果表明，公共底座在起吊和運行時的強度和剛度，均滿足設(shè)計要求。

2）該儲能發(fā)電機組已經(jīng)完成組裝和臺架性能試驗，期間進行了多次起吊轉(zhuǎn)運作業(yè)，起吊過程中公共底座整體及吊耳處均無明顯變形。卸載后檢查，吊耳耳孔無變形、裂紋等損壞，公共底座焊縫完好。復(fù)測機組對中數(shù)據(jù)，對中數(shù)據(jù)良好。臺架試驗性能測試結(jié)果良好，性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

3）實際運行結(jié)果表明，本文所使用的公共底座有限元分析方法合理，結(jié)果較為可靠，可應(yīng)用于相似的工程項目，提高公共底座設(shè)計的可靠性。