浅析大型非线性阀调节汽轮发电机轴扭转现象.doc

浅析大型非线性阀调节汽轮发电机轴扭转现象Hammons, 英国,苏格兰, 格拉斯哥012 8QQ, 格拉斯哥大学YC.K.Goh, 英国,苏格兰, 格拉斯哥012 8QQ, 格拉斯哥大学摘要： 本文着重探讨在某些情况下汽轮蒸汽控制阀快速运转引发的轴扭转问题。旨在说明,转轴挠性会对汽轮发电机应对外来强烈干扰施以重要影响,特别是对非线性阀调节和快关阀的大型汽轮机。减小该影响的途径有：1.仔细精确设定汽轮机轴速度传感器的位置,2.过滤掉由低频扭转振动而产生的速度输入信号或加速度信号，从而将影响减小到无关紧要的水平。同时本文论述了数控系统在汽轮机上的运用，列举了一系列应用数控程序的控制理念。文中用两大汽轮机组进行举例说明，这两大机组的汽轮控制阀上安装了数控速度遥感器和滤波器。关键词:汽轮机控制、汽轮调速器、扭转轴、非线性阀调节、快关1.简介：大型汽轮机多轴扭转振动近年来备受关注,众所周知,对转轴施加干扰后扭转模式会愈加活跃，然而与汽轮系统反应时间相比，振动会轻微稍减。 施加强烈干扰后，扭转振动和汽轮机控制系统以及辅助控制系统3者间的相互作用对机体自身性能发挥会产生强大的反作用；这种反作用在HP和IP汽轮控制阀（特别是大型核电站）开机率的实际局限性上作用最为明显。如果位于轮轴的速度传感器没有处在最优位置或控制信号滤波器运作不良，又或者扭转反应的辅助加速度信号被不当应用，那么施加适度的干扰可以引发轴扭转振动，这种轴振动可能导致HP和IP蒸汽阀由于抽吸应完全关闭。此外,辅助速度控制设备可引发汽轮机调速器在系统孤岛效应时出现“失稳”现象。因此，辅助控制装置应该有能力辨别机体自身排斥和外来系统干扰，不至于因控制系统输入的扭转分量而执行错误操作。本文深入分析了汽轮控制的轴扭现象，分析了轴扭转对 汽轮机应对外来强烈干扰以及应对高荷状态下机械分离现象的影响。 假设控制阀具有非线性阀调节功能,假设运行转子加速辅助速度控制器， 从而我们分别检测了一个1000MW, 1800rpm 的机组和一个1300MW,3000rpm的阀调节现象。本文表明由轴扭转产生的不良扭转现象可以通过对汽轮机的精确设计得以减小或消除， 因为设计汽轮机时可以精确定位汽轮机轴的速度控制器，并借数控技术过滤掉不良扭转振动。本文详细深入的地分析了轴扭转现象，同时探讨了数控汽轮机系统中 “量子作用”、“采样”、以及“数控保护方案反应时间”的轴扭转影响。2.系统研究如图1分析阐释的系统现象：如图所示，假定发电机给一个强大的电力系统供应全负荷；在t3时间段内，断路器S在故障电流零点成功移除一个对称的三相短路电路。可推测得出：故障发生在高压变压器汇流排附近的一条不稳固线路；因为在发电机定子终端清除故障对大型机组而言是不切实际的（这类故障通常通过灭磁清除)。发电机和自动电压调节器(AVR)模拟系统以及调节阀、汽轮机模拟 与Hammons在参考文献 1里的对应阐释类似。附录的表1和表2 分别阐释了 2个发电机组的发电机和汽轮机物理常量。参考文献 3阐释了速度/负荷控制系统。3. 轴扭转振动扭转振动依赖于外来干扰或机体甩负荷的瞬态气隙转矩,并依赖于根据发电机转子转矩长度起作用的转矩励磁。在外来干扰时期内（通常约0.6秒），对发电机转矩进行傅里叶分析，这个时段的分析是模态振动的积分值,为转轴的各个模态振动提供发电机转子转矩励磁。3.1 扭转振动振幅模态振动振幅取决于转矩励磁和发电机转子各单元模态位移以及各转轴单元的模态位移,还取决于各个转轴模拟单元的惯性。如果转矩励磁,同时作用于发电机转子d的p单元和q单元、则j单元模态振动振幅是:k代表共振角频率， n 代表转轴模拟单元数量。X代表特征向量, H代表MWs/MVA惯性, 代表p.u.s共振转矩励磁振幅，代表rad / s电力系统的角度频率如果一个单元特征向量改变特征，则转矩励磁影响得以消除。 任何其他转轴单元的振动振幅可由如下公式求得：模态振动k单元的瞬时速度，可由如下公式求得： 是常量。总结：瞬时模态速度(或加速度)为单元内所有模态振动提供瞬时速度(或加速度)3.2 模态位移曲线刚度调整离散转轴模型源于有限元转轴模型,以符合图1中9-mass spring mass模型。如参考文献 4阐释，该模型型被调协到振动和转轴。图2阐释了可影响 机组A 1000MW,1800rpm调速器的低频扭转振动的模态位移曲线。图3阐释机组B 1300MW, 3000rpm条件下对应的模态位移曲线。可从图看出，模态位移随着转轴扭转动产生明显变化。例如，模态振动振幅随轴扭转振动发生显著变化、扭转振动对转轴瞬时速度的影响，以及模态振动随转轴改变发生了显著变化。参考文献4分析论述了汽轮发电机经历限元外来干扰和削减转轴模式以及削减限元转轴模型来平衡离散式转轴模型之后，其转轴模态振动振幅情况。3.3故障持续时间对模态振动的影响图4 和图5 分别阐释了1000MW 的A机组和1300MW 的B机组各个汽轮机转轴位置的模态振动振幅；成功清除高压变压器汇流排附近一条不稳固线路故障电流零点上的三相短路电路的时间段可作为故障排除期。通过分析转矩励磁的变量（该变量充当故障排除期）得到特征曲线。 对各个故障而言，其定子终端阻抗等于发电机变压器 定子终端的阻抗，也等于无限汇流排定子终端的阻抗， 值为：。这些特征曲线说明各个模态振动振幅在不同条件下不一样，揭示了故障排除期。模态振动振幅在波峰出现，因而波峰作为故障排除期，时长约等于模态振动频率的倒数。图4和 图5 说明经历外来干扰后，转轴单元的模态振动振幅很大程度上取决于转轴单元的位置。4. 大型汽轮发电机组的轴扭转现象输电网络受到外来干扰后，其转轴扰性可以影响大型汽轮发电机组的调控性能；转轴速度传感器的定位则直接受到该扰性影响。图4: 故障持续时间对模态振动振幅的影响-1000MW 机组, 图5:故障持续时间对模态振动振幅的影响.1300MW 机组这种扰性影响可以通过速度传感器定位消除，或者在预设期内设置平均速度和设置平均加速度测量值来过滤掉由轴扭转振动引起的控制信号元.4.1 数控调节器这类调节器安装在线性或非线性阀调节的大型发电机组上，他们的设计基于齿形轮的脉冲。 汽轮机转轴每次旋转或半旋转时，脉冲从电流线圈流入分离器供给齿轮。这些脉冲控制着允许其从19.2MHz的晶体振荡器进入一个二进制计数器的出入口。转轴每转一次或半次则记录下转轴速度，由此得到1% 分辨率的下垂设置，它胜过025%的下垂范围。如果必需要更高的分辨率，可以配合使用一个更高频率的晶体振荡器和一个更精确的信号输入传感器。 通过计算当前和此前的轴扭转时间的数值可以得出一种半数控的预估加速度。当所得数值超过预先设定期的预设值,就可以建立起一个双稳电路。关闭HP和LP阀门直到获得最大速率。双稳电路保持工作直到采样期的加速降到预设值。预设加速度水平必须在建立双稳电路之前设定，预设期可以调整一次或半次旋转的增量。基于可靠性考虑,可设定3个等量单位，并采用三分之二控制理念4.2电力系统稳定器和AVR汽轮控制系统和相关辅助控制系统主要的作用是限制速度加快。其原理是：当系统处于高荷甩负荷状态时，瞬间关闭HP和IP或LP 的蒸汽来阻止汽轮的应力作用。电力系统稳定器和AVRs对这种作用几乎无影响。轴扭转振动受到严重干扰时，对控制阀的抽吸反应也仅有一点影响,因而稳定器并不是有效的对策。这是由于电力系统稳定器和AVR作用变弱，扭转振动减小的缘故。然而，电力系统稳定器和AVR在阻尼低频振荡有效，这是因为轴扭振动受到外来严重干扰系统后，转子摆动(及相关蒸汽阀的抽吸反应)已经通过速度传感器定位规避，并且通过滤波器消除了。4.3 转轴加速度-1300MW机组B3相电路故障 图6解释说明在故障电流零点已清除的160ms，三相故障下，1300MW机组B 的轴加速度的不同状态。可知故障发生在接近高压变压器汇流条的一条不稳固线路上。最大加速度在转轴上的位置是, 详见曲线而曲线分别对应的加速度是。由图可见,受机组本身转轴振动影响，31Hz加速振动几乎被设定在转轴处的速度传感器和在4转采样期 (0.08s) 内设置平均加速度的方法消除了。图6的曲线（6i）说明对系统设定故障，HP汽轮机不能即刻获得瞬时加速度，需要推迟0.05秒（由于转轴本身适应性）才可获得；然而，曲线（6v）z则说明即使预设4转采样期 (0.08s)， HP汽轮机在系统设定故障约0.078秒后也会获得平均加速度。这是因为设定故障时，转轴扰性使得LP汽轮机和发电机转子加速幅度比HI汽轮机快，这意味着发电机转矩已减小到较低值。图6所示的加速度是所有转轴扭转模态振动产生的合成加速度。4.4 速度传感器位置对过滤模态振动的影响在振动对应期内，通过平均速度数值来计算加速度(可能会引发汽阀关闭反应) 可以完全滤除扭转振动。 1000MV 机组内， 9.83Hz，17.45Hz和23.56Hz振动频率分别对应0.1 02s，.0573s和0.0424s; 1300MV 机组内， 7.04Hz, 13.89Hz和18.31Hz振动频率分别对应0.142s, 0.072s 和0.055s. 由于实用性原因、速度数值是基于全轴或半轴轴振动时间测量出来的。由于其反应迅速，速度测量期应该尽可能短，且具实用性。如图4和图5所示，计入振动振幅作为故障清除期和转轴速度传感器位置后，1000MW 60 Hz 机组在0.0667s, 0.0833s, 0.100s, 0.167s 和 0.133s；1300MW 50 Hz 机组在0.060s,0.080s, 0.100s and 0.120s 的速度采样期都是实用的备用数据，他们可以用来滤除不需要的扭转振动。折中适当的速度采样期使得受到明显干扰的汽轮机组控制系统的发挥其最优性能。最优的速度采样期取决于对机组的动态模拟。4.4.1 速度传感器定位的作用:1300MW机组B图7阐释 在高压发电机变压器汇流排的三相、160ms的路短电路状态下, 汽轮转轴速度传感器定位对HP和LP阀调节的作用。系统对短路故障的反应与非线性阀调节1300MW B 机组相关。图7 也阐释了速度传感器的加速度速和采样期(0.06s)的平均加速度。图7(a)阐释了位于HP汽轮机的速度传感器,而图7(b)和7(c)则分别阐释了位于LP1、LP2F、 LP2R和LP3F的速度传感器。图7(c)示，把速度传感器设定在LP2R和LP3F之间，阀调节运作得当。在图7(a)和(b)7中，由于阀门几乎完全关闭，所以阀调节运作不当确。对于160ms故障 而言，把传感器定位在LP2R和LP3F之间(如图7(c)所示)并且在0.06s内设置平均加速度，可以有效清除因转轴扭转振动产生的平均加速度脉冲。如果把速度传感器定位在其他不同位置并在另一不同时期内1设定平均加速度，也可以得到类似的效果。4.4.2 速度传感器采样期的作用:1300MW机组B图8比较了高压发电机变压器母线处的3相，160ms故障下HP数控调速器加速采样期的作用和LP 汽轮阀的关闭曲线；如图示，速度传感器设定在HP 汽轮上。此外，图8 阐释了HP汽轮加速度以及其 汽轮采样期平均加速度的情形。图8(a),8(b)和8(c)各自对应的速度采样期分别是0.06s, 0.08s 和 0.10s。根据所出现的反应,说明当速度传感器位于HP时,在 0.10s内设定平均加速度滤出不良轴扭转振动，机组可以发挥更好的性能。4.4.3 甩负荷: 1300MV机组B图9(a)和9(b)分别示 在满负荷以及60%负荷下甩负荷的特性曲线。这些特征曲线与位于HP汽轮上的速度传感器有关。其对应的平均加速度是在0.100s内设置的。同时，图释也阐释了采样期(0.100s) 的平均加速度和HP汽轮速度增长的情形；图释说明甩负荷控制阀运作得当。分别在相同和不同采样期内把速度传感器定位在其他转轴上，机组也可发挥相似的性能。5. 系统由调节器作用出现孤岛效应和扭转扰动不同电力公司使用不同的设备来应对孤岛效应。一些汽轮机控制系统通过加速设备来识别岛效应，并通过本文所述的瞬间关闭控制阀来应对孤岛。这样一旦加速度被消除，就把孤岛回归到下垂控制区域。其他的汽轮发电系统则使用机械动力失配测量尺来卸除孤岛效应并回归零功率，从而等待进一步操作指令。一些汽轮发电机转轴扭转振动模式可能会通过调节器作用及其对高速电动液压汽轮控制系统的线圈的影响引发扰动现象。设计大型汽轮发电机的电液控制系统2时，对调速器非线性特点予以考虑是十分必要的。 过滤控制系统轴扭转分量速度信号也能解决扰动问题。至少在试运行阶段，对大型汽轮发电机的扭转进行监测可以对扭转扰动提供一个早期预警。应采取有效的采样率或者基于数控系统速度测量频率来避免强烈扭转模式问题5，又或者在有需要的地方安装抗锯齿滤波器。通过区别速度信号来推导出机组加速度的数值， 或者安装适当的过滤器或其他装置使得转轴振动变量明显降到较低水平，从而避免疏忽大意的操作。6. 结论1） 转轴扭转扰性能够对大型汽轮发电机产生重大影响， 特别是采用不同的阀调节比率时。应该识别转轴系统的扭转模式，设计汽轮发电机控制系统时设定适当的误差范围。2）可以通过定位转轴系统上速度传感器来消减扭转振动的影响，也可以设定平均速度和/或设定平均加速度信号(这样的设置几乎可以立刻关