大型汽轮发电机组轴系扭振特性研究

张晏铭（华中科技大学，430074）

大型汽轮发电机组轴系扭振特性研究

张晏铭（华中科技大学，430074）

电力是现代的主要的能源。电力是以电能作为动力的能源，发明于19世纪70年代。20世纪出现的大规模电力系统是人类工程科学史上最重要的成就之一，是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电力生产与消费系统。现在的电机组一般单机容量为600～1000MW的大型汽轮发电机组。本文通过对大型汽轮发电机组轴系结构、大型汽轮发电机组轴系扭振特性的研究，以及大型汽轮发电机组轴系扭振响应的分析，介绍汽轮发电机组的运行特性和我国的调峰方式，并得出轴系在机组如果变成负荷会有什么样响应。看轴系的扭矩波形图的主要频率成分是否包含工频等。

大型汽轮发电机组轴系；扭振特性；扭振响应

前言

我国国民对电力的需求越来越大，家庭中的家用电器越来越齐全，驱动着我国的汽轮大电机不得不加大机组，不得不提高参数，不得不把容量加大。汽轮发电机组单机容量与机组的轴系密切相关，单机容量增大，机组的轴系就得跟着变细加长，这样就会出现轴系的抗扭刚度变小；电网的容量也相应增加，这样就会增加电网的不稳定因素，故障就会相应而生，所以研究大型汽轮发电机组轴系扭振特性就非常有必要，为人民更加方便用电，对大型汽轮机组轴系扭振工作年限进行准确计算，并及时检查更换非常有必要。

1 大型汽轮发电机组轴系结构

大型汽轮发电机组轴系扭振是指因机电扰动或非正常运行方式产生的扭系扭转振动，严重时可使轴系的某种界面或者联轴节处产生过大的交变扭应力，导致轴系的冲击性或者疲劳累积性损坏，直接威胁机组的安全运行。

汽轮机结构有四缸四排汽、三缸三排汽、两缸两排汽。大型汽轮发电机组轴系结构主要有汽轮机转子，发电机转子，轴承支撑结构等三大主要块组成。其中每一种都有其内部细微的构造。

随着生活水平的提高，用电的需求越来越大，所以电网负荷峰谷日夜差距比较大，季节性差异也越来越明显，夏冬季由于空调的使用，加大了电网的负荷，为保证用电安全，所以要进行相应的调峰运行。具体的调峰方法，可以选择低负荷运行和两班制调峰。当选择低负荷运行方式时，可以进一步分选为有定压运行、滑压运行和复合滑压运行。

2 大型汽轮发电机组轴系扭振特性

大电网和大机组相互配合、作用与协调中出现的突出问题，涉及电力系统、电机、汽轮机、自动控制、力学、材料等多个专业学科。其危害具有潜伏性，不容易被察觉，所以经常被忽视。

不同类型的机电系统扰动对机组轴系扭振有着不同的影响，一般可以将轴系扭振分成三种类型即：次同步共振，超同步共振和振荡扭矩冲击性共振。次同步共振是机电系统的一种自激振荡状态，即电网在低于系统同步的一个或几个频率下与汽轮发电机进行能力交换。由于汽轮机和发电机转子的惯性较大，对轴系本身的低阶扭振模态十分敏感，呈低周应力的受力状态，容易使轴或联轴器螺栓疲劳损伤，危害很大。超同步共振是在电网三相负荷不平衡、各种不对称短路等情况下，发电机定子绕组中除存在正序电流外，还出现负序电流。当电厂出现附近发生短路、非同期并网以及切除故障时，很可能就会产生在发电机定子电流中出现直流分量，由它产生的磁场同转子励磁磁场相互作用，将产生频率为周波频率的转矩并作用与机组轴系上，这样就产生了同步机电共振。振荡扭矩冲击性共振是由于瞬时性对称与不对称短路、自动重合闸、非同期并网、甩负荷、瞬间快控汽门及线路开关切合操作等突发性机电扰动，将可能产生短时间冲击性扭矩，形成短时间冲击性轴系扭振。

3 大型汽轮发电机组轴系扭振响应

对大型汽轮发电机组轴系扭振响应进行衡量时，一般要对其进行计算。计算方法一般采取时域仿真的方法。主要方法包括有限元、状态叠加、传递矩阵三种。大型汽轮发电机组轴系的扭振响应，主要是在快速变负荷情况下，在这个情况下，会影响轴系的稳定性、燃烧的锅炉的稳定性，还有机组的一些辅助系统的安全稳定性。再之我们利用扭振传递矩阵进行计算时，要选择合理的、典型的单元进行分段计算，在利用状态叠加算出总的断面的角位移增量。这其中的典型单元要选的具有代表性，因为转动惯量和扭转刚度对扭转传递矩阵影响较大，所以在选择时可以控制为只有转动惯量的刚性圆盘和只有扭转刚度的弹性轴段进行计算。这其中假定其他参数为零，肯定会产生一定的误差，误差不能避免，我们只能尽量减少误差，这就需要在进行迭代计算时，一定要控制在误差精度范围内。

4 大型汽轮发电机组轴系扭振工作年限

任何类型的轴系扭振，即使不是一次性的损坏，也会出现不同程度的疲劳损坏。它不仅会对轴系本身产生影响，而且会对发电机定子端产生影响。大型汽轮发电机组轴系扭振的工作年限主要取决于材料零件的使用年限。当零件所承受的扭振力大于其极限承载力时，就会出现零件损坏。零件损坏主要从零件产生裂隙开始，当裂隙出应力集中时，会使裂隙继续扩充，最后断裂。

影响发电组轴系的疲劳积累的主要原因有：零件表面的应力不均匀，应力集中在某一软弱部分，还有就是轴系的几何尺寸限制，零件表面加工和表面处理不合理，外界的温度过高或者过低，金属表面出现腐蚀，零件工作频率过高，转速影响汽轮发电机轴系的金属。

对于上面的种种因素，我们要采取相应的措施解决这些问题。首先要防止和抑制次同步机电共振。我们可以通过添加滤波器和阻尼装置，我们可以让一定频率的波进来，其他频率的波全被隔离掉。还有就是要对发电机励磁进行控制或者定期手动调节。另外在选择开关时，要选择合适的开关，并规范操作开关切合器，在开关地方还要假设保护和监测装置，像电闸，当电压过高时，自动跳闸保护开关，确保电力安全。超同步共振的危害也相当大，这是我们就要保持三相电的平衡，轴系调频均匀有序。对于冲击性扭振，要限制开关线路，在非同期并网时，要特别注意角度的设置，一定不要进行120°并网，后果非常危险。

5 结束语

大型汽轮发电机组轴系扭振特性分析对于现代工业是十分有必要的，尤其固有的特性，在对其进行响应分析是，要根据不同的类型选择不同的方法，进行准确计算。还有在选择发电机零件时一定要根据其最大扭矩值进行合理地选择。在防止和控制次同步共振，超同步共振和振荡扭矩冲击性共振时，要把握要求，做好各项准备，防止事故发生。

[1]刘峻华.大型汽轮发电机组轴系扭振研究[D].华中科技大学博士学位论文，2006，05.

[2]许镇楚，张恒祷.汽轮发电机组轴系扭振事故剖析和技术开发展望[J].动力工程，1990，10（2）：9～14.

[3]刘英哲，傅行军.汽轮发电机组扭振[M].北京：中国电力出版社，1997.

[4]顾志平，刘永寿.非线性转子系统中的传递矩阵技术[M].北京：科学出版社，2010，10.

[5]郭慧东.汽轮发电机组轴系扭振分析及机电系统仿真[D].华北电力大学硕士学位论文，2005，03.

[6]何成兵，顾煜炯，等.汽轮发电机组轴系扭振模型——四端网络模型的完善[J].汽轮机技术，2001，44（4）.

[7]虞 烈，刘 恒.轴承——转子系统动力学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

[8]陈秀娟.电网冲击下汽轮发电机组轴系扭振响应分析[M].华北电力大学硕士学位论文，2011，03.

[9]何成兵，等.汽轮发电机组轴系扭振模型和算法综述[J].华北电力大学学报，2003，05（2）：56～60.

[10]何成兵.汽轮发电机组轴系弯扭耦合振动研究[B].华北电力大学博士论文，2003，03.

TM311

A

2095-2066（2016）05-0070-02

2016-1-20