大型汽轮发电机基座不均匀沉降及其影响

󰀂施工技术󰀂

大型汽轮发电机基座不均匀沉降及其影响

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谢尉扬

(浙江省电力建设总公司,宁波市,315800)

[摘󰀁要]󰀁大容量汽轮发电机组混凝土基座尺寸大、荷载重,受地基、结构、荷载、温度等因素的影响,可能产生不均匀沉降。由于汽轮发电机的安装过程处在基座沉降速度较快的阶段,因此对汽轮发电机水平度、中心的调整影响很大,必须从设计、安装、运行等方面采取相应措施。[关键词]󰀁汽轮发电机基座󰀁不均匀沉降󰀁水平度󰀁中心

󰀁󰀁随着汽轮发电机组容量的不断增大,其混凝土基座的尺寸也越来越大,例如北仑发电厂二期工程四缸四排汽的600MW机组,基座底板尺寸51m 14.4m,顶板尺寸48.5m 12m,整体高度18.2m。如此庞大的钢筋混凝土结构,应直接或通过端承桩支承在岩基上,但对于沿海地区的软土地质条件,如果岩层很深,在设计上一般采用摩擦桩承力。由于地层的成因、分布、厚度等差异,不同地基均存在沉降现象,特别是在受荷载后其沉降速率将更快。对于汽轮发电机基座而言,均匀的沉降对汽轮发电机本体的安装影响不大,但不均匀沉降对安装的影响较大。

它是影响基座沉降的重要因素,对地基而言,它是不均匀地分布的,一般情况是基座两端自重荷载大中间部分荷载小。还有基座上汽轮发电机设备的荷载,沿纵向布置有高压缸、中压缸、低压缸及凝汽器、发电机,这些荷载也是不均匀分布在基座上的。

其次是活动荷载,在汽轮发电机安装过程中,各种设备时而吊装到基座上时而又从基座上吊走,这是一种活动荷载,且其作用点经常在变化。凝汽器注水试验也是一种活动荷载,汽轮发电机基座的中部在短期内要承受上千吨荷载,基座沉降及基座中部的下凹将十分明显。静荷载或活动荷载分布的不均匀性将造成基座沉降不均匀性。

最后还有基座周围其他荷载的影响,汽轮发电机基座周围的荷载也不是均布的。一般来说靠除氧煤仓间侧荷载大,靠A排侧荷载小,这些荷载通过对地基的作用也将影响汽轮发电机基座的沉降。1.3󰀁结构

由于在基座上要布置高压缸、中低缸、低压缸、凝汽器及发电机等设备以及所有连接这些设备的各种管道,决定了汽轮发电机的基座只能是框架形式结构。这种框架结构的基座在横向一般是沿中心线左右对称设计的。在纵向,根据设备的布置情况,从前到后基座大致可分为3个部分,即高压缸及中压缸部(前部)、低压缸及凝汽器部(中部)和发电机部(后部)。在标高方向,根据基座结构又可分为基础

1󰀁基座沉降的原因

1.1󰀁地基

它是基座产生沉降的主要原因,大型汽轮发电机基座尺寸庞大,其相应的承力地层由于受地质成因、时代、分布、厚度、地下水位等各种因素影响,地层泥土的含水量、孔隙比、容重、压缩系数、摩擦因数、容许承载力等物理力学性能都可能不同,在受到荷载后地层会出现不同的沉降现象。对于摩擦桩承力的基础,地基的地质条件、桩的数量和深度及最后贯入度等都会对沉降造成影响,基座的地质条件越差,其对沉降的影响也越大。1.2󰀁荷载

首先是静荷载,主要是汽轮发电机基座的自重,

󰀁󰀁收稿日期:1998󰀁08󰀁01

󰀂52󰀂󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁电󰀁力󰀁建󰀁设󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁1999年第1期

者气温变化较大,框架结构的基座就会产生上拱或下凹的变形,并且基座尺寸越大,这种变形的数量也越大,基座沉降的测量数据能够反映出这种变化。1.5󰀁其他因素

周围地层受到扰动,如打桩、深坑开挖等,汽轮发电机运行后的设备振动、动荷载、基础周围高温环境等,这些因素将影响基座沉降。

底板及由梁板柱现浇而成的整体框架结构的中间层(仅前部、后部有)和顶层。现按各层及各部结构来讨论。首先是0m以下的基础底板层,由于凝汽器

底部的凝结水出水管布置较深,使该区域(中部和后部之间)部分底板厚度减薄。在0m层,基础的前部和后部都采用钢筋混凝土地层,而凝汽器底部要求留坑。在中间夹层,由于凝汽器结构的关系,基座中部无法设计混凝土横梁及板,而前部和后部位置都设计有混凝土横梁及板。在顶板层,由于布置有高压缸、中压缸、低压缸及发电机,顶板层实际上形成了多处留有大孔的框架结构,其中发电机和高压缸设备留孔尺寸较小,相应的周围框梁宽度较大,低压缸和中压缸设备留孔尺寸较大,相应的周围框梁宽度就较小。再从基座的立柱结构来看,发电机下的立柱断面最大,高压缸及中压缸下的立柱其次,两低压缸下部由于凝汽器布置的关系,只能设计断面较小的立柱或一堵隔墙。这种混凝土框架结构的特点,决定了基座的纵向刚性势必是两端强中部弱,万一受到荷载或其他因素的影响,基座就容易产生变形。汽轮发电机基座的整体刚性越差,基座对变形也就越敏感。1.4󰀁气温

严格地说,气温因素并不造成真正意义上的基座沉降,但气温因素将造成混凝土框架结构本身的微量变形。汽轮发电机基座的底板是深埋在0m以下的,受地面上的气温变化的影响不大,而基座的上部结构却一直暴露在空气中,要受气温变化的影响。在冬季,由于地面以上气温较低,暴露在空气中的基座顶板在长度方向上将收缩,而深埋于地面下的基础底板部分,因地基深层处的温度还较高,在长度方向上基本不变,由于框架结构的整体性,这种长度方向变化的不均匀性势必造成框架结构本身的变形,即在长度方向基座将向下凹。在夏季,由于地面上气温高,而地表下温度低,地面上基座顶板的长度由于伸长而大于地表下底板的长度,从而造成整个框架基座沿长度方向往上拱起。另一方面,从基座立柱来看,由于基座两端发电机及高中压缸下的立柱断面较大,中部两凝汽器间的立柱或隔墙的断面或厚度较小,在受气温变化时,断面小的立柱的内部温度变化要比断面大的立柱温度变化快,由于热胀冷缩,大小立柱的伸缩量在内部温度未达到一致之前是不相等的,这个因素也会造成在气温升高过程中,基座顶板中部被顶起,在气温下降过程中,基座顶板中部被拉下。综上分析,如果地上地下温差较大或2󰀁基座沉降的类型

2.1󰀁均匀沉降

指基础整体下沉,且各点的沉降量相同。这种沉降一般是由基座的自重和基座上设备的荷载造成,对汽轮发电机的安装和运行不会有影响。2.2󰀁单侧倾斜

指基座整体向某一方向倾斜,可分为纵向倾斜和横向倾斜。这种沉降一般是由基座的一端或单侧受荷载,或者是由基座周围的影响造成,对汽轮发电机的安装和运行影响也不大。2.3󰀁不均匀沉降

指基座上各点的沉降量各不相同且没有规律,反映为基座的一端下沉、单侧下沉、中间下沉、基座的1个角下沉或上翘等。这种沉降一般是由基座受到不均匀的荷载造成。在设备安装过程中容易产生,如低压缸就位后基座中部的沉降就比两端的要大,发电机定子就位后发电机端的沉降就比高压缸端的要大,基座边上堆放转子等重件,堆放点的沉降就相应较大等。2.4󰀁上拱或下凹

基座的这种变形主要是由于气温的变化引起,前面已进行过分析。

对于小型汽轮发电机的基座或尺寸较小的基础,其沉降形式一般表现为第1类和第2类。

对于大型汽轮发电机的基座或尺寸庞大的基础,其沉降形式一般是以上几种类型的组合。

3󰀁基座不均匀沉降对汽轮发电机安装

的影响

󰀁󰀁由于基座沉降从开始到稳定要经历相当长的时间,并且沉降速率是开始时较大,以后逐渐减小直至稳定,而汽轮发电机的安装正好处于这一沉降过程的前期阶段,因此在汽轮发电机安装的整个过程中要对基座的不均匀沉降引起重视。基座的不均匀沉降对汽轮发电机安装的影响主要表现在:

1999年第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁电󰀁力󰀁建󰀁设󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁3.1󰀁水平度

在台板水平度、轴承座及汽缸中分面水平度调整合格后,由于基座的不均匀沉降将被改变,其变化量将会大大超出技术规范的要求,使得在汽轮机扣盖前水平度要重复进行调整。3.2󰀁轴承座及汽缸找中心

在拉钢丝找正后,由于基座的不均匀沉降将使各油挡洼窝及汽封洼窝的中心偏差超出技术规范的要求。

3.3󰀁转子靠背轮找中心

在靠背轮中心调整合格后,由于基座的不均匀沉降将使靠背轮的圆周和平面偏差超出技术规范的要求,如果不作调整,机组运行后将影响轴承的振动及轴瓦温度。

由于大型汽轮发电机的基座尺寸庞大,一般不会出现基座均匀沉降或单侧倾斜的现象。在机组安装时,假如出现这2种情况,对洼窝找中心及靠背轮找中心工作也没有大影响,但后者对轴承座、汽缸中分面水平度以及转子的轴颈扬度有影响。对汽轮发电机安装而言,影响最大的是汽轮发电机基座同时兼有几种形式的沉降,这对水平度、中心找正都有较大的影响。北仑电厂一期及二期工程,以汽轮发电机设备开始安装时的基座作为基准,到转子靠背轮连接时基座的总沉降量达10mm左右,安装期间基座的不均匀沉降量在不断变化,最大时可达3mm,基座的不均匀沉降曲线见图1。从北仑工程的经验来看,荷载变化和气温变化对基座的不均匀沉降影响很大。

󰀂53󰀂

机设计中把基座底板厚度从1号机的2.5m增加到3.5m,从而增加了整个框架基座的刚性,使得基座不均匀沉降的变化对汽轮发电机安装的影响大大减小,同时为了避免基座纵向刚度的不均匀,应增加基础中间部分的刚度,在基座底板上可增加凝汽器下部基础底板的厚度,譬如北仑二期汽轮发电机基座底板的设计厚度为3m,但凝汽器下部的底板厚度增加到3.5m。

󰀁󰀁󰀁A󰀂1997󰀁05󰀁15󰀁沉降观测点埋设,作为相对沉降观测基准󰀁󰀁󰀁B󰀂1997󰀁09󰀁03󰀁发电机定子及低压缸下部安装就位之后󰀁󰀁󰀁C󰀂1997󰀁10󰀁15󰀁高压、中压、低压缸合缸状态下拉钢丝找中心󰀁󰀁󰀁D󰀂1997󰀁12󰀁18󰀁转子初找中心完成

󰀁󰀁󰀁E󰀂1998󰀁03󰀁18󰀁高压、中压、低压缸扣盖完成

图1󰀁北仑电厂3号机汽机基座不均匀沉降(相对值)曲线

4.2󰀁安装方面

汽轮发电机基座本身应尽早浇筑完毕,并且设备的荷载也要尽早加上去。以北仑二期3号机为例,汽轮发电机基础自重约15000t,基础上的设备重量约2200t,这些荷载加上去后,对地基可起到预压作用。凝汽器注水试验时,在基础中部短期内会增加几千吨荷载(如北仑二期为2800t),故也应尽早安排该试验。为了监测基座的沉降情况,在工程实践中,一方面要在基座的立柱上埋设沉降观测点,用精密水准仪测量基座的绝对沉降情况,另一方面,要在基座顶板上埋设沉降观测点,用连通管及深度千分尺测量基座的相对沉降情况。在基座顶板上,由于在轴承位置无法设置沉降观测点,故一般在每个轴承的左右两侧对称布置沉降观测点,轴承位置的沉降取左右两侧沉降的平均值。定期并在关键工序时测量这些观测点的沉降情况,通过对这些观测点的沉降数据的积累和分析,可以发现总体上基座是在不停地向下沉降,但各观测点的沉降数据并不相同,撇开基座的整体沉降数量,就可分析出基座存4󰀁减少或适应基座不均匀沉降的对策

󰀁󰀁由于基座不均匀沉降对汽轮发电机的安装及运行存在较大的危害,并且混凝土一旦浇筑后,基座结构将无法改变,因此,在设计上要尽量避免或减少基座的不均匀沉降,在安装及运行中要了解并适应基座的这种不均匀沉降的变化。4.1󰀁设计方面

应选择地质条件较好的地方建造电厂,最好是直接在岩石地基上浇筑汽轮发电机基础,这样可减少荷载对基座不均匀沉降的影响;为了避免温度因素对基座的影响,可采用弹簧支承的基座;在混凝土结构上,为了增强整个框架基座的刚性,比较简单而有效的方法是把基座的底板设计得厚一些,譬如北仑电厂1号机由于基座不均匀沉降的变化较大,对汽轮发电机安装找正工作造成很大影响,故在2号󰀂󰀂󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁电󰀁力󰀁建󰀁设󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁1999年第1期

靠背轮连接时的基座沉降数据进行比较,以便确定在目前状态下转子中心的状况,为机组的顺利启动提供保证。当机组出现振动过大、瓦温过高等不正常情况时,基座沉降数据可以为分析原因提供依据。由于在设计时已考虑了运行工况对基座的影响,并且有相应的设计参数,故在运行中要保证汽轮发电机基座周围良好的通风环境,汽轮机房的通风应按设计工况运行,要定期检查布置在高压缸、中压缸周围基座壁上的隔热板并保证其完好,低压缸排汽温度也应控制在正常范围内,总之,机组的运行和维护必须符合设计工况的要求。

在不均匀的沉降现象。当基座中部受荷载时(如低压缸就位、凝汽器注水试验等),中部沉降就大,当基座端部受荷载时(如定子就位,高压缸就位等),端部沉降就大,当气温升高时(如夏季),基座中部就往上拱,当气温下降时(如冬季),基座中部就向下凹,实际测量的结果与理论分析是一致的。通过对基座沉降的观测与分析,在了解基座变化的规律以后,可以在设备安装调整过程中对某些数值作一定的预留,例如对位于基座前端的轴承座,因为在其安装时低压缸、发电机等设备还未就位,其台板下砂浆垫块的标高可设置得低一些,以便今后可通过此处的垫片来调整轴承座或轴承的高度。对于转子靠背轮找中心,冬季时以张口偏差朝下为好,夏季时以张口偏差朝上为好。对于基座沉降变化规律不清楚的不应作预留,如汽缸中分面水平度,转子靠背轮左右张口及圆周等,由于基座不均匀沉降变化的影响,汽轮发电机台板的二次灌浆应尽量往后推迟,以便在需要时可从台板底下通过垫片来调整。4.3󰀁运行方面

应继续加强对基座沉降的观测,特别是在机组启动之前,要测量基座的不均匀沉降情况,并与转子

5󰀁结束语

过去由于汽轮发电机组容量小,其基座尺寸也较小,基座的不均匀沉降数量不大,对汽轮机安装的影响也不大,但随着机组容量的增大,基座尺寸也越来越大,基座的不均匀沉降数量也变得较大,并且在基座沉降的测量中,这些变化能明显地反映出来。国内已经有多台大容量的汽轮发电机组在安装中受到基座不均匀沉降的影响,对于建设在地质条件较差地区的电厂,这个问题更要引起重视。

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分布式控制系统。其!网络1∀无论选择何种网络,该网络都应该具有如下特性:抗干扰能力强;实时性好;任意2个节点都可以方便地交换信息;各就地处理节点具有精确的统一时钟,建议有一条的通道用来进行各节点的时钟同步。

对于网络2,它对实时性与抗干扰性方面的要求不如网络1那样高,但应该具有速度快、可扩充性好的特点。

目前,新一代高速网络正成为技术热点,它们对现有网络技术从多个方面进行了革新,如FDDI、100Mbps快速以太网、ATM技术等,在做网络设计时,应该考虑采用这些新技术。

关于2个网络之间的网关节点,!网关∀是一个广义的概念,它是2个网络之间的!桥梁∀。根据网络1、2的选择结果,!网关∀可以是3种不同的方式:

(1)󰀁选用一个真正的网桥或路由器或网关(根据网络的选择结果而定)。网桥工作在OSI模型的第2层(数据链路层),路由器工作在OSI模型的第3

层(网络层),网关工作在OSI模型的高3层(会话层、表示层和应用层)。通过该节点,2个网络的任何节点之间都可以方便地相互访问。该方式将非常有利于高层应用软件的开发,但不一定能买到成品,若从头开发有可能比较困难。

(2)󰀁!网关∀也可以是这样一个节点,该节点存放整个系统的数据库,且同时联接在2个网上。如图2中,可以将!数据库∀节点或!站控制保护∀节点作为网关。使用这种方式时,不同网络的节点之间不能相互访问,但可以通过该!网关∀节点来实现数据共享。该方式虽然在使用时灵活性不如方式(1),但实现较为容易,而且也是可行的。

(3)󰀁当网络1与网络2选用同一种网络时,根据所选网络,!网关∀可以是一个集线器(HUB)或其他。这种方式的优点是既可以使2个网络相互隔离,互不干扰,又可以使不同网络中的节点之间非常方便地相互访问,且很容易实现。因此是一种非常好的方式,但这种方式的使用受到,就是必须满足2个网络选型一致的前提条件。