汽轮发电机组轴系扭振分析与保护方式研究

汽轮发电机组轴系扭振分析与保护方式研究Abstract：Alongwiththedevelopmentofmodernelectricpowerindustry,powerofsteam

turbine

generator

unitrapidlyrises,theaxisbecomesrelativelyslender,andthenthetorsionvibrationoftheunitisraised.In

the

meantime,large-capacityandlongdistanceofelectricpowertransmissionsystem,complicationofpowersystemstructure,diversificationof

electricloadandapplicationofnewpowertransmissionanddistributionandcontroltechnologyallcouldhaveagreatimpactontheaxis,andinduce

all

kinds

oftorsionvibrationandresonance.Accidentsthatunitsareseriouslydamagedcausedbytorsionvibrationoftenhappen.Thispaperanalysestheprincipleandstudiestheprotectionmodeofaxistorsionvibrationcombinedwiththepractical

problemoftorsionvibrationinCangDongpowerplant.Keywords:axis,torsionvibration,synchronousresonance摘要：随着现代电力工业的发展，汽轮发电机组的功率迅猛增长，轴系变得相对细长，提出了机组扭振问题，同时输电系统的大容量化、长距离化，电力系统结构的复杂化，电力负荷的多样化以及新型输配电和控制技术的应用都有可能对轴系产生很大的影响，诱发各种扭振、共振，国内外已经发生多起扭振造成机组重大损坏的事故。在2021年9月，我厂组织人员检查发现中低对轮罩壳破裂对转子造成磨损。下半罩壳从水平中分面挂耳处断裂、脱落到轴承箱内，下半罩壳两侧的弧形板从焊缝处已经开裂、全部吊入轴承箱内，并对转子造成两处磨损划痕。在额定工况和短路工况下、磨损部位应力比原设计应力有所增加，需进一步加强监视，特别是转子磨损后轴系的横振和扭振频率的变化情况。关键词：轴系，扭振，次同步谐振。1、前言：近年来，随着电力工业的发展，汽轮发电机组单机容量日益大型化。为提高单机容量，大型汽轮机采用多极汽缸串列布置的结构，轴系由多个转子组成，长达三四十余米，是一个极其复杂的柔性体。当发生机电扰动使得汽轮机驱动转矩和发电机电磁转矩平衡破坏就发生相对扭转振动；尤其是当某些条件下受到频率和轴系扭振固有频率接近或“合拍”的交变转矩作用时，轴系将出现强烈的扭转共振现象。汽轮发电机组发生扭振时，轴系因反复承受较大的扭矩而造成疲劳寿命损耗，甚至导致轴系被直接损坏。当前我国电力系统正处在大机组、大系统、超高压远距离输电、跨区域联网的发展阶段。因此，轴系扭振的保护、控制和镇定研究，对提高大机组和大电网可靠性和经济性、促进我国大机组和大电网的发展，具有重要的理论意义和实用价值。2、国内外关于该课题的研究现状及发展趋势：自从70年代初,美国Mohave火电站的一台790MW机组在不到一年的时间里先后发生两起大轴破坏事故以来,又相继出现了加拿大某机组在投入电力系统稳定器后扭振振幅不断增加，美国第一条可控硅控制的直流输电系统在送端切除交流输电线后送电时发生了次同步谐振等事故。美国、德国、日本等工业发达国家相继开展了汽轮发电机组扭振方面的研究，近20年的时间已取得了显著成效，美国针对不同的电力系统扰动和故障，设计了不同的保护装置。美国西屋公司在轴系扭振设计计算及测试方面处于领先地位，已进行多次现场实测。我国对轴系扭振的研究起步较晚，与国外工业发达国家相比存在较大差距。在“七五”和“八五”的攻关项目中，已进行了大量研究，尤其是在监测和固有特性计算、疲劳寿命研究和产生扭振原因等方面，都取得了较丰硕的成果。2021年开始，四方公司着手研究关于扭振产品的装置原理及其可行性方面的理论支持包括CSC-811P（SEDC）及CSC-812PM（TSR）。公司在坚持自主创新的同时，还与一些高校、科研院所积极合作，加强产学研联合，结合四方电气集团在高科技产品研究、开发、生产、销售、维护及市场开拓等方面的强大优势，在电力系统稳定控制产品开发及其产业化方面进行紧密合作，迅速研制开发出新一代汽轮发电机组轴系扭振系列产品，抓住了潜在的市场机遇，创出了国内汽轮发电机组轴系扭振系列产品的第一制造商。经过消化吸收和多年不懈努力，我公司CSC-812P汽轮发电机组轴系扭振保护装置现已进入产业化阶段，目前在内蒙古伊敏电厂、内蒙古上都电厂、贵州盘南电厂、陕西锦界电厂、陕西府谷电厂、辽宁绥中电厂、内蒙古呼伦贝尔电厂、广东潮州电厂已成功实施工程。北京四方继保自动化股份的汽轮发电机组轴系扭振监测保护产品能够连续、在线监测机组轴系模态和阻尼，实时显示机组当前扭角、模态频率、扭应力、扭转功率；一旦监测到的扭振幅值超过设定的限值，装置告警输出，以及跳闸联动，达到监测保护轴系疲劳的目的。同时装置进行录波，记录扭振数据和有关的状态参数，进行时频分析、模态分析和疲劳分析，计算扭振对轴系造成的损伤，评估机组运行能否继续安全运行，指导进行机组检修。这是公司研发扭振系列产品的意义所在。到目前为止，为了控制汽轮发电机组的扭振国内外采取的措施主要有以下几个方面：2.1励磁系统中投入PSS调节系统，减少电网频繁波动对轴系的冲击；2.2在电网系统的运行中增设某些限制，减少电网的瞬变过程对机组轴系的冲击；2.3针对快速重合闸（HSR）对轴系的影响，轴系的累积疲劳损耗随故障类型、地点、故障清除时间和重合闸时间的不同变化很大，认为发电机近端应禁止采用HSR；对于单相接地及相间故障采用HSR是可行的；对于三相故障只能采用延时重合闸，让轴系扭振能在重合于故障线路之前有足够的时间衰减约一半；当发电机仅通过单线与系统连接时，只能采用单相重合闸。2.4分析扭振特性，在设计和运行时保证机组避免出现严重的共振工况；2.5强化轴系和安装扭振监测、保护设备。所有这些措施都是从电力系统和被动预防方面采取的，对机组扭振问题的研究也主要是分析其产生的机理和如何在设计中避免共振，还很少从轴系本身采取扭振衰减和控制措施。2.6许多大型机组采用自并励静止系统，与三机励磁系统相比，取消了主、副励磁机，缩短了机组长度，减少了大轴联接环节，因而缩短了轴系长度，提高了轴系稳定性。3、汽轮发电机组轴系扭振特性分析：3.1轴系及典型部件的模化为减少扭振给机组带来的危害，避免扭振事故的发生，对于机组轴系进行理论分析计算是必要的。实际的汽轮发电机组轴系是一个非常复杂的系统，因此需按振动特性不变的原则将其转化成可进行计算的理想模型，即当量系统。目前轴系扭振计算采用的模型有简单集中质量模型、多段集中质量模型和连续质量模型。其中连续质量模型精度最高，但模型复杂，计算量大。多段集中质量模型计算量较小，又可保证精度，因此本文选用这种模型对国产660MW机组轴系进行模化。为简化扭振分析计算，再将其进行有效的合并，得到简单集中质量模型。3.2轴系扭振固有特性的计算3.2.1轴系扭振固有特性计算方法常见的轴系扭振固有特性计算方法有多种，如传递矩阵法、霍尔兹法、改进的Riccati传递矩阵法等。本论文采用应用比较广泛的改进的Riccati传递矩阵法进行计算，并采用霍尔兹法进行了验证，计算结果的偏差在误差允许的范围内。3.2.2轴系扭振固有特性计算分析本文采用上述轴系模化方法对国产的660MW机组轴系分段，并标识出了联轴节所在的位置(详细数据见附录)。采用Riccati传递矩阵法模型和霍尔兹法模型并用Delphi语言编制了轴系扭振固有特性的计算程序。3.3轴系扭振设计要求3.3.1轴系扭振频率汽轮发电机组轴系扭振频率的计算值应避开下列区域：45Hz≤≤55Hz93Hz≤≤108Hz避开第一个区域意味着轴系扭振频率应避开工频瞬态电磁力矩激励(冲击扭振)；避开第二个区域意味着轴系扭振频率应避开瞬态电磁力矩激励(超同步共振)。3.3.2轴系扭转应力发电机端两相短路时，汽轮发电机组转子任何部位的最大名义切应力应小于材料抗扭屈服极限，设计判据为：＜式中--发电机两相短路转子最大名义切应力；--材料抗扭屈服极限。3.4汽轮发电机组轴系扭振扭振疲劳分析任何较严重的机电扰动，特别是次同步机电共振、超同步(或同步)共振、切除发电厂近距离三相短路并随之恢复运行电压、120。左右的非同期并网以及三相重合闸(不成功)等振荡扭矩冲击，均有可能导致机组轴系产生高到不允许的机械扭转剪切应力，并对机组轴系安全运行造成严重威胁。分析与试验表明，美国Mohave电站出现的断轴事故就是由于次同步机电共振造成的，而超同步共振则是美国Cleco一Coughlin电站6号机叶根大量断裂和台湾核电三厂叶片脱落的原因。至于国内外大型机组某些联轴节出现剪切损伤痕迹，是与电厂近距离短路故障切除、非同期并网、甩负荷等电力系统干扰下的振荡扭矩冲击分不开的。各类轴系扭振，即使不造成轴系一次性损坏，也会不同程度地引起轴系疲劳寿命损耗。4、汽轮发电机组轴系扭振保护方式分析：4.1目前我国为提高输电能力，推广使用串补电容，增加了汽轮发电机组轴系扭振的发生概率，在某种运行方式下会发生次同步谐振，从而造成轴系的严重损坏。因此，对大型发电机组轴系扭振计算、疲劳寿命的评估并提出有效的扭振保护手段有其重要的意义。4.1.1电网扰动与轴系损伤关系电网扰动对轴系引起的疲劳损耗与扰动类型、发生的条件、轴系结构和材料劳寿命评估方法等许多因素有关。4.1.2次同步谐振下失稳判据在稳态工况下，作用在汽轮机上的机械转矩与作用在发电机上的电磁力矩是平衡的，转子受到恒定的扭矩；而在不稳定的工况下，作用在汽轮机上的力矩与电磁力矩不平衡，从而引起轴系扭振。4.2轴系扭振测量原理目前，转子扭振测量方法主要可分为两大类：接触测量法和非接触测量法。接触测量法是将传感器(如电阻应变片，压电加速度计等)安装在转子上，利用传感器直接感受转子的扭转信号。扭转信号经过集流环或者无线电发讯方式传给接收端进行信号分析和处理从而获得被测转子原始扭转振动的特征；而非接触测量法一般采用‘测齿法’，它借助安装在轴上的码盘、齿轮或其它等分结构，由磁电式、涡流式或光电式非接触传感器，感受扭振引起的不均匀脉冲信号，通过二次仪表的解调处理后达到测量扭振的目的。4.3扭振保护装置(TSR)的应用当电力系统出现低频扰动时，TSR可以通过速度传感器测量机组的实际振动模态，与机组的固有频率振型进行比较，计算瞬时应力。当扭振为失稳状态或大于机组的综合允许寿命损耗时，机组马上解列停机。当扭振为稳定衰减状态，并造成的寿命损耗在规定的范围之内时，机组可以继续运行。反时限疲劳功能将模态速度与保护门限电平相比较，并对每种模式应用了反时限特性。反时限特性同每种模式轴的疲劳能力和疲劳寿命损失特性相协调，当达到反时限特性时，发出跳闸输出信号。TSR包括两个独立的反时限疲劳跳闸功能(一次和二次)。二次跳闸特性同一次相似，但它的整定包括附加的时滞。TSR一次跳闸输出能用来跳开某一线路开关，二次跳闸输出能用来跳开发电机断路器。如果扭振振动在线路跳开后衰减，则发电机不解列。然而，如果扭振振动在线路跳开后仍持续，TSR二次跳闸解列发电机。5、结束语：通过分析国内外关于扭振问题的研究，提出以下尚待解决的问题及一些新的研究方向以供参考：

5.1将现有的SSR分析方法加以改进，并应用于实际的复杂电力系统中是今后需要解决的问题。

5.2对调节系统、励磁系统及新兴的FACTS器件对扭振潜在影响的研究有待进一步开展，以便进行改进，消除事故隐患。

5.3进行扭振实测实验对机组轴系设计很有价值，提高实测技术也很有必要。5.4由于目前关于电网大扰动对轴系影响的研究方法还局限于进行时域仿真，缺乏理论依据，采取的相关对策也相应地较消极，更多的是限制某项操作而不是去改善它。。

5.5目前现场对扭振的处理方式基本还是以电科院分析并出具治理方案为主，发电企业实施措施为辅的模式，客观上形成了发电企业对电科院一定的依赖性，实际上，虽然电科院具有一定的技术和理论强势，但生产一线人员与设备长期接触，具有对设备特性深层次了解的优越之处，因此，生产人员往往会较早察觉扭振故障发展初期的异常现象，另外，机组运行参数和机组振动状况有较强的关联性，任何一种异常振动都是参数偏差积累的表现，并且，生产人员具有安装和解体经验，能够对振动判据提供有力和直观的数据支持，也为扭振故障判断结果提供验证。针对这一现状，结合目前关于最佳重合闸及自适应技术取得的成果，提出一个新的研究课题——构造描述电网大扰动对轴系冲击的模型，利用它及现代动力学、控制学理论进一步揭示各种不同性质的扰动对扭振影响的机理，并在此基础上对目前的操作进行有针对性的改善。可以预见这方面的研究成果对机组轴系设计、机组运行及电网操作规程的制订将具有重要意义。参考文献：[1]王修彦，工程热力学[J]，热力发电2021年第11期23-25[2]陈晰，关于汽轮发电机组轴系扭振的研究工作。东南大学学报，1992(7):97一106[3]施维新，汽轮机发电机组振动及事故[M]中国电力出版社1991[4]张学延，汽轮发电机组振动诊断[M]中国电力出版社2021[5]傅海忠，用于大型旋转轴系的扭转振动测量技术的研究.[博士学位论文]。北京：清华大学，1990[6]何成兵，杨昆，顾煜炯．质量偏心对碰摩转子弯振和扭振特性的影响[J]。中国电机工程学报，2021，22(7)：105～110[7]东南大学火电机组振动国家工程研究中心，田湾核电站#1机组调试阶段振动监测及故障诊断、治理报告[R]。东南大学,2021.[8]施维新，浮动和接触式密封对轴系的振动影响的测试和分析[J]。中国电力2021年第2期第37卷

社会实践报告系别：班级：学号：姓名：作为祖国未来的事业的继承人，我们这些大学生应该及早树立自己的历史责任感，提高自己的社会适应能力。假期的社会实践就是很好的锻炼自己的机会。当下，挣钱早已不是打工的唯一目的，更多的人将其视为参加社会实践、提高自身能力的机会。许多学校也积极鼓励大学生多接触社会、了解社会，一方面可以把学到的理论知识应用到实践中去，提高各方面的能力；另一方面可以积累工作经验对日后的就业大有裨益。进行社会实践，最理想的就是找到与本专业对口单位进行实习，从而提高自己的实战水平，同时可以将课本知识在实践中得到运用，从而更好的指导自己今后的学习。但是作为一名尚未毕业的大学生，由于本身具备的专业知识还十分的有限，所以我选择了打散工作为第一次社会实践的方式。目的在于熟悉社会。就职业本身而言，并无高低贵贱之分，存在即为合理。通过短短几天的打工经历可以让长期处于校园的我们对社会有一种更直观的认识。实践过程：自从走进了大学，就业问题就似乎总是围绕在我们的身边，成了说不完的话题。在现今社会，招聘会上的大字报都总写着“有经验者优先”，可还在校园里面的我们这班学子社会经验又会拥有多少呢？为了拓展自身的知识面，扩大与社会的接触面，增加个人在社会竞争中的经验，锻炼和提高自己的能力，以便在以后毕业后能真正真正走入社会，能够适应国内外的经济形势的变化，并且能够在生活和工作中很好地处理各方面的问题，我开始了我这个假期的社会实践-走进天源休闲餐厅。实践，就是把我们在学校所学的理论知识，运用到客观实际中去，使自己所学的理论知识有用武之地。只学不实践，那么所学的就等于零。理论应该与实践相结合。另一方面，实践可为以后找工作打基础。通过这段时间的实习，学到一些在学校里学不到的东西。因为环境的不同，接触的人与事不同，从中所学的东西自然就不一样了。要学会从实践中学习，从学习中实践。而且在中国的经济飞速发展，又加入了世贸，国内外经济日趋变化，每天都不断有新的东西涌现，在拥有了越来越多的机会的同时，也有了更多的挑战，前天才刚学到的知识可能在今天就已经被淘汰掉了，中国的经济越和外面接轨，对于人才的要求就会越来越高，我们不只要学好学校里所学到的知识，还要不断从生活中，实践中学其他知识，不断地从各方面武装自已，才能在竞争中突出自已，表现自已。在餐厅里,别人一眼就能把我人出是一名正在读书的学生,我问他们为什么,他们总说从我的脸上就能看出来,也许没有经历过社会的人都有我这种不知名遭遇吧!我并没有因为我在他们面前没有经验而退后,我相信我也能做的像他们一样好.我的工作是在那做传菜生,每天9点钟-下午2点再从下午的4点-晚上8:30分上班,虽然时间长了点但,热情而年轻的我并没有丝毫的感到过累,我觉得这是一种激励,明白了人生,感悟了生活,接触了社会,了解了未来.在餐厅里虽然我是以传菜为主,但我不时还要做一些工作以外的事情，有时要做一些清洁的工作，在学校里也许有老师分配说今天做些什么，明天做些什么，但在这里，不一定有人会告诉你这些，你必须自觉地去做，而且要尽自已的努力做到最好，一件工作的效率就会得到别人不同的评价。在学校，只有学习的氛围，毕竟学校是学习的场所，每一个学生都在为取得更高的成绩而努力。而这里是工作的场所，每个人都会为了获得更多的报酬而努力，无论是学习还是工作，都存在着竞争，在竞争中就要不断学习别人先进的地方，也要不断学习别人怎样做人，以提高自已的能力！记得老师曾经说过大学是一个小社会，但我总觉得校园里总少不了那份纯真，那份真诚，尽管是大学高校，学生还终归保持着学生的身份。而走进企业，接触各种各样的客户、同事、上司等等，关系复杂，但我得去面对我从未面对过的一切。记得在我校举行的招聘会上所反映出来的其中一个问题是，学生的实际操作能力与在校理论学习有一定的差距。在这次实践中，这一点我感受很深。在学校，理论的学习很多，而且是多方面的，几乎是面面俱到；而在实际工作中，可能会遇到书本上没学到的，又可能是书本上的知识一点都用不上的情况。或许工作中运用到的只是很简单的问题，只要套公式似的就能完成一项任务。有时候我会埋怨，实际操作这么简单，但为什么书本上的知识让人学得这么吃力呢？这是社会与学校脱轨了吗？也许老师是正确的，虽然大学生生活不像踏入社会，但是总算是社会的一个部分，这是不可否认的事实。但是有时也要感谢老师孜孜不倦地教导，有些问题有了有课堂上地认真消化，有平时作业作补充，我比一部人具有更高的起点，有了更多的知识层面去应付各种工作上的问题，作为一名大学生，应该懂得与社会上各方面的人交往，处理社会上所发生的各方面的事情，这就意味着大学生要注意到社会实践，社会实践必不可少。毕竟，很快我就不再是一名大学生，而是社会中的一分子，要与社会交流，为社会做贡献。只懂得纸上谈兵是远远不及的，以后的人生旅途是漫长的，为了锻炼自己成为一名合格的、对社会有用的人才.很多在学校读书的人都说宁愿出去工作，不愿在校读书；而已在社会的人都宁愿回校读书。我们上学，学习先进的科学知识，为的都是将来走进社会，献出自己的一份力量，我们应该在今天努力掌握专业知识，明天才能更好地为社会服务。实践心得：虽然这次的实践只有短短的几天，而且从事的是比较简单的服务工作，但是通过与各种各样的人接触，还是让我学会了很多道理。首先是明白了守时的重要性。工作和上学是两种完全不同的概念，上学是不迟到很多时候是因为惧怕老师的责怪，而当你走上了工作岗位，这里更多的是由于自己内心的一种责任。这种责任是我学会客服自己的惰性，准时走上自己的岗位。这对我以后的学习生活也是一种鞭策，时刻牢记自己的责任，并努力加强自己的时间观念。其次让我真实的体会到了合作的重要性。虽然我工作的只是小小