电网冲击下汽轮发电机组轴系扭振响应分析_硕士学位论文

1、电网冲击下汽轮发电机组轴系扭振响应分析_硕士学位论文 华北电力大学保定 硕士学位论文 电网冲击下汽轮发电机组轴系扭振响应分析 姓名：陈秀娟 申请学位级别：硕士 专业：机械工程;机械电子工程 指导教师：唐贵基; 向玲 2021-03 华北电力大学硕士学位论文 摘 要 随着电力系统的开展，汽轮发电机组轴系扭振问题越来越突出。电力系统 故障和运行方式改变都可能产生较大的电网冲击，激起机组轴系扭振。分析电 网冲击下的机组轴系扭振响应特性对保证机组的平安运行有十分重要的意义。 以东方300MW 汽轮发电机组轴系扭振物理模拟机为研究对象，建立了模 拟机轴系的多段集中质量模型。对Riccati 传递矩阵法进

2、行了改良，采用改良后 算法和Holzer 法计算了轴系扭振固有特性，结果与实测结果相吻合。 采用Newmark- 增量法与Riccati 传递矩阵法相结合求解轴系扭振响应。 针对Newmark- 法在时间步长内的线性假设，提出消除线性累积误差的方法， 建立了轴系扭振瞬态响应求解模型，得到模拟机在几种典型电网冲击下的扭振 响应特性。分析结果说明：几种典型电网冲击均能不同程度激起轴系扭振固有 频率；在整个轴系扭振响应上，发电机转子和低压缸转子处的响应较大，而发 电机转子处最为严重；不能单纯确定哪种电网冲击引起轴系扭振的响应更大， 响应的大小与轴段位置有关，应视不同轴段具体分析。 论文分析了扭振机电

3、系统的机、电、网各局部模型，建立扭振的机电统一 模型。利用 EMTP-RV 仿真软件进行了电网冲击下的扭振响应仿真分析，所得 响应结果与用Newmark- 增量法和Riccati 传递矩阵相结合的方法计算结果吻 合，为机组轴系扭振的进一步研究提供了理论依据。 关键词：汽轮发电机组；轴系扭振；响应；Riccati 传递矩阵法；EMTP-RV 仿 真 I 华北电力大学硕士学位论文 Abstract With the development of electric power, the problem of shaft Torsional Vibration on turbine generator

4、s has drawn broad attention. Power system fault and operating mode changes may have a greater impact on the power network. These conditions may result in shaft torsional vibration. So it is greatly practical and significant for safe and stable operation units to analyze the response characteristics

5、of torsional vibration with power network impact. Taking an example of torsional vibration simulator on DongFang 300MW turbine generators, the multi-spring mass model of whose shaft is established. Then the inherent characteristics of shaft torsional vibraion are calculated by algorithm of improved

6、Riccati traditional matrix and by that of Holzer. These tesults are consistent with the test results. A new method of Riccati traditional matrix combined with Newmark- incremental method is put forward to solving shaft response of nonlinear torsional vibration system. But there will be a linear supp

7、ose in the time-step when using this method, a method is proposed to eliminate cumulate error from this suppose. Then another model for response of torsional vibration is established. On this model, the response characteristics of shaft torsional vibration are calculated and analyzed under several t

8、ypical impacts of power network. Thus, we can conclude that from this paper, the response characteristics can be described as following: all these impacts can stimulate inherent frequencies on different degrees; for the whole shaft, the responses of low pressure cylinder rotor and of generator rotor

9、 are stronger, especially of generator rotor; the same section of shaft have different response to different impacts, so we can not simply to determine which impacts will cause a stronger response and should analyze problems depending on the actual situation. Torional electromechanical systems is co

10、mposed of mechanic 、electric and network. Submodels of every part are introduced in this paper, then the Model unified electric and mechanic is set up. On the EMTP-RV which is an electro -magnetic transient simulation software , the typical power network impacts are simulated, and the response of sh

11、aft torsional vibration are gained again. The response results are consistent with above results used the new method. It provides a reference for further research on the actual units. Keywords: turbine generators; torsional vibration of shaft; response; Riccati traditional matrix method; EMTP-RV sim

12、ulation II 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文?电网冲击下汽轮发电机组轴 系扭振响应分析?，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明局部外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要奉献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承当。 作者签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 ?电网冲击下汽轮发电机组轴系扭振响应分析?系本人在华北电力大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华

13、北 电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保存并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或局部内 容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或局部内容。 本学位论文属于请在以上相应方框内打“： 保密，在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文 第1 章 绪 论 1.1 课题研究的背景和意义 根据“十二五能源战略规划

14、，火力发电在我国电力事业的开展中比重将 有所下降，但仍占有重要地位，水电、核电比重将不断增加，未来几年，机组 容量都会不断增大，600MW、1000MW 及以上机组不断投入使用，推动现代电 力工业不断向大机组、大电网、超高压、自动化快速开展。然而，随着单机容 量和功率的不断增大，轴系变得相对细长，其扭转刚度相对下降；同时，输电 网络大容量化、长距离化、系统结构复杂化，电力负荷多样化以及新型输配电 技术的采用，也使得输电技术变得越来越复杂，这些都使诱发机组振动的潜在 因素日益增加，电力系统因故障或运行方式变化引起的机电暂态过程，也有可 能导致汽轮发电机组轴系扭振。由于电力系统和机械系统这两方面的

15、显著变化， 电网与机组的相互作用是关系到电网与汽轮发电机组平安可靠运行的重大问题 1 。因此，现代电力工业的开展对机组和电网都提出了更多更高的要求。 据相关资料统计2-6 ，国内外在上世纪六十年代到九十年代间因扭振引起的 机组轴系损坏事故高达 30 多起，这些事故涉及的机组包括单机容量为 50MW 以上的火电机组以及900MW 的核电机组等，其中汽轮机大轴、叶片事故占总 事故的75% ，并且大轴事故仅次于叶片事故。1970 年至 1971 年，美国Mohave 电站由通用公司制造的790MW 机组，发电机与励磁机间的轴段先后两次发生 断裂4 ；1973 年，原西德Niedqraussen 电站

16、一台600MW 的机组在进行 135° 非同步试验时，发电机端部线圈损坏、联轴器局部变形、联轴器螺栓开裂5 。 事后调查分析都是由于电网冲击引起轴系扭振造成的。八十年代起，我国也先 后发生了多起同类事故6 ，1985 年，大同电厂一台国产200MW 机组负荷加载 过程中发生低励失步，机组严重超速，最终导致大轴断裂成五段，大量汽机叶 片折断并甩出汽缸；1988 年，秦岭电厂一台200MW 机组在机网脱离的情况下 做超速试验时，发生了重大事故，大轴断裂成 13 段、大轴轴系部件甩出。 1 华北电力大学硕士学位论文 上述由扭振造成的事故所带来的损失是沉重的，这就促使国内外学者对电 7 网冲

17、击下的汽轮发电机组轴系扭振展开全面研究 。分析机组轴系扭振的原因 及机理，剖析振动的特性、规律及影响因素，找出预防和抑制措施，从而建立 一套轴系扭振监测、预防和处理系统，这对于保证大型汽轮发电机组的平安可 靠运行有十分重要的意义。 1.2 扭振产生的机理 汽轮发电机组轴系是一个弹性体，工作时由汽轮机带动发电机旋转发电。 在负荷稳定时，汽轮机产生的有效驱动转矩与由外界负荷决定的发电机电磁制 动转矩相互平衡，这时为了传递扭矩，机组沿轴长会有一定的扭转变形，形成 一定的扭转角分布；当发生机电系统扰动时，扭矩失去平衡，机组的调节系统 迅速调整汽轮机的参数以求恢复平衡，保持转速稳定和功率平衡，这个调节过

18、 8 程会使机组轴系产生扭转振动以下简称扭振 。 系统机电扰动主要包括两方面：同步发电机及电网系统引入的电气扰动和 9 汽轮机及其调节系统引入的机械扰动。国内外研究资料说明 ，电气扰动是引 起机组轴系扭振的主要原因，主要包括两类：第一类是由有源电力设备及其控 制系统HVDC ，PSS ，SVC 等引起的次同步振荡SSO 和输电线路串联 补偿电容引起的次同步谐振SSR ；第二类是指各种急剧扰动，如短路、非同 期并网、自动重合闸、甩负荷等。机械扰动相对较少，有调速系统晃动、快控 汽门、不适当的进汽方式等。不同类型的系统扰动，对机组轴系扭振有着不同 的影响，通常有三种根本形式8 ：次同步共振、超同步

19、共振和振荡扭矩冲击性 扭振。 1.3 扭振的研究现状 自上世纪七十年代美国Mohave 电站发生轴系扭振事故后，汽轮发电机组 轴系扭振问题引起国内外众多学者的广泛关注，掀起了扭振研究的热潮。经过 近四十年的研究，取得了一系列的成果，美国西屋West House 公司在轴系 2 华北电力大学硕士学位论文 10 扭振设计、计算、测试方面处于领先地位，并进行过屡次现场实测 ；IEEE 11 的SSR 工作小组开展的次同步谐振对轴系扭振影响研究取得了一定成果 ；日 本三菱公司从精密模型方面入手，开发了 MH1preeise 、Mark1 、Mark2 轴系扭 振设计计算方法，并于 1977 年进行了首

20、次在线监测。我国对轴系扭振问题的研 究起步较晚，自上世纪八十年代后期才开始关注此类问题。西安热工所、西安 交通大学、清华大学、华北电力大学、哈尔滨工业大学等单位都开展了汽轮发 电机组轴系扭振的研究工作，并在分析轴系扭振的危害及对策、轴系固有特性 和振型计算、扭振疲劳寿命损耗估算以及扭振的测试方法和现场扭振固有频率 12 的实测等方面也取得了一定的成果，且正逐步推广到生产实际中 。 国内外对轴系扭振问题的研究主要有两方面：理论研究和现场实测。理论 研究主要有：系统模型的建立和仿真计算，关于扭振阻尼影响的研究，汽轮发 电机组轴系扭振特性和扭振响应研究，扭振疲劳寿命损耗的估计方法及材料疲 劳特性的研

21、究，扭振的非线性问题研究；现场实测主要有：扭振特性的现场实 测方法，轴系扭振信号分析及在线监测装置的研究，防止机电耦合的控制手段 和运行措施的研究等13 。目前学者们对该领域的研究更加深入，开始转向扭振 的精确化建模、弯扭耦合、整个电力系统的机电耦合、扭振的非线性以及主动 控制等方面的研究。 1.3.1 轴系扭振模型 轴系扭振模型和分析方法是扭振研究的根底。汽轮发电机组轴系扭振现象 的发生是机、电、网三局部相互作用的结果。扭振机电模型应包括机、电、网 这三大局部的所有模型，可分为五个模块14 ：a.汽轮发电机组轴系包括汽轮 机转子、发电机和励磁机转子模型；b.汽轮机及其调速系统；c.发电机及其

22、励 磁调节系统；d. 电力网络；e.机网接口。其中，轴系模型与机网接口模型及算法 是扭振模型的关键，其他3 个模型已开展比拟完备15-17 。 目前常用的轴系模型可分为两类：分布连续质量模型和集中质量模型。 分布质量模型用偏微分方程形式表示，一般采用有限元法求解，计算结果精确， 3 华北电力大学硕士学位论文 可以得到同一模型任意截面上的扭振参数，测出扭应力最大的危险截面位置， 其模型简化更接近实际系统，但其缺点是计算过程复杂，速度较慢，不便与电 磁暂态程序联结18 。在实际应用中，分布质量模型需进行离散，降阶处理。集 中质量模型有简单集中质量模型和多段集中质量模型两种。简单集中质量模型 能较准

23、确地反映轴系的低阶扭振特性，方程阶数低，计算量小，可方便地与电 磁暂态仿真程序联结，但其主要缺点是不能分析转子任意截面上的受力情况， 且难以计算较高阶扭振特性；多段集中质量模型兼具前两者的长处，既能准确 地描述低阶和高阶的扭振特性，又防止了庞大计算量，故得到了广泛应用18 。 然而目前的轴系建模方法仍有几个问题有待解决：对于降阶模型，难以确定合 适的阶数以便定性或定量地进行分析；未能很好地考虑阻尼系数及参数摄动对 轴系模型的影响。 机网接口模型是指在轴系扭振暂态仿真时将发电机暂态过程模型和电网部 分暂态模型连接进行全系统仿真的模型18 。该模型的选择决定了机网联解过程 的复杂程度，也是产生数值

24、仿真累积误差的重要因素。目前机网接口方法大致 18 分为两类 ：归并联解和交替联解。归并联解算法指网络向发电机归并或发电 机向网络归并。补偿法、等值电阻法和等值电导法属于归并解算。交替解算法 是用隐式梯形法解网络局部的微分方程，用改良欧拉法解发电机局部的微分方 程。文献19-22分别分析了这几种机网接口方法各自的优缺点，此外还有其 他的数值计算方法，如龙格库塔法，Wilson- 数值积分法，Houbolt 法，Newmark 法，尤拉后差法等。这些方法在计算精度和数值稳定性方面均有优缺点，综合 运用几种方法，不同计算阶段采用不同算法，能在一定程度上降低误差。 1.3.2 扭振的仿真计算 汽轮发

25、电机组扭振的分析一般有稳定性分析和动态响应分析两种。稳定性 23 24 分析的主要方法有传递矩阵法、特征根分析法 、等值阻抗法 和复力矩系数 法25等。传递矩阵法及其各种改良形式由于其计算量小、精度高，得到了广泛 应用，文献26-29进行了传递矩阵应用方面的研究。动态响应分析主要使用时 4 华北电力大学硕士学位论文 域仿真，用数值积分的方法求解描述整个系统的微分方程组，可计算冲击扭矩 响应、轴系寿命损失、不稳定扭振过程。求解扭振响应是一种刚性问题，数字 仿真时步长不能太大，需要选择适合刚性问题求解的仿真方法，常用的时域响 应计算有振型叠加法、传递矩阵法和时域有限元法、常微分方程初值问题数值 求

26、解等。 30 此外，针对多段集中质量模型，一些新算法如状态向量法 、特征向量法 31 32 33 、扭转弹性波理论 以及考虑阻尼特性的一些计算方法 等开始应用于扭振 响应计算，甚至目前一些研究热门如混沌动力学34 35 、人工神经网络 也应用于 扭振研究，但这些算法目前还都处在理论研究阶段，还需进一步研究。 分析电力系统扰动下的汽轮发电机组轴系扭振，关键是分析轴系扭矩的变 化过程，主要借助数值仿真手段。目前各国都开展了不少数值仿真程序36 ，其 中最有影响的是美国 BPA1975 年扩展后的电磁暂态程序 EMTP 和西德 KWU 1972 年改编的机网程序NETOMAC ；美国西屋公司的N.H

27、.PH0975 汽轮发电机 组轴系扭振及动力响应计算程序日趋完善，并为我国上海发电设备成套设计研 究院引进。中国电科院等单位应用引进的EMTP 修改版本分析过某些国产机组 轴系的受力问题。我国上海交通大学编制了电力系统机网相互作用的数字仿真 程序MANDISP ，并对采用引进技术生产的300MW 和600MW 汽轮发电机组进 37 行了轴系扭振计算 。 1.3.3 扭振的测试与在线监测 为防止扭振事故的发生，不仅要在设计阶段进行详细的扭振计算，还要在 机组投运后进行扭振测试与在线监测，分析监测数据并进行及时的预防和控制。 进行机组轴系扭振特性测试的关键是确定激振方法。目前为止，有几种激 振方法

28、能有效激发机组轴系扭振，主要有38 ：盘车起合激振、起合串补电容激 振、并网激振、稳态不对称短路变频激振及励磁变频激振。 扭振测试的根本方法主要有接触测量法和非接触测量法两大类。接触测量 法又称轴上法需要在轴上安装传感器，在某些场合不适合，一般用于测量 5 华北电力大学硕士学位论文 扭应力；非接触测量法一般利用轴上的测试齿轮或其他等分结构进行测试，又 39 叫“测齿法，用于测量扭转角速度 。此外还有光电编码器测量法、脉冲时 序法、激光测扭法等。 40 ：扭振仪、扭应力分 目前，用于扭振在线监测和分析的装置主要有三种 析仪和扭振监测系统。其中扭振监测系统由现场监测装置和远程中心两大局部 组成，它

29、的轴系模型由一组扭振模态方程实现，并且可同时对假设干电厂内多台 机组的扭振情况进行监测，比其他两种装置更先进可靠，因此，在扭振监测领 域被广泛应用40 。欧美一些兴旺国家早在上世纪七八十年代就在一批发电机组 上安装了扭振监测装置，其中原西德 1977 年研制成功的扭应力分析仪TSA 和美国EPRI1982 年研制成功的扭振监测系统TVMS 最具代表性，此外还有 41 英国的TV-I 型扭振仪，美国的2521 、TVSC 、FC-62/VED-223A 型扭振仪等 。 我国目前已有的扭振监测装置有：清华大学的DK 系列高精度轴系扭转测量系 统、华北电力大学的TSA2.0 扭振在线监测系统、东南大

30、学的NZ 系列扭振仪和 41 上海电力设备成套研究所研制的DTV-88 、TV-85A 型扭振仪 。 总而言之，国外对扭振问题的研究较为全面，国内在扭振方面的研究与世 界先进水平还存在一定差距。一方面，我国对扭振问题的研究起步较晚，另一 方面，汽轮发电机组扭振问题涉及机械、动力学、电力系统、计算机数值仿真 等多学科的交叉研究，需要研究人员有深厚的根底知识和各部门的协调合作， 因此扭振问题的深入研究和扩展受到了阻碍。 1.4 论文主要内容 本文以东方300MW 汽轮发电机组扭振物理模拟机以下简称扭振模拟机 为研究对象，建立模拟机轴系的集中质量模型，分析机组轴系扭振特性；在模 型建立的根底上，分析

31、电网冲击下的机组轴系扭振响应；同时建立轴系扭振机 电统一模型，利用EMTP-RV 仿真软件进行电网操作和故障下的轴系扭振响应 分析，并与前面的计算结果相互验证，从而得出电网冲击下的机组轴系扭振响 应特性。具体来说，由以下几个局部组成： 6 华北电力大学硕士学位论文 1 对扭振模拟机轴系进行模化以及简化，建立多段集中质量模型。着重 对 Riccati 传递矩阵法进行改良，并用改良的 Riccati 传递矩阵法和 Hozer 法计 算模拟机轴系扭振固有频率和振型。所得结果与实测结果相比照。 2 轴系扭振是非线性的，将 Newmark- 增量法与Riccati 传递矩阵法相 结合求解轴系扭振响应。由

32、于 Newmark- 的线性假设，使得求解结果中出现 线性累积误差，本文提出消除这种误差的方法，建立汽轮发电机组轴系扭振瞬 态响应求解模型。在此根底上，对模拟机进行几种典型电网冲击故障下的轴系 扭振响应分析。 3 介绍轴系扭振所涉及的机、电、网三大局部的模型，建立轴系扭振机 电统一模型。利用电磁暂态仿真软件EMTP-RV 进行典型电网冲击故障仿真， 分析故障下的轴系扭振响应特征，并与前面的响应计算结果相互比照、验证， 从而得到机组轴系在电网冲击下的扭振响应特性。 7 华北电力大学硕士学位论文 第2 章 轴系扭振固有特性分析 轴系扭振的固有特性包括固有特性和振型是扭振问题研究的根底。准 确的扭振

33、固有特性为后续的扭振研究提供分析依据和参考。汽轮发电机组轴系 是一个非常复杂的系统，要获得其准确的轴系扭振固有特性，必须应用合理、 有效的模化和简化方法，将实际轴系化简成可进行数学计算的力学模型。 轴系扭振计算采用的模型有分布连续质量模型、简单集中质量模型和 多段集中质量模型。多段集中质量模型兼具前两者的优点，应用广泛。本章介 绍了大型汽轮发电机组轴系的模化与简化方法，建立多段集中质量模型，并对 Riccati 传递矩阵法进行改良，分别利用改良后的算法和Hozer 法对扭振模拟机 的轴系扭振固有特性进行了理论计算，并与实测结果进行比拟。 2.1 轴系模型 多段集中质量模型是多质量块的质量弹簧系

34、统，是分布质量模型的近似 描述，当模型的质量块数趋于无穷多时，该模型就相当于分布质量模型。在实 际计算时，结合汽轮发电机组轴系的结构特点，根据分析需要质量块数可有几 十段到几百段不等，一般在 50300 内取值18 。该模型简单，计算量小，计算 低阶固有频率时，精度也能很好地满足工程要求。 采用集中质量模型时，在不改变实际系统结构特点的前提下，为了便于计 算，需要对系统做如下简化42 ： 1将轴段看成无质量的弹簧； 2 分析轴系扭转变形时，不考虑轴的弯曲变形和纵向变形； 3 认为支承是刚性的； 4 阻尼对轴的特性影响很小，故自由振动时可忽略系统的阻尼。 8 华北电力大学硕士学位论文 2.1.1

35、 模型建立 对于实际的汽轮发电机组轴系，转子是一个变截面连续部件，且轴上某些 部位装有多级叶轮与其它附加元件。要建立多段集中质量模型，必须对转子离 散化，采用集总参数法进行离散。 J 1 J 2 J 3 J 4 J N ?1 J N K 1 K 2 K 3 K N ?1 C1 C2 C3 C4 CN ?1 CN 图2-1 多段集中质量模型 采用集总参数法时，转子被模化为一具有假设干集总质量的多自由度系统， 即沿轴线把转子集总到假设干结点上，这些结点一般选在叶轮、轴颈、轴截面突 变、轴的端部以及联轴节等处，结点间由无质量弹性轴段连接。每个结点用等 效惯量直径计算结点转动惯量的直径表示，每个轴段用

36、等效抗扭刚度直径 计算轴段的抗扭刚度表示，模化时必须遵循保证长度、抗扭刚度和转动惯 量不变的等效原那么43 。将轴系模化成如图2-1 所示的多段集中质量模型。图中J i 表示第i 个质量块的转动惯量，K 表示第i 个轴段的扭转刚度，C 表示第i 个质 i i 量块的阻尼，计算中假设不计阻尼，其值设为0 。 44 轴段转动惯量的计算式为 ： J ?L ?I p 2-1 式中 L 轴段长度 m ； I 截面极惯性矩 m-4 。对于空心轴，I d 4 ?d 4 ，d 4 、d 4 p p 32 0 0 分别为轴内外径；对于实心轴，I d 4 ； p 32 3 轴段材料的密度 kg/m 。 44 轴段的扭转刚度值等于该轴段扭转柔度值的倒数，其计算式 为： 9 华北电力大学硕士学位论文 GI K p 2-2 L 式中：G 材料剪切弹性模量 Pa 。 2.1.2 模型简化 当轴系模型的自由度数目很多时，计算系统固有频率时，需要解高次代数 方程，计算复杂且时间较长，同时模型