Seizmické uloženie samonosného fluidného kotla

Celková kmitajúca hmota kotla je cca 3.200 t. Hlavným problémom podopretia bolo navrhnúť systém odolávajúci na jednej strane extrémnym horizontálnym posúvajúcim silám vyvolaných dynamickým budením konštrukcie a na druhej strane akceptujúci teplotovú dilatáciu kotla ako prirodzený jav normálnej prevádzky. To všetko pri zabezpečení celkovej integrity tlakového systému v jeho najexponovanejších lokalitách.

Riešenie predmetného problému je urobené nielen cez klasický prístup použitím metódy spektrálnej odozvy, ale taktiež kvalitatívne náročnejším aparátom v reálnej časovej oblasti metódou priamej integrácie pohybových rovníc s využitím umelého akcelerogramu. Výsledkom riešenia je originálny návrh uloženia kotla vyhovujúci požadovaným kritériám ako integrálny produkt klasického inžinierskeho prístupu s praktickou aplikáciou výsledkov náročných dynamických analýz.

V auguste roku 2006 podpísala naša spoločnosť kontrakt na dodávku fluidného kotla s parným výkonom 465 t/hod pre tureckého zákazníka (obr. 1). Základnou konštrukčnou charakteristikou tohto kotla je, že je riešený ako samonosný podopetím na spodných komorách membránových stien tlakového systému. Prevádzková hmotnosť kotla činí 3.230 t.
Aj napriek tejto hmotnosti a netradičnému konštrukčnému riešeniu sa sprvu zdalo, že sa nejedná o náročný technický problém, nakoľko podopreté kotly veľkých výkonov sú špecialitou našej firmy už od roku 1995, kedy sme vyvinuli originálny, i keď na pohľad jednoduchý spôsob podopretia nášho prototypu – fluidného kotla v elektrárni Tisová. V tomto prípade sa však situácia značne skomplikovala lokalitou stavby, pretože zákazník sa rozhodol inštalovť zariadenie v seizmicky aktívnej oblasti Turecka (obr. 2). Jeho požiadavkou bolo prispôsobiť tejto skutočnosti konštrukciu kotla tak, aby odolala prípadnému výskytu seizmicity v prvej, t.j. najobťažnejšej seizmickej zóne Turecka v zmysle národných noriem. V tejto zóne je uvažované s PGA na úrovni 0,4 g, ale vzhľadom na zaradenie kotla do prvej skupiny dôležitosti stavieb vzrástla hodnota PGA až na úroveň 0,6 g, čo je aj z pohľadu celosvetového výskytu zemetrasení a ich mohutnosti extra trieda.

Obr. 1 – Fluidný kotol s parným výkonom 465 t za hodinu

Obr. 2 – Seizmická mapa

Z priebehu elastickej krivky spektrálnej odozvy pre pôdne podmienky v lokalite staveniska (obr. 3) vyplýva, že v rezonančnej oblasti v rozsahu budiacej frekvencie 2,5–6,0 Hz dosahuje horizontálne zrýchlenie na úrovni terénu hodnotu až 1,5 g. Pre lepšiu predstavu je to zrýchlenie, pri ktorom by automobil zrýchlil z 0 km/hod na 100 km/hod za 1,85 sec.
Z uvedeného je zrejmé, že sme stáli pred náročným technickým problémom, ktorý nebol doteraz v našej spoločnosti riešený a úplne vybočuje z rámca klasickej kotlárenskej teórie i praxe.
Pre návrh optimálneho technického riešenia bolo potrebné v prvej fáze analýz zodpovedať otázku: „Čo znamená zabezpečiť seizmickú odolnosť zariadenia“. Kontrakt a ani nám dostupné zdroje informácií nedefinovali tento problém jednoznačne. Preto sme sa po dlhých úvahách rozhodli, že voči seizmicite zabezpečíme kotol ako celok, včítane jeho základov. Lokálne poškodenia tlakového systému sme považovali za prípustné. Je to plne v súlade s náhľadom na zabezpečenie seizmickej odolnosti dôležitých stavebných diel.

Obr. 3 – Priebeh elastickej krivky spektrálnej odozvy pre pôdne podmienky v lokalite staveniska

Obr. 4 – 80 pružných podper s únosnosťou cca 80–150 t

Pri riešení konkrétneho spôsobu podopretia sme sa rozhodli celý kotol uložiť na 80 pružných podperách s únosnosťou cca 80–150 t (obr. 4). Vhodným naladením tuhosti podpier sme dosiahli, že rozhodujúce vlastné tvary kmitania sa posunuli do oblasti s akceptovateľnými hodnotami dynamického zaťaženia, resp. horizontálnych zrýchlení na úrovni 0,51–0,59 g. No aj napriek tomu sme museli čeliť problému ako fixovať kotol voči pôsobeniu celkovej horizontálnej posúvajúcej sily na úrovni cca 10.000 kN. Takéto zaťaženie nie je možné lokálne preniesť ani konštrukciou tlakového systému a ani základovými časťami stavby. Preto bolo treba zabezpečiť rovnomerný roznos tohto zaťaženia do viacerých lokalít podopretia a miestne ho zredukovať na úroveň akceptovateľnú tlakovým systémom kotla i prvkami základových častí. Tento efekt sme dosiahli použitím špeciálnych pružných blokov, ktoré majú schopnosť prenosu nielen vertikálneho ale aj horizontálneho zaťaženia s lineárnou pružinovou charakteristkou (obr. 5). Konkrétne rozmiestnenie pružných blokov bolo výrazne ovplyvnené základnou vlastnosťou kotla, t.j. teplotovou dilatáciou (obr. 6). Mohli sme ich situovať iba do tých lokalít, kde boli dilatačné pohyby kotla najmenšie. To preto, aby dilatácia neodčerpala z rezervy, ktorú má blok vyhradený pre prenos seizmického horizontálneho zaťaženia a taktiež aby neboli do tlakového systému vnášané aj počas normálnych prevádzkových podmienok nežiadúce prídavné pnutia.

Obr. 5 – Horizontálne zaťaženie s lineárnou pružinovou charakteristkou

Obr. 6 – Teplotova dilatácia

Obr. 7 – Statická a stabilitná analýza matematického modelu kotla

Obr. 8 – Seizmické budenie bolo realizované v časovej oblasti pomocou umelého 30-sekundového akcelerogramu

Pri riešení uloženia kotla bola použitá statická a stabilitná analýza veľmi podrobného matematického modelu kotla (obr. 7) ale hlavne náročná nelineárna dynamická v reálnej časovej oblasti pomocou umelého 30-sekundového akcelerogramu generovaného priamo z výpočtovej krivky spektrálnej ozvy (obr. 8). Z ukážky priebehu horizontálneho kmitania špeciálnych pružných blokov je zrejmá účelnosť i správnosť ich použitia (obr. 9).

Obr. 9 – Seizmické budenie bolo realizované v časovej oblasti pomocou umelého 30-sekundového akcelerogramu

Distribúciu časti pružných podpier pod spodnými komorami membránových stien tlakového systému je vidno na obrázkoch z CAD modelu predmetnej lokality (obr. 10 a 11) a na ďalšej sade obrázkov ukážku z realizácie diela (obr. 12 a 13).

Obr. 10 a 11 – Ukážka projekčnej realizacie teoretického riešenia  

Obr. 12 a 13 – Ukážka z realizácie diela

Predmetné dielo je ďalším vývojovým mílnikom našej spoločnosti. Doposiaľ nemáme informácie o tom, že by bolo podopretie niektorého z kotlov vo svete riešené takýmto alebo podobným spôsobom.

Autor

• Poppelka Peter