探求电站设备抗震的烈度

1常规岛弹簧基础降低放大倍率的作用与原理

表1最后一列给出弹簧基础的放大倍率，对II类与III类场地，放大倍率小于1．2．将放大倍率从2．8～3．0降低到小于1．2，这是基础设计为保护机器抗地震采取的最好措施．去年，我国田湾核电站3、4号AP1000机组与喀什电厂300MW供热机组，打破了国内西屋机组（三菱机组与西屋机组同源）只配固定基础的旧历史，开启了配弹簧基础的新纪元．三门与海阳核电站AP1000三菱型汽轮发电机的基础为固定基础．田湾3号、4号机也是三菱型汽轮发电机，由于田湾1号、2号俄罗斯汽轮发电机基础为弹簧基础，再加上国内绝大多数新上的核电机组均为弹簧基础，设计院、制造厂和业主在了解田湾1、2号机以及岭澳2期3号、4号机弹簧基础的运行性能后，最后经专家论证会讨论决定使用弹簧基础．

进入21世纪以来，环太平洋第一岛链多次发生地面加速度超过0．35g的地震，强震区电站设备抗地震的问题迫切需要解决．我国南疆喀什是目前国家重点发展地区，要建设一个南疆的“深圳”，但是喀什处于强震区，例如喀什电厂设备要求抗地震设防烈度为0．358g（设计规范化为0．3g）．去年下半年东北电力设计院进行喀什电厂汽轮发电机基础设计时，原来准备设计固定基础，固定基础的放大倍率取为2．58，小震烈度按0．1g计算，汽轮机连接件处响应加速度为2．58×0．1＝0．258g，大于设备设计强度0．12g；中震烈度按0．3g计算，设备响应加速度为2．58×0．3＝0．77g，大于设备设计强度0．4g，计算结果显示无论小震或中震，固定基础都满足不了制造厂家对机器设备的保护要求，便考虑设计弹簧基础．配弹簧基础小震时设备响应加速度为1．3×0．1g＝0．13g，与厂家要求基本符合；中震时设备响应加速度1．3×0．3＝0．39g，小于0．4g，也符合厂家要求．弹簧基础的结构如图1所示，弹簧隔振器上面为汽轮发电机台板，下面为立柱，上、下两端用防滑垫片连接，不用焊接、也不用螺栓．防滑垫片出现滑动的摩擦力远大于汽轮机猫爪出现滑动的摩擦力，既然猫爪不会出现滑动，防滑垫片就更不会出现滑动，立柱顶部根据弹簧隔振器的尺寸扩大为牛腿．图1弹性基础结构图弹簧隔振器解开了台板与立柱之间的刚性耦合．

由于弹簧隔振器的隔振作用，隔振器之上的台板依然是机器动力基础，但隔振器之下的立柱变成与厂房同类的静力基础．弹簧基础可以降低放大倍率的原理主要有两点：一是降低基础水平向的一阶基频，二是用外加粘滞阻尼器加大系统的阻尼比．图2AP1000刚性基础与独立岛式弹簧基础的频率效应图2［7、8］给出了AP1000三菱型汽轮发电机组固定基础与独立岛式弹簧基础，根据中国的抗震规范中的时域反应谱曲线使用傅立叶变化方法转换到频域的反应谱曲线，地面PGA为0．1g的地震波对应的反应谱曲线．

当刚性基础的水平向一阶基频为3．37Hz，反应谱曲线对应的加速度为0．190g；独立岛式弹簧基础的水平向一阶基频为0．89Hz，反应谱曲线对应的加速度为0．057g．从0．190g降低到0．057g，降低的幅度达到70％．其实，基础基本振动周期与地震波卓越周期越接近，响应的加速度就越大．隔而固公司的Dr．Nawrotzki［10］根据欧洲、美国、日本、IEEE（电气与电子工程师协会）以及我国台湾地区不同的标准，绘制了阻尼增加降低振动的效应曲线，如图3所示。在地震设防烈度为7度（0．1g）以下的地区，独立岛式汽轮发电机组弹簧基础，一般应设计单独的粘滞阻尼器，使系统阻尼比为0．05，最大不超过0．07．但是对抗强震的基础，粘滞阻尼器给出的系统阻尼比为0．12～0．15．从图3可以看出，根据欧洲标准，当系统阻尼比从0．05增加到0．15时，振动的修正系数将从1．0降低到0．7，降低的幅度达到30％．

2基础水平位移问题

机器工程师经常提出这样的问题：弹簧基础是不是以增加位移来降低振动速度、加速度与内力，这会不会增加管道的作用力？因为弹簧基础有两种：岛式结构与联合结构，两种结构的机器与厂房的相对位移差别很大．讨论机器与厂房的相对位移，如果以常规固定基础的位移值设为100％，则岛式结构弹簧基础的位移值约为115％，联合结构弹簧基础的位移值约为50％．联合结构弹簧基础，由于基础立柱与厂房立柱联合成整体结构，所以从地面到弹簧隔振器底平面标高，立柱与厂房没有相对位移，能够产生相对位移的只有不到700mm高的弹簧隔振器．此时可以应用水平刚度较小（约为垂向刚度的1／6左右）的弹簧，既进一步降低了放大倍率，更不会大幅度增加立柱与厂房的相对位移，从而大大降低了强地震发生时管道经受的变形应力．岛式结构与联合结构弹簧基础典型的横截面图见图4与图5．我国核电站现有投运与在建厂址地震设防烈度都较低，32台核电半速机组配置的弹簧基础都是岛式结构．隔而固公司在印度已经为单机容量660MW与1000MW的火电机组设计并建成了联合结构弹簧基础［11］．我国现在一些单机容量1000MW及以上的火电机组，也在进行联合结构的设计立项．

3核岛的隔振

我国以往核岛的选址，第一必须是整体基岩，第二必须是低地震设防区，所以核岛的抗地震问题并不突出．经过日本2007年7月新泻市刈羽核电站与2011年3月福岛核电站强震破坏实例，给我们敲起警钟．联合结构的汽轮发电机组弹簧阻尼基础，给核岛的隔振开辟了一条解决的方向．核岛内各个设备可以进行隔振，整个核岛也可以进行整体隔振．

4结论

1）核电站抗地震必须考虑放大倍率的影响．从地面往上，随着标高的增加，地震水平加速度增大．放大倍率对常规岛20m左右的运转层约为3左右，到常规岛与核岛顶部40m左右的设备处，放大倍率可能会更大．2）核电站要能抗强震，要么设法降低放大倍率，要么提高设备抗地震加速度的能力．仅指望设备抗0．3g的地震水平加速度，是达不到抗地震要求的，必须将设备抗地震水平加速度的能力提高到1．0g～2．0g，甚至更大．3）联合结构弹簧基础应该作为抗地震的战略措施进行考虑．如果设备不能抗大于0．4g的地震水平加速度，如常规岛的汽轮发电机组，制造厂家申明：即使在应急情况下，设备也只能抗0．4g，则必须用联合结构弹簧基础．对于40m标高处的设备，可根据设备的抗地震水平加速度的能力，进行单独的抗地震设计，以至进行整个岛的整体抗地震设计．

作者：尹学军王伟强谷朝红沙曾炘单位：隔而固（青岛）振动控制有限公司