大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振特性研究

張晏銘（華中科技大學(xué)，430074）

大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振特性研究

張晏銘（華中科技大學(xué)，430074）

電力是現(xiàn)代的主要的能源。電力是以電能作為動(dòng)力的能源，發(fā)明于19世紀(jì)70年代。20世紀(jì)出現(xiàn)的大規(guī)模電力系統(tǒng)是人類工程科學(xué)史上最重要的成就之一，是由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電力生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)?，F(xiàn)在的電機(jī)組一般單機(jī)容量為600～1000MW的大型汽輪發(fā)電機(jī)組。本文通過(guò)對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)、大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振特性的研究，以及大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振響應(yīng)的分析，介紹汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性和我國(guó)的調(diào)峰方式，并得出軸系在機(jī)組如果變成負(fù)荷會(huì)有什么樣響應(yīng)?？摧S系的扭矩波形圖的主要頻率成分是否包含工頻等。

大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系；扭振特性；扭振響應(yīng)

前言

我國(guó)國(guó)民對(duì)電力的需求越來(lái)越大，家庭中的家用電器越來(lái)越齊全，驅(qū)動(dòng)著我國(guó)的汽輪大電機(jī)不得不加大機(jī)組，不得不提高參數(shù)，不得不把容量加大。汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量與機(jī)組的軸系密切相關(guān)，單機(jī)容量增大，機(jī)組的軸系就得跟著變細(xì)加長(zhǎng)，這樣就會(huì)出現(xiàn)軸系的抗扭剛度變小；電網(wǎng)的容量也相應(yīng)增加，這樣就會(huì)增加電網(wǎng)的不穩(wěn)定因素，故障就會(huì)相應(yīng)而生，所以研究大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振特性就非常有必要，為人民更加方便用電，對(duì)大型汽輪機(jī)組軸系扭振工作年限進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，并及時(shí)檢查更換非常有必要。

1 大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)

大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振是指因機(jī)電擾動(dòng)或非正常運(yùn)行方式產(chǎn)生的扭系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可使軸系的某種界面或者聯(lián)軸節(jié)處產(chǎn)生過(guò)大的交變扭應(yīng)力，導(dǎo)致軸系的沖擊性或者疲勞累積性損壞，直接威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)有四缸四排汽、三缸三排汽、兩缸兩排汽。大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)主要有汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，軸承支撐結(jié)構(gòu)等三大主要塊組成。其中每一種都有其內(nèi)部細(xì)微的構(gòu)造。

隨著生活水平的提高，用電的需求越來(lái)越大，所以電網(wǎng)負(fù)荷峰谷日夜差距比較大，季節(jié)性差異也越來(lái)越明顯，夏冬季由于空調(diào)的使用，加大了電網(wǎng)的負(fù)荷，為保證用電安全，所以要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)峰運(yùn)行。具體的調(diào)峰方法，可以選擇低負(fù)荷運(yùn)行和兩班制調(diào)峰。當(dāng)選擇低負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)，可以進(jìn)一步分選為有定壓運(yùn)行、滑壓運(yùn)行和復(fù)合滑壓運(yùn)行。

2 大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振特性

大電網(wǎng)和大機(jī)組相互配合、作用與協(xié)調(diào)中出現(xiàn)的突出問(wèn)題，涉及電力系統(tǒng)、電機(jī)、汽輪機(jī)、自動(dòng)控制、力學(xué)、材料等多個(gè)專業(yè)學(xué)科。其危害具有潛伏性，不容易被察覺(jué)，所以經(jīng)常被忽視。

不同類型的機(jī)電系統(tǒng)擾動(dòng)對(duì)機(jī)組軸系扭振有著不同的影響，一般可以將軸系扭振分成三種類型即：次同步共振，超同步共振和振蕩扭矩沖擊性共振。次同步共振是機(jī)電系統(tǒng)的一種自激振蕩狀態(tài)，即電網(wǎng)在低于系統(tǒng)同步的一個(gè)或幾個(gè)頻率下與汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行能力交換。由于汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性較大，對(duì)軸系本身的低階扭振模態(tài)十分敏感，呈低周應(yīng)力的受力狀態(tài)，容易使軸或聯(lián)軸器螺栓疲勞損傷，危害很大。超同步共振是在電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡、各種不對(duì)稱短路等情況下，發(fā)電機(jī)定子繞組中除存在正序電流外，還出現(xiàn)負(fù)序電流。當(dāng)電廠出現(xiàn)附近發(fā)生短路、非同期并網(wǎng)以及切除故障時(shí)，很可能就會(huì)產(chǎn)生在發(fā)電機(jī)定子電流中出現(xiàn)直流分量，由它產(chǎn)生的磁場(chǎng)同轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用，將產(chǎn)生頻率為周波頻率的轉(zhuǎn)矩并作用與機(jī)組軸系上，這樣就產(chǎn)生了同步機(jī)電共振。振蕩扭矩沖擊性共振是由于瞬時(shí)性對(duì)稱與不對(duì)稱短路、自動(dòng)重合閘、非同期并網(wǎng)、甩負(fù)荷、瞬間快控汽門及線路開(kāi)關(guān)切合操作等突發(fā)性機(jī)電擾動(dòng)，將可能產(chǎn)生短時(shí)間沖擊性扭矩，形成短時(shí)間沖擊性軸系扭振。

3 大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振響應(yīng)

對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振響應(yīng)進(jìn)行衡量時(shí)，一般要對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算方法一般采取時(shí)域仿真的方法。主要方法包括有限元、狀態(tài)疊加、傳遞矩陣三種。大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的扭振響應(yīng)，主要是在快速變負(fù)荷情況下，在這個(gè)情況下，會(huì)影響軸系的穩(wěn)定性、燃燒的鍋爐的穩(wěn)定性，還有機(jī)組的一些輔助系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。再之我們利用扭振傳遞矩陣進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要選擇合理的、典型的單元進(jìn)行分段計(jì)算，在利用狀態(tài)疊加算出總的斷面的角位移增量。這其中的典型單元要選的具有代表性，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)扭轉(zhuǎn)傳遞矩陣影響較大，所以在選擇時(shí)可以控制為只有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的剛性圓盤和只有扭轉(zhuǎn)剛度的彈性軸段進(jìn)行計(jì)算。這其中假定其他參數(shù)為零，肯定會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，誤差不能避免，我們只能盡量減少誤差，這就需要在進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí)，一定要控制在誤差精度范圍內(nèi)。

4 大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振工作年限

任何類型的軸系扭振，即使不是一次性的損壞，也會(huì)出現(xiàn)不同程度的疲勞損壞。它不僅會(huì)對(duì)軸系本身產(chǎn)生影響，而且會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)定子端產(chǎn)生影響。大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振的工作年限主要取決于材料零件的使用年限。當(dāng)零件所承受的扭振力大于其極限承載力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)零件損壞。零件損壞主要從零件產(chǎn)生裂隙開(kāi)始，當(dāng)裂隙出應(yīng)力集中時(shí)，會(huì)使裂隙繼續(xù)擴(kuò)充，最后斷裂。

影響發(fā)電組軸系的疲勞積累的主要原因有：零件表面的應(yīng)力不均勻，應(yīng)力集中在某一軟弱部分，還有就是軸系的幾何尺寸限制，零件表面加工和表面處理不合理，外界的溫度過(guò)高或者過(guò)低，金屬表面出現(xiàn)腐蝕，零件工作頻率過(guò)高，轉(zhuǎn)速影響汽輪發(fā)電機(jī)軸系的金屬。

對(duì)于上面的種種因素，我們要采取相應(yīng)的措施解決這些問(wèn)題。首先要防止和抑制次同步機(jī)電共振。我們可以通過(guò)添加濾波器和阻尼裝置，我們可以讓一定頻率的波進(jìn)來(lái)，其他頻率的波全被隔離掉。還有就是要對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁進(jìn)行控制或者定期手動(dòng)調(diào)節(jié)。另外在選擇開(kāi)關(guān)時(shí)，要選擇合適的開(kāi)關(guān)，并規(guī)范操作開(kāi)關(guān)切合器，在開(kāi)關(guān)地方還要假設(shè)保護(hù)和監(jiān)測(cè)裝置，像電閘，當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)，自動(dòng)跳閘保護(hù)開(kāi)關(guān)，確保電力安全。超同步共振的危害也相當(dāng)大，這是我們就要保持三相電的平衡，軸系調(diào)頻均勻有序。對(duì)于沖擊性扭振，要限制開(kāi)關(guān)線路，在非同期并網(wǎng)時(shí)，要特別注意角度的設(shè)置，一定不要進(jìn)行120°并網(wǎng)，后果非常危險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振特性分析對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)是十分有必要的，尤其固有的特性，在對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)分析是，要根據(jù)不同的類型選擇不同的方法，進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。還有在選擇發(fā)電機(jī)零件時(shí)一定要根據(jù)其最大扭矩值進(jìn)行合理地選擇。在防止和控制次同步共振，超同步共振和振蕩扭矩沖擊性共振時(shí)，要把握要求，做好各項(xiàng)準(zhǔn)備，防止事故發(fā)生。

[1]劉峻華.大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振研究[D].華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2006，05.

[2]許鎮(zhèn)楚，張恒禱.汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振事故剖析和技術(shù)開(kāi)發(fā)展望[J].動(dòng)力工程，1990，10（2）：9～14.

[3]劉英哲，傅行軍.汽輪發(fā)電機(jī)組扭振[M].北京：中國(guó)電力出版社，1997.

[4]顧志平，劉永壽.非線性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的傳遞矩陣技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010，10.

[5]郭慧東.汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振分析及機(jī)電系統(tǒng)仿真[D].華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005，03.

[6]何成兵，顧煜炯，等.汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振模型——四端網(wǎng)絡(luò)模型的完善[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2001，44（4）.

[7]虞 烈，劉 恒.軸承——轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[8]陳秀娟.電網(wǎng)沖擊下汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振響應(yīng)分析[M].華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011，03.

[9]何成兵，等.汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振模型和算法綜述[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，05（2）：56～60.

[10]何成兵.汽輪發(fā)電機(jī)組軸系彎扭耦合振動(dòng)研究[B].華北電力大學(xué)博士論文，2003，03.

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2095-2066（2016）05-0070-02

2016-1-20