调相机基础动力特性研究

王慧慧 李天天

摘要：对国内某换流站调相机框架式基础采用SAP2000计算软件进行动力特性分析，并对不同梁、柱截面的框架基础分别进行稳态分析，对调相机框架式基础优化设计提出有益的意见。

关键词：调相机组;框架式基础;稳态分析

1 概述

随着大容量、远距离特高压交直流输电技术的发展，特高压直流工程换流站或受端近区电网开展加装调相机工程应运而生。近期国家电网公司已明确部署抓紧开展调相机在电网中的应用工作，但是目前国内还没有正式投运的调相机工程，在调相机基础动力特性研究方面还是空白。

调相机是换流站的重要设备之一，调相机组是通过其转子运动而实现能量转换，是精密度很高的大型旋转机器，基础力学性能的好坏，直接关系到机组的动力特性和换流站的安全运营。目前，大型汽轮发电机组基本上都采用框架式基础^[1]。因此，调相机基础也采用框架式基础。所以，对调相机组框架式基礎的动力学特性进行研究具有重要的意义。

本文采用SAP2000有限元分析软件对国内某换流站的1台300Mvar的调相机基础进行了动力特性分析计算。

2 空间框架式基础的计算原则

调相机组框架式基础是一个复杂的空间多自由度框架体系，通常由梁、板、柱等构件组成。随着计算技术的发展，原有的两自由度的简化计算方法己逐渐为空间多自由度的计算方法取代。为了保证计算结果的一致性和正确性，减少因建模对结果造成的影响，应按照《建筑振动工程手册》^[2]和《动力机器基础设计规范》（GB50040-96）^[3]的规定，对空间多自由度汽轮发电机组框架基础的计算模型进行简化。简化后的模型应设置足够多的质点，使每一杆单元的基频都不低于工作转速的1.4倍，以保证该转速范围内基础的所有振型都能参与叠加;其中纵横梁交点、梁柱交点以及扰力作用点必须设置质点。

3 工程实例

3.1 实例概况

国内某换流站调相机框架式基础，基础顶板标高7.500 m，长16.620m，宽7.450m，板厚2.5 m，柱2列，每列两根，纵向柱距分别为11.62m，横向柱距5.15m，柱截面1.0m×1.3m，混凝土C30。机组设计参数见表l。调相机定子、转子及冷凝器负荷大小及分布分别见表2和图1。

3.2 模态分析

模态分析用于确定结构的模态，计算出结构自由振动的振型和周期（频率），这些自振振型对了解结构内在特性很有帮助。前30个主振型的自振频率和周期见表3。

3.3 动力计算的稳态分析

结构在简谐荷载作用下，其振动由两部分组成：一是按荷载频率（机器频率）的振动，即稳态强迫振动;二是按自振频率的振动，即伴生的自由振动，伴生的自由振动由于存在阻尼，在短时间内即行消失。通过对结构振动的稳态分析，计算出振动速度和振动线位移，按《动力机器基础设计规范》来判断结构设计是否合理。3.4 计算结果分析

在框架式动力基础设计中存在两种意见，—种认为柱子应刚—些，即将柱截面加大，使自振频率超过机器转速，即为高频基础;—种认为应柔一些，而采用细柱，使自振频率低于机器的工作转速，即为低频基础。根据我国现行规范《动力机器基础设计规范》设计的基础为低频基础。但基础构件截面尺寸的变化对基础动力特性有何影响，仍需在计算中加以分析。因此，在对基础进行动力计算的过程中，对基础进行了多方案的比较，计算结果见表4。

由上表中计算结果可以发现如下规律当基础顶板质量不变时，随着柱截面由900×1200mm逐步增大到1100X1400mm，即柱刚度逐渐增大时，各质量点的垂直振幅值逐渐也增大，由此证明在旋转式机器框架式基础设计中柱子的刚度越小则质量点的垂直振幅越小，越有利于基础的振动设计，因此在《动力机器基础设计规范》（GB50040--96）中要求柱子布置时在满足强度和稳定的前提下宜适当减小刚度，即柱应以柔为件。当柱截面不变时，若改变梁的高度，即改变质点质量，则各点垂直振幅也会发生变化，计算结果见表5所示。

由上表可看出当柱截面不变时，减小梁的截面高度也即减小各质点的质量，则各质点的垂直振幅值随着梁截面的减小而增大，这也就说明增大质点的质量，有利于减小基础的振动。

4 结语

（1）框架式基础的低阶频率都处于汽轮发电机组的启动升速区内或工作区附近（因为机组的工作频率为50HZ），因此，在机组的启动升速过程中都可能会经过一些振动量较大的共振区，所以要想使基础所有的自振频率均至少与机器的工作转速避开20%是不可能的，由此也说明采用振幅法，通过控制基础的振幅在一定的许可范围之内柬作为基础设计准则是要优于共振法的。

（3）当基础横梁尺寸不变时，改变柱截面尺寸（即改变柱的刚度），各质点的垂直振幅将发生变化，随着柱刚度的增大，各质点垂直振幅也增大，这说明在满足承载力、稳定性等的前提下，汽轮发电机组基础的框架式基础的柱子应以柔为佳。

（3）当柱截面不变时，改变横梁断面，也即增大质点的重量，各质点的垂直振幅减小，这说明，增加质点重量有利于减小质点的振动。这一结论可应用于调相组基础的改造和加固中，可通过调整质点的质量来满足基础的动力要求。同时，在计算过程中，可以发现改变质点质量对频率的影响极大，而对振幅的影响则相对较小。而质点质量条件限制及现场的情况变化均会产生误差，这样算出的频率则很难精确，而其对振幅影响较小，则相对控制振幅更接近工程实际。

参考文献

[1]梅德庆等.大型汽轮发电机组框架式基础的动力特性研究[J].动力工程，2001.21（1）.

[2]徐健主编.建筑振动工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[3]第一机械工业部设计研究总院编.动力机器基础设计规范GB50040—96[S].北京：中国建筑工业出版社，1998.