康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	柴油发电机组的抗震试验方法

 

摘要：对于安全级柴油发电机组来说，抗震鉴定是其必须鉴定的主要部分内容。通过抗震试验，测定安全级柴油发电机组的自振频率、振型、阻尼等振动参数和地震反应，考核柴油发电机组的刚度（变形）、强度和位移，验证柴发在地震载荷的作用下能否正常工作，保持其完整性和可运行性，以履行柴油发电机组安全功能。康明斯公司在本文以某核电工程核安全级柴油发电机组在地震模拟振动台上的抗震试验为例，简要介绍核安全级柴油发电机组抗震试验方法。

 

一、试验依据

 

      核级柴油发电机组的主要功能是当核电厂正常电力供应发生意外事故时，对整个核电厂应急供电，使反应堆保持在安全状态。当发生地震时，应急机组应在规定时限内迅速启动，短时间内达到额定转速和电压，并接受相应的负荷。这就要求应急机组具有良好的抗震性能和快速启动能力。

      本试验按照经国家核安全局批准的《安全级应急柴油发电机组样机抗震试验程序》所规定的内容进行。试验程序所引用文件有：

（1）GB/T12727-2002《核电厂安全系统电气设备质量鉴定》；

（2）GB13625-92《核电厂安全系统电气设备抗震鉴定》；

（3）EJ625-2004《核电厂备用电源用柴油发电机组准则》；

（4）EJ628-1999《核电厂安全级连续工作制电动机的质量鉴定》；

（5）HAFJ0053-1995《核设备抗震鉴定测试指南》；

（6）IEEE344《推荐的核电厂1E物项抗震鉴定标准》；

（7）IEEE387-1995《IEEE Standard Criteria for Diesel-Generator Units Applied as Standby Power Supplies for Nuclear Power Generating Stations》。

      核级柴油发电机组设备属核安全3级，抗震1A类设备，根据相关规范要求，该设备必须进行抗震检验。对机械设备既可以通过试验法进行抗震鉴定，也可以通过分析法来进行抗震检验。通过试验来进行抗震检验是非常直观的，也是国内一直用于检验复杂核设备抗震性能的方法。但该方法不但耗费巨大的人力物力，而且周期长。日本多渡津工程研究所从1987—1991年利用超大型地震台进行了1100 MW核电厂应急机组地震考核。随着计算机辅助工程的发展，国外已经开始采用数值模拟方法来对复杂核设备的抗震性能进行检验。法国SACM公司用分析方法对应急机组进行了抗震性能检验。我国已投入运行的核反应堆中，早期大都采用抗震试验(如HTR-10)，随着研究工作的深入，近年来越来越多的是通过分析方法进行柴油发电机组的抗震鉴定(如CARR)，并得到了相关部门的认可。

 

图1  C3300D5型康明斯柴油发电机组平面结构图（核安全级）

图2  C3300D5型康明斯柴油发电机组侧面结构图（核安全级）

 

二、试验内容

 

      安全级柴油发电机组是一个非常复杂的系统，对应急机组进行抗震分析的最终目的是为安全评定提供该设备在设定地震载荷作用下的结构完整性和可运行性的资料。本文选取典型设备的柴油机、发电机、公用底座、增压器以及连接螺栓进行抗震分析。试验内容分为两个部分。

1、动力特性试验

      用自噪声随机波沿X（南北向）、Y（东西向）、Z三个方向分别进行连续激振，测定发电机组结构三个方向的自振频率以及阻尼比。

2、抗震性能考核试验

      抗震性能考核试验由5次OBE（运行基准地震）和一次SSE（安全停堆地震）地震波激振组成。

      地震考核试验采用的反应谱为柴油发电机组机房标高为0.0m楼层的加速度反应谱对X、Y和Z三方向输入的波形适当放大10％，以保证台面实际波形包络试验要求的反应谱。OBE人工地震波采用的是阻尼比ξ＝2％的反应谱，加速度幅值为生成地震波的0.65倍的人工地震波。SSE人工地震波则直接采用阻尼比ξ＝4％的反应谱所生成的人工地震波。试验时向三根优选轴同时输入激励波，人工地震波应有6个强周期波。人造地震加速度时程应在包括楼板反应谱的整个频段为0.5～34Hz，持续时间为30s。如果5Hz以下没有共振点，则要求响应谱在3.5Hz以上被包络。

 

三、试验步骤

 

1、设备的安装

      安全级应急发电机组样机的底座和配套集成的控制柜和开关柜分别通过连接钢板，用螺栓固定在模拟地震振动台上。安全级应急发电机组样机及控制柜和开关柜安装。

2、传感器测点布置

      安全级应急发电机组样机上布置有10个三方向的加速度测点，共30个加速度计和3个单向应变测点，共3个应变计。柴油发电机组测点布置图（参见图3）。

（1）对于加速度测点，水箱顶部的A1测点X、Y、Z向分别是1、2、3通道；

（2）柴油机飞轮上方的A2测点X、Y、Z向分别是4、5、6通道；

（3）柴油机机体上部的A3测点X、Y、Z向分别是7、8、9通道；

（4）控制屏内主控器上部的A4测点X、Y、Z向分别是10、11、12通道；

（5）控制屏顶部的A5测点X、Y、Z向分别是13、14、15通道；

（6）发电机后端中部的A6测点X、Y、Z向分别是16、17、18通道；

（7）发电机组根部的A7测点X、Y、Z向分别是19、20、21通道；

（8）开关柜顶部的A8测点X、Y、Z向分别是22、23、24通道；

（9）开关安装板上面的A9测点X、Y、Z向分别是25、26、27通道；

（10）振动台台面上的A10测点X、Y、Z向分别是28、29、30通道。

（11）对于应变测点，控制屏根部的S1测点是1通道；

（12）发电机组根部的S2测点是2通道；

（13）开关安装板上面的S3测点是3通道。

 

图3    安全级应急发电机组样机测点布置. A1-水箱顶部；A2-柴油机飞轮上方； A3-柴油机机体上部；A4、A5-控制 ；A10-振动台台面上； A6-发电机后端中部； A7、A8-开关柜顶部； A9-开关安装板上面 ； S1、S2、S3-开关安装板上面

 

 

3、台面输入波形

      用自噪声随机波激振测自振频率。自噪声激振输入分别以X、Y、Z3个方向输入，频率范围为0.5～50Hz，激振幅值为0.2g。为得到较高精度的测量值，激振持续时间为180s。自噪声信号经处理得到试件结构的自振特性。

      对振动台台面输入的地震波是按照业主提供的抗震试验程序中的反应谱生成的。按要求OBE和SSE的反应谱应取所给不同阻尼比值的反应谱并乘以适当的系数。其中，OBE为所给谱幅值×0.65，取阻尼比为2％的反应谱来生成；SSE为所给谱幅值×1，取阻尼比4％的反应谱来生成。人造地震加速度时程应包括楼板反应谱的整个频段0.5～34Hz，持续时间为30s。

4、试验顺序

      X、Y、Z三个方向分别以0.1～50Hz自噪声随机波输入，振动持续时间为180s，幅值为0.2g，测量被测设备的自振频率及阻尼比。

（1）第一次OBE地震考核试验；

（2）第二次OBE地震考核试验；

（3）第三次OBE地震考核试验；

（4）第四次OBE地震考核试验；

（5）第五次OBE地震考核试验，空载启动发电机组；

（6）第一次SSE地震考核试验，空载启动发电机组；

      被测柴油发电机组在空载启动时须检测其电气性能。

 

四、试验结果

 

1、被测设备的自振频率及阻尼比

 

      分别沿X、Y、Z三个方向用自噪声输入进行激振，各响应测点的加速度信号经处理后得到一组频响函数幅值曲线。试件的自振频率及阻尼比见表1。

表1    安全级应急发电机组样机自振频率及阻尼比

      安全级应急发电机组样机本身刚度较大，但由于底座下加装减震器后导致整体刚度有所下降。从自噪声激振并通过数据处理得到的传递函数幅值曲线可知，发电机组样机X向的基频5.882Hz，Y向的基频8.053Hz，Z向的基频14.453Hz。

2、向OBE反应谱及生成的地震波曲线

      X向（通道1）、Y向（通道2）、Z向（通道3）OBE反应谱及生成的地震波曲线如图5所示。

 

图4    X、Y和Z向OBE反应谱及生成的地震波曲线图

 

      从振动台台面实际采集记录的三个方向加速度时程计算出反应谱曲线可看到，OBE地震波的实际反应谱已包络期望反应谱。

3、向SSE反应谱及生成的地震波曲线

      X向（通道1）、Y向（通道2）、Z向（通道3）SSE反应谱及生成的地震波曲线如图6所示。

      从振动台台面实际采集记录的三个方向加速度时程计算出反应谱曲线可看到，SSE地震波的实际反应谱已包络期望反应谱。

 

图5    X、Y和Z向SSE反应谱及生成的地震波曲线图

 

五、试验合格判断

 

（1）所进行试验的发电机组设备在人工地震振动过程中应处于良好的可运行状态，其结构连接件无松动脱落，各焊接部位牢固无裂纹。试验样机无漏油、漏水漏气，电气线路布线整齐，连接性能良好。

（2）在第五次OBE和第一次SSE地震考核试验时对发电机组进行空载启动。发电机组启动时，监测发电机组的电压、频率等运行参数，发电机组应在规定时间内建立稳定的电压和频率。

（3）抗震试验结束后必须对发电机组进行最终检验，应对设备的外型、结构和功能进行测试和检查，并与试验前的基准数据相比，以证明设备在地震后的完整性、功能性和可运行性，必要时可拆卸检查。

（4）安全级柴油发电机组的抗震试验受到振动台设备能力的限制，目前只能做2000kW以下功率段发电机组的试验，2000kW以上功率段发电机组的抗震鉴定只能通过分析计算来进行，但分析计算的软件必须是可靠的，有足够的精确度的，且得到有关核安全监管部门的认可。

      地震模拟振动台上的抗震试验为破坏性试验，经过抗震试验的设备一般不应作为产品安装于核电站，除非能证明由于抗震鉴定试验所带来的累计的应力循环所引起的疲劳不会使设备降级，影响其履行安全功能的能力。

 

总结：

      为验证核安全级柴油发电机组的抗震I类功能，必须进行柴油发电机组的抗震鉴定。通过进行抗震鉴定验证其各组成部分在地震荷载的作用下是否能够保持完整，正常运行，在多大的荷载下回破坏发电机组的整体结构，影响发电机组的正常运行。在鉴定的时候，应按照鉴各部件尺寸、形状以及复杂程度来确定相应的鉴定方法。抗震鉴定可采用分析方法、试验方法或分析与试验相结合的方法。另外，还可采用经验反馈方法进行推理论证。当分析不足以合理又可信地证实抗震I类设备的完整性和可运行性时，必须用试验法进行鉴定。上述文章所列内容只介绍核安全级柴油发电机组在地震模拟振动台上的抗震试验方法，若需了解其他内容请在康明斯官网搜索相关关键词。

 

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