大型汽輪發電機組軸系扭振特性研究

張晏銘（華中科技大學，430074）

大型汽輪發電機組軸系扭振特性研究

張晏銘（華中科技大學，430074）

電力是現代的主要的能源。電力是以電能作為動力的能源，發明于19世紀70年代。20世紀出現的大規模電力系統是人類工程科學史上最重要的成就之一，是由發電、輸電、變電、配電和用電等環節組成的電力生產與消費系統。現在的電機組一般單機容量為600～1000MW的大型汽輪發電機組。本文通過對大型汽輪發電機組軸系結構、大型汽輪發電機組軸系扭振特性的研究，以及大型汽輪發電機組軸系扭振響應的分析，介紹汽輪發電機組的運行特性和我國的調峰方式，并得出軸系在機組如果變成負荷會有什么樣響應。看軸系的扭矩波形圖的主要頻率成分是否包含工頻等。

大型汽輪發電機組軸系；扭振特性；扭振響應

前言

我國國民對電力的需求越來越大，家庭中的家用電器越來越齊全，驅動著我國的汽輪大電機不得不加大機組，不得不提高參數，不得不把容量加大。汽輪發電機組單機容量與機組的軸系密切相關，單機容量增大，機組的軸系就得跟著變細加長，這樣就會出現軸系的抗扭剛度變小；電網的容量也相應增加，這樣就會增加電網的不穩定因素，故障就會相應而生，所以研究大型汽輪發電機組軸系扭振特性就非常有必要，為人民更加方便用電，對大型汽輪機組軸系扭振工作年限進行準確計算，并及時檢查更換非常有必要。

1 大型汽輪發電機組軸系結構

大型汽輪發電機組軸系扭振是指因機電擾動或非正常運行方式產生的扭系扭轉振動，嚴重時可使軸系的某種界面或者聯軸節處產生過大的交變扭應力，導致軸系的沖擊性或者疲勞累積性損壞，直接威脅機組的安全運行。

汽輪機結構有四缸四排汽、三缸三排汽、兩缸兩排汽。大型汽輪發電機組軸系結構主要有汽輪機轉子，發電機轉子，軸承支撐結構等三大主要塊組成。其中每一種都有其內部細微的構造。

隨著生活水平的提高，用電的需求越來越大，所以電網負荷峰谷日夜差距比較大，季節性差異也越來越明顯，夏冬季由于空調的使用，加大了電網的負荷，為保證用電安全，所以要進行相應的調峰運行。具體的調峰方法，可以選擇低負荷運行和兩班制調峰。當選擇低負荷運行方式時，可以進一步分選為有定壓運行、滑壓運行和復合滑壓運行。

2 大型汽輪發電機組軸系扭振特性

大電網和大機組相互配合、作用與協調中出現的突出問題，涉及電力系統、電機、汽輪機、自動控制、力學、材料等多個專業學科。其危害具有潛伏性，不容易被察覺，所以經常被忽視。

不同類型的機電系統擾動對機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。次同步共振是機電系統的一種自激振蕩狀態，即電網在低于系統同步的一個或幾個頻率下與汽輪發電機進行能力交換。由于汽輪機和發電機轉子的慣性較大，對軸系本身的低階扭振模態十分敏感，呈低周應力的受力狀態，容易使軸或聯軸器螺栓疲勞損傷，危害很大。超同步共振是在電網三相負荷不平衡、各種不對稱短路等情況下，發電機定子繞組中除存在正序電流外，還出現負序電流。當電廠出現附近發生短路、非同期并網以及切除故障時，很可能就會產生在發電機定子電流中出現直流分量，由它產生的磁場同轉子勵磁磁場相互作用，將產生頻率為周波頻率的轉矩并作用與機組軸系上，這樣就產生了同步機電共振。振蕩扭矩沖擊性共振是由于瞬時性對稱與不對稱短路、自動重合閘、非同期并網、甩負荷、瞬間快控汽門及線路開關切合操作等突發性機電擾動，將可能產生短時間沖擊性扭矩，形成短時間沖擊性軸系扭振。

3 大型汽輪發電機組軸系扭振響應

對大型汽輪發電機組軸系扭振響應進行衡量時，一般要對其進行計算。計算方法一般采取時域仿真的方法。主要方法包括有限元、狀態疊加、傳遞矩陣三種。大型汽輪發電機組軸系的扭振響應，主要是在快速變負荷情況下，在這個情況下，會影響軸系的穩定性、燃燒的鍋爐的穩定性，還有機組的一些輔助系統的安全穩定性。再之我們利用扭振傳遞矩陣進行計算時，要選擇合理的、典型的單元進行分段計算，在利用狀態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，因為轉動慣量和扭轉剛度對扭轉傳遞矩陣影響較大，所以在選擇時可以控制為只有轉動慣量的剛性圓盤和只有扭轉剛度的彈性軸段進行計算。這其中假定其他參數為零，肯定會產生一定的誤差，誤差不能避免，我們只能盡量減少誤差，這就需要在進行迭代計算時，一定要控制在誤差精度范圍內。

4 大型汽輪發電機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，也會出現不同程度的疲勞損壞。它不僅會對軸系本身產生影響，而且會對發電機定子端產生影響。大型汽輪發電機組軸系扭振的工作年限主要取決于材料零件的使用年限。當零件所承受的扭振力大于其極限承載力時，就會出現零件損壞。零件損壞主要從零件產生裂隙開始，當裂隙出應力集中時，會使裂隙繼續擴充，最后斷裂。

影響發電組軸系的疲勞積累的主要原因有：零件表面的應力不均勻，應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，外界的溫度過高或者過低，金屬表面出現腐蝕，零件工作頻率過高，轉速影響汽輪發電機軸系的金屬。

對于上面的種種因素，我們要采取相應的措施解決這些問題。首先要防止和抑制次同步機電共振。我們可以通過添加濾波器和阻尼裝置，我們可以讓一定頻率的波進來，其他頻率的波全被隔離掉。還有就是要對發電機勵磁進行控制或者定期手動調節。另外在選擇開關時，要選擇合適的開關，并規范操作開關切合器，在開關地方還要假設保護和監測裝置，像電閘，當電壓過高時，自動跳閘保護開關，確保電力安全。超同步共振的危害也相當大，這是我們就要保持三相電的平衡，軸系調頻均勻有序。對于沖擊性扭振，要限制開關線路，在非同期并網時，要特別注意角度的設置，一定不要進行120°并網，后果非常危險。

5 結束語

大型汽輪發電機組軸系扭振特性分析對于現代工業是十分有必要的，尤其固有的特性，在對其進行響應分析是，要根據不同的類型選擇不同的方法，進行準確計算。還有在選擇發電機零件時一定要根據其最大扭矩值進行合理地選擇。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，要把握要求，做好各項準備，防止事故發生。

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2095-2066（2016）05-0070-02

2016-1-20