“汽轮发电机组轴系扭振的研究”的概念、定义、翻译、参考文献-科学参考

单词

汽轮发电机组轴系扭振的研究

释义

【汽轮发电机组轴系扭振的研究】

拼译：research of turbogenerator shaft-system torsional oscillation

轴系的扭转振动可粗略地分为具有某特定模态的次同步振动(SSO)和同时具有多种模态的多模态振动(MMO)两类。前者源于串联电容补偿、直流输电的调节和电力系统稳定器的使用等；后者系由系统中的大扰动－短路、重合闸、误并列等所引起。由于对电力系统中急剧扰动引起的MMO研究较少，而此类扰动又不可避免，MMO应是今后若干年内轴系扭振研究的重点所在。

电力和系统元件模型为开展轴系扭振的分析、计算、监测、保护、防止、抑制等研究，需建立繁简适当而又足够精确的电力系统元件模型并采集、积累必要的数据，其中重要的方面有：

1．轴系模型。常用的轴系模型可分3类，即连续质量模型、离散质量模型和模态解耦模型，但它们可统一于如下的转子运动方程

　　　　Mθ+Kθ=T　　　　(1)

式中，对连续质量模型，M和K均为三对角阵；离散质量模型，M为对角阵，K为三对角阵；对模态解耦模型，M和K均为对角阵，而θ为模态角位移，T为模态转矩。显然，连续质量模型最精确，由其变换而得的200～300质量块离散质量模型也足够精确，但为分析机网相互作用，则它们又都过于复杂。因此，如何降低轴系模型阶数不能不受到关注。3类轴系模型中，模态解耦模型最有前途，尤其是舍去其中高阶项后的模态舍项模型，由于其阶数低、不同模态间相互解耦，最可能用于机网相互作用的扭振分析，但在此之前，需解决其与系统其它元件模型的接口问题。

2．阻尼系数。式(1)所示转子运动方程其实并不完整，完整的转子运动方程应为

　　　　Mθ+Dθ+Kθ=T　　　(2)

式中，对连续质量模型和离散质量模型，D均为三对角阻尼系数矩阵；对模态解耦模型，D为模态阻尼系数对角阵。三对角阵中各阻尼系数目前尚无法计算或测量；而模态阻尼系数也只能简接测定，但阻尼作用又是分析轴系寿命消耗时必须计及的因素。因此及早组织力量，开展研究，以期准确测定阻尼系数，颇有必要。而在测量方法中，参数辨识可能最有前途。

3．疲劳寿命消耗。首先需制作国产机组轴系的S-N曲线。这项工作需耗费大量人力、物力，但势在必行，无法回避，应及早开展。与此同时，诸如非正弦应力作用下的部分寿命消耗；有关故障率、故障性质、故障地点、故障延续时间、故障清除时间和重合闸时间等统计资料的收集工作也有待进行。

4．发电机模型。常用于轴系扭振分析的是Canay提出的“2d－2q”和“3d－3q”模型。一般情况下，它们已足够精确。但不论采用何种模型，准确确定发电机的参数总是前提。为此，可采用频率响应法、参数辨识法、有限元法等。

5．其它元件模型。汽轮机、调速系统、励磁调节系统、电力系统稳定器等模型已趋成熟，有待进行的工作只是它们的分类和典型化，而此项工作对有关电力系统的其它研究也十分重要。研究轴系扭振所需电力系统其它元件的模型都属常规模型。

6．系统等值和辨识。研究轴系扭振时，并非所有发电机组均需以细致模型表示。远方机组显然可采用简化模型，甚至部分系统也可等值，为此可采用动态等值或参数辨识技术。

扭振暂态的计算分析研究工作可分两个方向：确定性的、以线性微分方程描述的SSO计算和分析；随机性的、以非线性微分方程描述的MMO计算和分析。当前，对SSO的研究较多而对MMO的研究则较少。

1．SSO的计算方法。多应用以下3种：(1)频率扫描法。借不同频率下由发电机中性点观察到的输入阻抗，判别是否可能发生SSO。主要用于大量计算方案的初步筛选。(2)复转矩系数法。借比较电气转矩系数K_e(jn)和机械转矩系数K_m(jn)以判别是否可能发生机网相互作用导致的SSO。希能加入汽轮机、调节系统、直流环节、静止无功补偿器等模型。(3)特征值分析法。运用此法时，电力系统中的所有元件均可计及，而且其中多数元件已有较成熟模型可供选用。

2．MMO的计算方法。仅有一种方法用于MMO计算，即时域仿真法，但运用这种方法研制的、也可用以计算MMO的通用计算程序则有多种。诸如，电磁暂态程序EMTP美国BPA电力公司研制；机网暂态程序MANTRAP美国GE公司研制；机电、电磁暂态仿真程序NETOMAC，德国Siemens公司研制；电力系统仿真程序SIMPOW瑞典ABB公司研制。编制这些程序时，汽轮机、发电机、调节系统、输电网络等都采用常规模型，而轴系则采用降阶离散质量模型，其质量块数一般不超过10块。质量块少于10块的轴系模型仅能用以分析SSO而难以用于MMO的分析。因系统中发生不对称暂态而引起MMO时，需计及100Hz甚至更高频率的超同步振荡。而且，这类通用程序中其它元件的模型，就MMO分析而言，又过于细致。因此，运用这类通用程序进行MMO研究既不够合理，又不经济，有必要编制相应的专用程序。事实上，不少研究者已分别编制了这种专用程序。编制这些程序时，系统其它元件一般都采用较简单模型，而轴系则多半采用多于10质量块的降阶离散质量模型。诸如，Lambrecht等采用200～300质量块模型，Canay等采用10～30质量块模型，Bowler等、Schwibinger等采用13质量块模型，Hammons等采用K阵经过修正的9质量块模型。因此研制简单、快速，系统其它元件模型较简单而轴系模型较细致的MMO分析专用程序，也应属今后需开展的研究工作。

3．SSO分析。源于串联电容补偿的SSO，今后需进行的主要应在选择适合中国国情的、防止或抑制此类扭振的措施。但源于直流输电的SSO．由于尚无成熟的防止或抑制措施，需就产生机理、分析方法、解决对策等诸方面进行全面研究。

4．MMO分析。可能由于MMO的随机性，对这类频发的扭振反而研究得较少。因此，在这一领域中，须以中国电力系统的参数和国产机组的S-N曲线为原始条件，编制专用程序，分析短路、重合闸、误并列等急剧扰动对轴系造成的危害，以期获得符合中国国情的结论。

扭振监测与分析由于对扭振，尤其是对MMO的研究尚处于起始阶段，不少参数或无法计算，或难于测量。目前，用于扭振监测和分析的装置主要有3种：扭振监测器、扭应力分析仪以及扭振监测系统。

1．扭振监测器(TVM)。其构造一般不复杂，由感应式不接触传感器获得的转速脉冲，经预处理、数据采集单元而进入微处理器。机轴的平均转速ω₀可根据转过一圈N个齿所需的时间t₀计算，即ω₀=2π／t₀；扭角则可由转过m个齿所需的时间t_m和N，t₀，ω₀按下式计算：

测得平均转速和扭角后，扭振频率计算乃至频谱分析也就不再有困难。扭振监测器的优点就在于简单、价廉，便于广泛装设；缺点是只能监测传感器所在位置的扭振情况。

2．扭应力分析仪(TSA)。结构复杂、价格昂贵，但功能齐全。其工作原理大致为：借传感器获得的转速ω、汽压P、电压V、电流I信号，进入TSA后形成各汽缸机械转矩T_m和发电机电磁转矩T。信号；转速信号则用以不断修正轴系模型。TSA的第一个核心部件是用以解轴系模态方程的模拟电子电路，它其实是由若干组运算放大器构成的轴系模态舍项模型，其输入、输出部分则是将实际量变换为模态量和将模态量变换为实际量的两个无源网络。由该模拟电子部件输出的扭矩信号和由传感器直接输出的电流信号经扫描、筛选后，再经模／数转换进入TSA的第2个核心部件--用以计算疲劳寿命消耗等的计算机。对扭矩、电流信号的扫描、筛选，是由于只有超过给定限额的这些量才需计算、统计。计算机的工作主要是计算每次事故形成的轴系疲劳寿命消耗和累计疲劳寿命消耗；统计每次事故达到的冲击水平(轴系、定子绕组)等等。

3．扭振监测系统(TVMS)。是一种可同时对若干发电厂内若干机组的扭振进行监测的系统，由现场监测装置和远方(中心)计算机两大部分组成。现场监测装置又由3部分组成。其中第Ⅰ、Ⅱ部分与扭振监测器相似，但仅起数据采集作用，即将传感器输出的转速、电流、电压以及由之而得的电磁转矩数字量输入采集数据用的微型计算机。后者则由触发器T控制，即仅当这些转速、电流、电磁转矩超出给定值时，方进行采集，并有追忆功能。现场监测装置的第Ⅲ部分主要起数据通讯作用，一方面向远方计算机转发第Ⅰ、Ⅱ两部分采集到的数据；另方面又接收远方计算机的计算结果并打印输出。远方计算机的主要作用是模拟轴系在受到扰动后的动态响应，并计算疲劳寿命消耗；同时还有收集、积累数据，逐步形成扭振数据库的功用。至于远方计算机与现场实测装置的连系，则可通过一般电话线路。

减少扭振危害的研究关于减少扭振危害对策方面的研究工作在中国开展较少。而在国外，也多半集中在如何减少SSO所造成危害的研究。减少扭振造成的危害可从两个方向入手：充分利用现有的调节、保护等装置或研制新装置以防止或抑制扭振；制定相应的设计规范和运行规程以避免或减少扭振造成的危害。

1．用于抑制扭振的调节、保护和附加措施。(1)自动调节系统。发电机的励磁调节：调节发电机的励磁电压、电流，以增加对SSO的阻尼。近年来，则更多地注意利用控制理论学科的新成就。汽轮机的汽门调节：理论上与发电机的励磁调节相对，汽轮机的汽门调节也应能抑制SSO。但由于这一系统的特点，它仅被用以提高电力系统的暂态稳定，即快控汽门，可降低急剧扰动下扭矩的平均值，从而其峰值，减少轴系的疲劳寿命消耗。(2)继电保护装置。扭振继电器：它的输入是机轴两端测得的转速经带通滤波器分离而得的特征频率信号。这些信号经处理并转换为扭矩信号后与给定的扭矩进行比较，如超过给定值，则保护装置作用于切机。扭振继电器曾成功地用于防止SSO，而其工作原理应也可用以防止MMO造成的危害。次同步电流继电器：感受次同步频率电流，可分级整定，对很小启动电流，要求有较长延时，以免不必要的切机；对很大启动电流，要求速动，以免过多损伤机组。这种电流继电器主要用以防止SSO。电压相位闭锁继电器：感受发电机和系统电压间的相位差，用以防止误并列，即当这一相位差大于给定值时，闭锁相应断路器的合闸回路，避免误并列。显然，这种继电器仅用以防止MMO。(3)串联补偿的控制。SSO主要源于串联电容补偿，也就是串联电容的容抗与输电系统本身感抗产生的谐振。因此，如能适时改变补偿电容、破坏串联谐振的条件，也就可避免SSO造成的危害。属于这一类的具体对策较多，如降低保护间隙的放电电压，增加保护间隙数使之在不同电压下放电，保护间隙的可控放电，乃至电容器两端并联非线性电阻等。此外还可随机组负荷的增减，改变投入的补偿电容器组数。(4)各类滤波器。静止阻塞滤波器：由若干个并联谐振回路串联而成的静止阻塞滤波器，它们串联在升压变压器的中性点或出线端，每相一个，其中不同的并联谐振回路分别阻塞不同的次同步频率电流。旁路阻尼滤波器：由并联谐振回路与阻尼电阻串联而成的旁路阻尼滤波器并联在串联电容器两端。同步频率下，并联谐振回路呈现的阻抗很大；其它频率下呈现的阻抗很小，使阻尼电阻可发挥作用。动态滤波器：系统中出现由发电机转子摇摆而感生的次同步频率电势、电流时，滤波器将产生一个与上述电流相位相反的补偿电流以抵消前者，从而抑制扭振。(5)其它附加措施。动态稳定器：连接在发电机一变压器组发电机端的可控电抗器构成了一个补偿回路。系统中发生SSO时，借调制晶闸管的触发角，使流经电抗器的电流抵偿次同步振荡电流。机械阻尼器：在机轴高压缸端连接－液压联轴节，该联轴节又与锅炉给水泵或仅与一普通惯性轮相连，可有效地消除SSO。

2．针对扭振的设计规范和运行规程。制订相应的规范、规程以避免扭振造成的危害。但这些规范、规程必须建立在丰富的运行经验基础上。(1)设计规范。轴系的特征频率必须尽可能远离50Hz和100Hz采用更严格的设计准则；在发电机转子极面加装阻尼绕组。(2)运行规程：关于使用快速重合闸和快控汽门的规定；关于误并列时相角差和转速差的限额；关于两次检修之间允许的甩负荷、短路、重合闸、误并列等次数的规定；关于机轴各部位最大允许扭角的规定；关于各联轴节和定子绕组端部受冲击水平的分类法。

(东南大学博士生导师陈珩撰)

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