柴油发电机组的抗震试验优化建议

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的抗震试验方法。

1.试验依据

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：

GB/T 12727—2002《核电厂安全系统电气设备质量鉴定》；

GB13625—92《核电厂安全系统电气设备抗震鉴定》；

EJ625—2004《核电厂备用电源用柴油发电机组准则》；

EJ628—1999《核电厂安全级连续工作制电动机的质量鉴定》；

HAFJ0053—1995《核设备抗震鉴定测试指南》；

IEEE344《推荐的核电厂 1E物项抗震鉴定标准》；

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

2.试验内容

试验内容分为两个部分。一是发电机组结构的动力特性试验，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。二是发电机组抗震性能考核试验，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。

3.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（参见图9-14）。

图9-14 安全级应急发电机组样机及控制柜和开关柜在抗震台上的安装

（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。其中，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；柴油机飞轮上方的A2测点X、Y、Z向分别是4、5、6通道；柴油机机体上部的A3测点X、Y、Z向分别是7、8、9通道；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；控制屏顶部的A5测点X、Y、Z向分别是13、14、15通道；发电机后端中部的A6测点X、Y、Z向分别是16、17、18通道；机组根部的A7测点X、Y、Z向分别是19、20、21通道；开关柜顶部的A8测点X、Y、Z向分别是22、23、24通道；开关安装板上面的A9测点X、Y、Z向分别是25、26、27通道；振动台台面上的A10测点X、Y、Z向分别是28、29、30通道。对于应变测点，控制屏根部的S1测点是1通道；机组根部的S2测点是2通道；开关安装板上面的S3测点是3通道。测点布置图（参见图9-15）。

（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。

图9-15 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

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；(www.xing528.com)

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；

被测发电机组在空载启动时须检测其电气性能。

4.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9-5。

表9-5 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）X、Y和Z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9-16所示。

图9-16 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）X、Y和Z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9-17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。

5.试验合格判断

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。

图9-17 X、Y和Z向SSE反应谱及生成的地震波曲线图

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。

抗震试验结束后必须对机组进行最终检验，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。

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以下功率段机组的试验，2000kW以上功率段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。