發(fā)電機(jī)組軸系扭振監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用分析

李森林，李向陽(yáng)，吳雪黎，趙偉華

(1．華潤(rùn)電力(錦州)有限公司，遼寧 錦州 121000；2.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085)

大型汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中,因次同步諧振(SSR)或次同步振蕩(SSO)發(fā)生的扭振損壞是電力工業(yè)大機(jī)組與大電網(wǎng)發(fā)展時(shí)期的常見(jiàn)問(wèn)題。多年來(lái)，扭振事故導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)組及電力設(shè)備多次嚴(yán)重?fù)p毀，一直被世界各國(guó)關(guān)注[1]。多年來(lái)，東北電網(wǎng)的整體格局一直保持“西電東送、北電南送”[2]。隨著魯固特高壓±800kV直流輸電外送工程的投產(chǎn)及東北地區(qū)電源裝機(jī)容量的不斷增長(zhǎng)，東北電網(wǎng)的整體格局正發(fā)生重大變化。扎魯特特高壓直流工程投產(chǎn)一方面滿足了山東電網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng)的需求，為山東經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供電力保障，另一方面將東北電網(wǎng)優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源外送，有效提高地區(qū)風(fēng)電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)[3]。伴隨著扎魯特特高壓直流工程的投產(chǎn)，東北地區(qū)火電廠所在的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。

東北某典型火電廠的地理接線圖如圖1所示。由圖1可知，風(fēng)電廠A1—A3接入風(fēng)電匯集站A，風(fēng)電匯集站A接入容量為2×660MW的火電廠，該火電廠通過(guò)兩回線路送出至變電站A，變電站A最終接入到扎魯特特高壓直流線路。

1 UHVDC及風(fēng)電接入對(duì)次同步振蕩的影響

圖1 典型火電廠A地理接線圖

特高壓直流輸電(UHVDC)技術(shù)的運(yùn)用及風(fēng)電電源的并網(wǎng)，伴隨著交、直流變流器等電力電子設(shè)備的廣泛使用，系統(tǒng)運(yùn)行也逐漸顯現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)的電力電子化特性。電力電子技術(shù)的應(yīng)用一方面增強(qiáng)了電力系統(tǒng)可控性、靈活性，另一方面也帶來(lái)了次同步振蕩問(wèn)題[4]。UHVDC本身以及各種功率控制器的快速電力調(diào)節(jié)，造成發(fā)電機(jī)組電氣阻尼能力發(fā)生變化或被削弱，由此引起機(jī)電耦合相互作用以及導(dǎo)致強(qiáng)迫型次同步振蕩的發(fā)生[5]；同時(shí)電力電子裝置之間的相互操控作用也愈加復(fù)雜，引起多個(gè)電力電子控制器間的相互作用，可能導(dǎo)致次同步控制相互作用的發(fā)生[6-9]。風(fēng)電接入后，輸電方式轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)火打捆經(jīng)UHVDC外送，該輸電方式使次同步交互作用變得更為復(fù)雜[10]。次同步的交互作用使電力系統(tǒng)中機(jī)械部分與電氣部分發(fā)生動(dòng)態(tài)的相互耦合和能量互換，其主要危害是造成軸系扭振現(xiàn)象，影響外送火電機(jī)組的軸系安全。

持續(xù)的軸系扭振會(huì)造成發(fā)電機(jī)組軸系在危險(xiǎn)截面的疲勞累積，降低發(fā)電機(jī)組軸系的使用壽命，造成軸系破壞，嚴(yán)重時(shí)可使軸系的截面或聯(lián)軸節(jié)處產(chǎn)生過(guò)大的交變扭應(yīng)力，導(dǎo)致軸系沖擊力或疲勞累積性損壞，直接威脅機(jī)組的安全運(yùn)行[11]。此時(shí)，在電廠側(cè)安裝發(fā)電機(jī)組軸系扭振監(jiān)測(cè)裝置(以下簡(jiǎn)稱TMU)顯得尤為重要。

2 扭振監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

為更好地監(jiān)測(cè)扭振對(duì)機(jī)組軸系的影響，電廠為每臺(tái)機(jī)組安裝了四方公司生產(chǎn)的扭振監(jiān)測(cè)屏柜。扭振監(jiān)測(cè)屏柜主要由TMU裝置和上位機(jī)(以下簡(jiǎn)稱HMI)兩部分組成。TMU裝置可以對(duì)發(fā)電機(jī)組軸系的扭振情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為分析誘發(fā)軸系扭振的原因、解決辦法等提供數(shù)據(jù)。HMI可實(shí)現(xiàn)畫(huà)面展示及錄波存儲(chǔ)功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的通信狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)及軸系的疲勞累積情況，HMI還具有錄波分析功能；同時(shí)，可通過(guò)HMI對(duì)TMU裝置下達(dá)啟動(dòng)錄波、信號(hào)復(fù)歸、下裝定值等控制及操作指令。TMU監(jiān)測(cè)畫(huà)面如圖2所示。

圖2 TMU裝置監(jiān)測(cè)界面

TMU與HMI通過(guò)以太網(wǎng)線進(jìn)行通信連接，轉(zhuǎn)速信號(hào)和機(jī)端電氣量信號(hào)通過(guò)硬接線接入TMU裝置，TMU裝置上的告警信號(hào)通過(guò)硬接線送出至DCS系統(tǒng)及故障錄波器。一方面運(yùn)行人員可實(shí)時(shí)查看裝置狀態(tài)，另一方面故障錄波器可在監(jiān)測(cè)到裝置告警信號(hào)時(shí)，準(zhǔn)確地對(duì)電力系統(tǒng)的電氣量進(jìn)行錄波。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 TMU系統(tǒng)架構(gòu)

3 TMU裝置監(jiān)測(cè)分析

3.1 安裝位置及轉(zhuǎn)速測(cè)量

機(jī)組軸系主要由高中壓合缸(HIP)、低壓缸A(LPA)、低壓缸B(LPB)和發(fā)電機(jī)(GEN)組成，機(jī)組軸系扭振固有頻率見(jiàn)表1。

表1 軸系扭振固有頻率 Hz

模態(tài)頻率的陣型曲線如圖4所示。

圖4 模態(tài)頻率的陣型曲線

根據(jù)陣型曲線，模態(tài)3在汽輪機(jī)高中壓缸轉(zhuǎn)子前軸徑處具有較高辨識(shí)度，模態(tài)1、2在高壓缸轉(zhuǎn)子前軸徑和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子后軸徑均具有較高辨識(shí)度。結(jié)合3個(gè)模態(tài)的可辨識(shí)情況，在汽輪機(jī)高壓缸轉(zhuǎn)子前軸徑和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子后軸徑處支架上各安裝2個(gè)測(cè)速傳感器。測(cè)速傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 測(cè)速傳感器結(jié)構(gòu)

3.2 轉(zhuǎn)速信號(hào)解調(diào)

TMU通過(guò)測(cè)速傳感器采集到轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)。首先進(jìn)行解調(diào)，對(duì)機(jī)端角速度變化量dw進(jìn)行濾波處理，得到與軸系轉(zhuǎn)子固有頻率對(duì)應(yīng)的3個(gè)扭振分量dw1、dw2、dw3。濾波環(huán)節(jié)包括1個(gè)低通濾波器、1個(gè)高通濾波器以及對(duì)各個(gè)次同步模態(tài)頻率進(jìn)行濾波的帶通濾波器。將各個(gè)扭振模態(tài)信號(hào)分離后，再實(shí)施獨(dú)立的模態(tài)監(jiān)測(cè)。模態(tài)濾波如圖6所示。

圖6 模態(tài)濾波

TMU裝置工作原理如圖7所示。TMU裝置采用基于實(shí)時(shí)雨流法的軸系在線疲勞監(jiān)測(cè)方法、基于共軛窗的扭振模態(tài)穩(wěn)定魯棒識(shí)別、自適應(yīng)轉(zhuǎn)速齒盤(pán)的轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系轉(zhuǎn)速信號(hào)和機(jī)端電氣量信號(hào)，計(jì)算扭振模態(tài)頻率的振蕩幅值及軸系危險(xiǎn)截面的疲勞損傷百分比，當(dāng)模態(tài)頻率的振蕩幅值超過(guò)設(shè)定值，或當(dāng)軸系危險(xiǎn)截面的疲勞損傷百分比達(dá)到設(shè)定值時(shí)，TMU裝置發(fā)出相應(yīng)的告警信號(hào)。

圖7 TMU裝置工作原理

3.3 TMU裝置的告警設(shè)計(jì)

文中火電廠2臺(tái)機(jī)組的TMU裝置告警分3種：裝置故障告警、扭振低限告警和扭振高限告警。

a.裝置故障告警：當(dāng)TMU裝置板卡出現(xiàn)內(nèi)部故障、系統(tǒng)通信異常或系統(tǒng)檢測(cè)硬件IO板卡未處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，告警燈開(kāi)啟，故障解決完成后，必須通過(guò)信號(hào)復(fù)歸才能恢復(fù)正常。

b.扭振低限告警：?jiǎn)未螖_動(dòng)激發(fā)的任一模態(tài)幅值超過(guò)門檻值0.1 rad/s時(shí)，告警燈啟動(dòng)，錄波啟動(dòng)。當(dāng)模態(tài)幅值低于門檻值0.1 rad/s時(shí)，告警燈恢復(fù)正常。

c.扭振高限告警：?jiǎn)未螖_動(dòng)激發(fā)的任一模態(tài)幅值達(dá)到軸系危險(xiǎn)截面開(kāi)始疲勞累計(jì)值時(shí)，告警燈啟動(dòng)，危險(xiǎn)截面將產(chǎn)生疲勞累計(jì)。當(dāng)模態(tài)幅值未達(dá)到危險(xiǎn)截面開(kāi)始疲勞累計(jì)值時(shí)，告警燈恢復(fù)正常。

4 TMU裝置監(jiān)測(cè)效果分析

4.1 錄波分析

2017年11月19日14：23和14：42，現(xiàn)場(chǎng)2臺(tái)機(jī)組TMU裝置分別發(fā)生裝置告警(低限告警及高限告警)，錄波啟動(dòng)。現(xiàn)對(duì)其中1臺(tái)機(jī)組生成的2個(gè)錄波文件進(jìn)行分析，見(jiàn)表2。

表2 模態(tài)采樣值分析結(jié)果

由表2可知，2個(gè)錄波文件模態(tài)1的幅值均超過(guò)模態(tài)門檻值0.1 rad/s，TMU裝置正確觸發(fā)了低限告警。分別對(duì)2個(gè)錄波文件進(jìn)行Matlab仿真分析，分析相同時(shí)刻3個(gè)模態(tài)頻率及A相電壓、電流，分析結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，在電壓、電流發(fā)生突變時(shí)，模態(tài)頻率出現(xiàn)較大幅值，電氣量擾動(dòng)結(jié)束后，模態(tài)頻率的振蕩幅值快速收斂。

對(duì)原始模態(tài)頻率dw進(jìn)行頻譜分析，分析結(jié)果如圖9所示。圖9(a)模態(tài)頻譜圖分析了模態(tài)1、模態(tài)2，圖9(b)模態(tài)頻譜圖分析了模態(tài)1。模態(tài)頻率均在電氣量擾動(dòng)結(jié)束后快速消失。

(a)錄波文件1

(b)錄波文件2圖8 實(shí)時(shí)錄波曲線分析

(a)錄波文件1

(b)錄波文件2圖9 dw頻譜分析結(jié)果

由圖9看出，原始信號(hào)模態(tài)頻率dw中包含了軸系扭振的固有頻率dw1和dw2，表明此次擾動(dòng)激發(fā)出了軸系的固有頻率，且模態(tài)1的幅值較大，而在電氣量擾動(dòng)消失后，模態(tài)頻率快速消失。

由此分析判斷：網(wǎng)側(cè)存在故障或操作引起沖擊導(dǎo)致軸系產(chǎn)生扭振，TMU裝置低限告警。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析，告警發(fā)生時(shí)變電站A在做電氣試驗(yàn)，試驗(yàn)引發(fā)網(wǎng)側(cè)擾動(dòng)，驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性。

4.2 疲勞累積分析

根據(jù)S-N曲線法，選擇同一斷面中S-N最低的截面作為該斷面的危險(xiǎn)截面，最終選定高中壓缸后軸頸(2號(hào))、低壓缸B前軸徑(5號(hào))、發(fā)電機(jī)前軸徑(7號(hào))、發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器位置為危險(xiǎn)截面。

分別對(duì)2個(gè)錄波文件進(jìn)行疲勞分析，分析結(jié)果如圖10所示。由圖10看出，2次擾動(dòng)均達(dá)到了軸系危險(xiǎn)截面的疲勞累積值，軸系開(kāi)始進(jìn)行疲勞累積，TMU裝置正確觸發(fā)高限告警。

(a)錄波文件1

(b)錄波文件2圖10 疲勞累積曲線分析

圖10(a)分析了2017年11月19日14:23的一次錄波，此次擾動(dòng)在2號(hào)瓦軸頸處的疲勞累積值為0，在5號(hào)瓦軸頸處的疲勞累積值約為0.000 3%，在7號(hào)瓦軸頸處的疲勞累積值約為0.000 2%，在低發(fā)聯(lián)軸器軸頸處的疲勞累積值約為0.000 6%。

圖10(b)分析了2017年11月19日14：42的一次錄波，此次擾動(dòng)在5號(hào)瓦軸頸處的疲勞累積值約為0.000 5%，在7號(hào)瓦軸頸處的疲勞累積值約為0.000 4%，在低發(fā)聯(lián)軸器軸頸處的疲勞累積值約為0.000 9%。2次擾動(dòng)造成的疲勞累積值，見(jiàn)表3。2次擾動(dòng)對(duì)危險(xiǎn)截面造成的疲勞累積值較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1%，暫不做處理，機(jī)組繼續(xù)正常運(yùn)行。

表3 危險(xiǎn)截面疲勞分析結(jié)果 %

5 結(jié)束語(yǔ)

東北地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，UHVDC和風(fēng)電的并網(wǎng)伴隨著次同步振蕩現(xiàn)象的發(fā)生，在電廠側(cè)安裝TMU裝置成為監(jiān)測(cè)機(jī)組軸系扭振的有力措施之一。

以東北某典型火電廠為例，當(dāng)網(wǎng)側(cè)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，激發(fā)電廠側(cè)軸系扭振。扭振發(fā)生時(shí)，TMU裝置有效地記錄了此次擾動(dòng)，并自動(dòng)存儲(chǔ)錄波文件，通過(guò)分析錄波文件對(duì)軸系危險(xiǎn)截面的疲勞累積百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出此次擾動(dòng)對(duì)軸系的危害程度較小，不影響機(jī)組正常運(yùn)行，暫不做處理。

TMU裝置能夠?qū)痣姀S機(jī)組軸系扭振進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，滿足條件時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)錄波，并將錄波文件存儲(chǔ)于HMI中，為后續(xù)分析提供有效數(shù)據(jù)，是機(jī)組軸系正常運(yùn)行的有力保障。