基于压缩空气储能电站异轴多转速透平机的基础设计方法与流程

1.本发明涉及动力设备基础设计领域，尤其是基于压缩空气储能电站异轴多转速透平机的基础设计方法。


背景技术：

2.压缩空气储能caes(compressed air energy storage)是一种利用压缩空气作为介质来储存能量和发电的技术，可以解决可再生能源的间歇性问题，起到电网调节峰谷的作用。考虑到电化学储能设施仍未形成公认的安全性解决方案，工程项目存在发生火灾、爆炸等安全隐患，相比而言压缩空气储能具有储能规模大、放电时间长、使用寿命长、安全性较高、热冷电综合利用面广的优点。因此，有必要继续加强对压缩空气储能的技术研发和应用推广。
3.目前常规大、中型火电项目中使用的透平机，多为同轴机型，即发电机、高压缸、中压缸及低压缸轴承均为同轴布置，因此各部分转速同步、协调，通常采用动力设备基础有限元软件mfsap可直接建模分析，对应基础的稳定计算方法成熟、可靠；但对压缩空气储能电站中采用的异轴多转速透平机的新机型，即发电机、高压缸、中压缸及低压缸部分轴承异轴布置，相互之间采用齿轮连接，如仍然采用mfsap进行建模计算具有局限性，一方面mfsap软件只能实现同轴或者双轴异轴透平机机型，对多轴异轴透平机机型无法实现动力计算；另一方面，mfsap对双轴异轴透平机机型的后处理结果显示不够简单、直观。


技术实现要素：

4.本发明需要解决的技术问题是提供基于压缩空气储能电站异轴多转速透平机的基础设计方法，适用于所有异轴多转速透平机基础计算，能够有效实现异轴多转速动力设备稳定计算，极大提高了设计效率。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：基于压缩空气储能电站异轴多转速透平机的基础设计方法，包括如下步骤：
6.步骤s1、透平机包括发电机、低压缸、中压缸、高压缸，结合透平机外形尺寸要求，预设定透平机基础的梁、柱截面尺寸，采用sap2000软件建立计算模型；当透平机的发电机、低压缸、中压缸轴、高压缸部分轴承异轴时，异轴轴承额定转速不同，分别在发电机、低压缸、中压缸和高压缸上设定至少一个扰力点；
7.步骤s2、在发电机轴承的额定转速工况下，对发电机各个扰力点对应施加发电机轴承额定转速下的扰力值，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在发电机轴承任意转速下的扰力值和振幅；
8.步骤s3、在低压缸轴承的额定转速工况下，对低压缸各个扰力点对应施加低压缸轴承额定转速下的扰力值，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在低压缸轴承任意转速下的扰力值和振幅；
9.步骤s4、在中压缸轴承的额定转速工况下，对中压缸各个扰力点对应施加中压缸
轴承额定转速下的扰力值，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在中压缸轴承任意转速下的扰力值和振幅；
10.步骤s5、在高压缸轴承的额定转速工况下，对高压缸各个扰力点对应施加高压缸轴承额定转速下的扰力值，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在高压缸轴承任意转速下的扰力值和振幅；
11.步骤s6、将s2～s5步骤计算结果数据经过后处理进行耦合，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在任意转速下的实际振幅；
12.步骤s7、对发电机、低压缸、中压缸和高压缸的各扰力点实际振幅与最大振幅允许值进行比对验算，若某个扰力点实际振幅不满足，则需对步骤s1中sap2000模型的梁、柱截面尺寸进行增大处理，每次增幅为100mm～200mm，并重复上述步骤s2～s6，直至计算结果满足要求为止。
13.本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤s1中发电机、低压缸、中压缸和高压缸的各扰力均沿各部件周圈布置。
14.本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤s2～s5中发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点轴承任意转速下的扰力值计算公式如下：
[0015][0016]
其中，p
0i
为第i个扰力点任意转速的扰力，p
gi
为第i个扰力点额定转速时的扰力，n0为任意转速，n为工作转速。
[0017]
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤s6中发电机、低压缸、中压缸和高压缸上的各扰力点在任意转速下的对应步骤s2～s5中的扰力共同作用下的实际振幅如下：
[0018][0019]
其中：a
jik
为在转速j工况下，第k个扰力对第i个扰力点产生的振幅；a
ji
为在转速j工况下，第i个扰力点产生的振幅。
[0020]
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤s7中对发电机、低压缸、中压缸和高压缸上的各扰力点实际振幅与最大振幅允许值进行比对验算的过程为：
[0021]
当0.75ω0≤ωj≤1.25ω0时，
[0022]
振幅验算：a
ji
≤[a]
[0023]
当ωi＜0.75ω0时，
[0024]
振幅验算：a
ji
≤1.5*[a]
[0025]
[a]为最大振幅允许值0.02mm，ωj为发电机、低压缸、中压缸和高压缸各轴承任意转速r/min，ω0为发电机、低压缸、中压缸和高压缸各轴承额定转速r/min。
[0026]
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
[0027]
本发明所提出的计算方法，能够有效实现异轴多转速动力设备稳定计算，极大提高了设计效率，既充分利用了现有成熟的通用有限元软件，又采用了振动响应耦合作用计算理论，自行通过数据后处理，求得异轴多转速透平机基础的实际振幅，对基于压缩空气储能电站异轴多转速透平机的动力基础的计算具有较强的适用性，适合在实际工程中进行推广。
附图说明
[0028]
图1是本发明实施例1透平机几何模型和扰力点分布图；
[0029]
图2是本发明实施例1发电机、低压缸、中压缸轴承3000r/min工况下扰力分布图；
[0030]
图3是本发明实施例1高压缸轴承9200r/min工况下扰力分布图。
具体实施方式
[0031]
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
[0032]
基于压缩空气储能电站异轴多转速透平机的基础设计方法，包括如下步骤：
[0033]
步骤s1、透平机包括发电机、低压缸、中压缸、高压缸，结合透平机外形尺寸要求，预设定透平机基础的梁、柱截面尺寸，虽然梁、柱截面尺寸越大，刚度越大，对应算出来的振幅越小，但综合工程考虑，梁、柱截面尺寸越大用到的混凝土量越大，工程造价越高，所以，初步设定较小的透平机基础的梁、柱截面尺寸，经过计算后不满足要求后再进行逐步加大。
[0034]
采用sap2000软件建立计算模型，当透平机的发电机、低压缸、中压缸、高压缸部分轴承异轴时，异轴轴承额定转速不同，分别在发电机、低压缸、中压缸和高压缸上设定至少一个扰力点，发电机、低压缸、中压缸和高压缸的各扰力均沿各部件周圈布置；
[0035]
步骤s2、在发电机轴承的额定转速工况下，对发电机各个扰力点对应施加发电机轴承额定转速下的扰力值，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在发电机轴承任意转速下的扰力值和振幅；
[0036]
步骤s3、在低压缸轴承的额定转速工况下，对低压缸各个扰力点对应施加低压缸轴承额定转速下的扰力值，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在低压缸轴承任意转速下的扰力值和振幅；
[0037]
步骤s4、在中压缸轴承的额定转速工况下，对中压缸各个扰力点对应施加中压缸轴承额定转速下的扰力值，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在中压缸轴承任意转速下的扰力值和振幅；
[0038]
步骤s5、在高压缸轴承的额定转速工况下，对高压缸各个扰力点对应施加高压缸轴承额定转速下的扰力值，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在高压缸轴承任意转速下的扰力值和振幅；
[0039]
步骤s2～s5中发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点轴承任意转速下的扰力值计算公式如下：
[0040][0041]
其中，p
0i
为第i个扰力点任意转速的扰力，p
gi
为第i个扰力点额定转速时的扰力，n0为任意转速，n为工作转速。
[0042]
步骤s6、将s2～s5步骤计算结果数据经过后处理进行耦合，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在任意转速下的实际振幅，公式如下：
[0043][0044]
其中：a
jik
为在转速j工况下，第k个扰力对第i个扰力点产生的振幅；a
ji
为在转速j工况下，第i个扰力点产生的振幅。
[0045]
步骤s7、对发电机、低压缸、中压缸和高压缸的各扰力点实际振幅与最大振幅允许值进行比对验算：
[0046]
当0.75ω0≤ωj≤1.25ω0时，
[0047]
振幅验算：a
ji
≤[a]
[0048]
当ωi＜0.75ω0时，
[0049]
振幅验算：a
ji
≤1.5*[a]
[0050]
[a]为最大振幅允许值0.02mm，ωj为发电机、低压缸、中压缸和高压缸各轴承任意转速r/min，ω0为发电机、低压缸、中压缸和高压缸各轴承额定转速r/min。
[0051]
若某个扰力点实际振幅不满足，则需对步骤s1中sap2000模型的梁、柱截面尺寸进行增大处理，每次增幅为100mm～200mm，并重复上述步骤s2～s6，直至计算结果满足要求为止。
[0052]
实施例1
[0053]
以乌兰察布某压缩空气储能项目为例，该项目透平机的发电机与中低压缸轴承同轴、与高压缸轴承异轴，通过中间齿轮连接，实现协同工作，其中高压缸轴承额定转速9200r/min，发电机、低压缸和中压缸轴承额定转速3000r/min。
[0054]
基础动力计算采用sap2000软件建模，计算各扰力点分别在不同转速作用下的振幅，并对不同转速的振动响应进行耦合，得出透平机基础的实际整体振动响应。具体操作步骤如下：
[0055]
1)用sap2000软件建立计算模型，预设定的透平机基础的梁、柱截面尺寸和各扰力点(a1～a6)见图1所示；其中竖向柱构件尺寸400x400mm和500x500mm，结合设备外形初定水平梁构件尺寸535mmx1220mm、835mmx1220mm、675mmx1220mm等，a1、a2为发电机扰力点，a3、a4为中低压缸扰力点，a5、a6为高压缸扰力点。
[0056]
2)发电机、中低压缸轴承在额定转速3000r/min工况下，如图2所示，在发电机和中、低压缸各个扰力点a1、a2、a3、a4位置,对应施加额定转速下的扰力p
g1
、p
g2
、p
g3
、p
g4
，p
g1
＝4.901kn，p
g2
＝4.901kn，p
g3
＝14.686kn，p
g4
＝14.686kn，
[0057]
根据以下公式，计算出发电机、中低压缸轴承在0r/min～3750r/min范围内的扰力值p
01
～p
04
：
[0058][0059]
发电机、中低压缸不同转速下的扰力值p
0i
(n)
[0060]
[0061][0062]
经过sap2000软件计算，得出发电机、低压缸、中压缸、高压缸各个扰力点a1～a6分别在发电机、中低压缸轴承0r/min～3750r/min对应扰力p
01
～p
04
作用下的振幅a
ik
。
[0063]
发电机、中低压缸不同转速下的各点振幅值ai(um)
[0064]
[0065][0066]
[0067]
3)对高压缸轴承在额定转速9200r/min工况下，如图3所示,在高压缸扰力点a5、a6位置,对应施加额定转速下的扰力p
g5
、p
g6
，p
g5
＝1.216kn，p
g6
＝1.216kn，根据以下公式，计算出高压缸轴承转速在0r/min～11500r/min范围内的扰力值p
05
～p
06
：
[0068][0069]
高压缸不同转速下的扰力值p
0i
(n)
[0070]
[0071]
[0072][0073]
经过sap2000软件计算，得出发电机、低压缸、中压缸、高压缸各个扰力点a1～a6分别在高压缸轴承0r/min～11500r/min对应扰力p
05
～p
06
作用下的振幅a
ik
。
[0074]
高压缸不同转速下的各点振幅值ai(um)
[0075]
[0076]
[0077][0078]
4)根据如下公式计算出扰力点a1～a6，在发电机、中低压缸轴承0r/min～3750r/min(高压缸轴承0r/min～11500r/min)对应扰力p
01
～p
06
共同作用下的最终实际振幅ai，计算公式如下：
[0079][0080]
不同转速下的各点实际振幅值ai(um)
[0081]
[0082]
[0083][0084]
5)结合《火力发电厂土建结构技术规程》dl 5022-2012、《建筑工程容许振动标准》gb50868-2013、《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动》gb/t6075.3-2001规范要求，对各扰力点实际振幅进行比对验算:
[0085]
发电机、中低压缸转速在0r/min《ωj《2250r/min(对应高压缸转速在0r/min《ωj《6900r/min)时,
[0086]a1max
＝8.6um《1.5*0.02*1000＝30um
[0087]a2max
＝8.6um《1.5*0.02*1000＝30um
[0088]a3max
＝5.1um《1.5*0.02*1000＝30um
[0089]a4max
＝6.7um《1.5*0.02*1000＝30um
[0090]a5max
＝1.3um《1.5*0.02*1000＝30um
[0091]a6max
＝0.82um《1.5*0.02*1000＝30um
[0092]
发电机、中低压缸转速在2250r/min≤ωj≤3750r/min(对应高压缸转速在6900r/min≤ωj≤11500r/min)时,
[0093]a1max
＝4.9um《0.02*1000＝20um
[0094]a2max
＝4.9um《0.02*1000＝20um
[0095]a3max
＝11.5um《0.02*1000＝20um
[0096]a4max
＝11.4um《0.02*1000＝20um
[0097]a5max
＝4.7um《0.02*1000＝20um
[0098]a6max
＝6.1um《0.02*1000＝20um
[0099]
综上所述可知，乌兰察布某压缩空气储能电站透平机基础各点振动满足规范要求。

技术特征：
1.基于压缩空气储能电站异轴多转速透平机的基础设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤s1、透平机包括发电机、低压缸、中压缸、高压缸，结合透平机外形尺寸要求，预设定透平机基础的梁、柱截面尺寸，采用sap2000软件建立计算模型；当透平机的发电机、低压缸、中压缸、高压缸部分轴承异轴时，异轴轴承额定转速不同，分别在发电机、低压缸、中压缸和高压缸上设定至少一个扰力点；步骤s2、在发电机轴承的额定转速工况下，对发电机各个扰力点对应施加发电机轴承额定转速下的扰力值，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在发电机轴承任意转速下的扰力值和振幅；步骤s3、在低压缸轴承的额定转速工况下，对低压缸各个扰力点对应施加低压缸轴承额定转速下的扰力值，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在低压缸轴承任意转速下的扰力值和振幅；步骤s4、在中压缸轴承的额定转速工况下，对中压缸各个扰力点对应施加中压缸轴承额定转速下的扰力值，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在中压缸轴承任意转速下的扰力值和振幅；步骤s5、在高压缸轴承的额定转速工况下，对高压缸各个扰力点对应施加高压缸轴承额定转速下的扰力值，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在高压缸轴承任意转速下的扰力值和振幅；步骤s6、将s2～s5步骤计算结果数据经过后处理进行耦合，从而得出发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点在任意转速下的实际振幅；步骤s7、对发电机、低压缸、中压缸和高压缸的各扰力点实际振幅与最大振幅允许值进行比对验算，若某个扰力点实际振幅不满足，则需对步骤s1中sap2000模型的梁、柱截面尺寸进行增大处理，每次增幅为100mm～200mm，并重复上述步骤s2～s6，直至计算结果满足要求为止。2.根据权利要求1所述的基于压缩空气储能电站异轴多转速透平机的基础设计方法，其特征在于：所述步骤s1中发电机、低压缸、中压缸和高压缸的各扰力均沿各部件周圈布置。3.根据权利要求1所述的基于压缩空气储能电站异轴多转速透平机的基础设计方法，其特征在于：所述步骤s2～s5中发电机、低压缸、中压缸和高压缸各个扰力点轴承任意转速下的扰力值计算公式如下：其中，p
0i
为第i个扰力点任意转速的扰力，p
gi
为第i个扰力点额定转速时的扰力，n0为任意转速，n为工作转速。4.根据权利要求3所述的基于压缩空气储能电站异轴多转速透平机的基础设计方法，其特征在于：所述步骤s6中发电机、低压缸、中压缸和高压缸上的各扰力点在任意转速下的对应步骤s2～s5中的扰力共同作用下的实际振幅如下：
其中：a
jik
为在转速j工况下，第k个扰力对第i个扰力点产生的振幅；a
ji
为在转速j工况下，第i个扰力点产生的振幅。5.根据权利要求4所述的基于压缩空气储能电站异轴多转速透平机的基础设计方法，其特征在于：所述步骤s7中对发电机、低压缸、中压缸和高压缸上的各扰力点实际振幅与最大振幅允许值进行比对验算的过程为：当0.75ω0≤ω
j
≤1.25ω0时，振幅验算：a
ji
≤[a]当ω
i
＜0.75ω0时，振幅验算：a
ji
≤1.5*[a][a]为最大振幅允许值0.02mm，ω
j
为发电机、低压缸、中压缸和高压缸各轴承任意转速r/min，ω0为发电机、低压缸、中压缸和高压缸各轴承额定转速r/min。

技术总结
本发明公开了基于压缩空气储能电站异轴多转速透平机的基础设计方法，涉及动力设备基础设计领域，本发明能够有效实现异轴多转速动力设备稳定计算，极大提高了设计效率，既充分利用了现有成熟的通用有限元软件，又采用了振动响应耦合作用计算理论，自行通过数据后处理，求得异轴多转速透平机基础的实际振幅，对基于压缩空气储能电站异轴多转速透平机的动力基础的计算具有较强的适用性，适合在实际工程中进行推广。程中进行推广。程中进行推广。


技术研发人员：刘玉雷 贾济琛 陈健 安贺舜 靳小虎 赵春晓
受保护的技术使用者：中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/7