成果推介

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汽轮发电机组扭振在线监测、分析与保护系统

一、前言

随着我国经济的迅猛发展,社会各行业对电能的需求量日益增长。一方面,为满足需要,一批坑口电厂及能源基地相继建立,远距离、超高压输电网络逐渐形成,各种输电线路补偿装置和控制技术日新月异;另一方面,为提高机组效率,大功率超临界、超超临界机组不断投运,机组的参数不断提高,轴系结构越来越复杂,柔性、多支承、大跨距、高功率密度的特征更加明显。所有这些因素,增加了机组轴系发生扭转振动(以下简称扭振),特别是易于诱发机网协调作用下次同步振荡(SSO)或次同步谐振(SSR)的危险,引发机组轴系受到扭振破坏的严重事故。同时,机组轴系扭振也会激发电网的振荡,造成线路跳闸或机组解列,直接影响到电力系统的稳定运行和大量用户的经济利益。

因此,开展机网协调作用下机组轴系扭振基础理论的研究、研制机组轴系扭振在线监测与分析系统以及开展机组轴系扭振的保护与控制策略的研究,已成为当今世界各国发展大电网和大机组所亟待解决的关键技术问题,对提高大机组和大电网可靠性和经济性、促进大机组和大电网的快速发展,具有重要的理论意义和实用价值。

二、扭振研究进展

大型汽轮发电机组轴系扭振是当前大电网和大机组相互配合、作用与协调中出现的突出问题之一。由于这一课题涉及电力系统、电机、汽轮机、自动控制、力学、材料、通信、计算机等多个专业学科,研究起来比较困难;再加上扭振的危害具有潜伏性,而被许多人忽视、不觉察、不理解、不承认,因而一直未引起人们的重视。直到二十世纪七十年代前期,美国莫哈维(Mohave)电站于1970年和1971年连续两次发生由次同步谐振导致的重大扭振事故,迫使美国及西欧一些国家率先开始这一问题的研究,并开始引起了人们的普遍重视。中国在这一领域的研究工作起始于二十世纪八十年代。大机组轴系扭振问题已得到电力和机械制造部门的重视,并多次下达文件、召开有关会议,积极推动和支持大电网和大机组的相互作用与协调问题的研究。

客观上无法避免的各种机电扰动和非正常运行方式可能导致的轴系扭振将严重威胁机组的安全运行和使用寿命,这是轴系扭振这一研究课题得到重视、并投入大量人力与物力进行理论与试验研究的主要原因。通过几十年的努力,迄今带有普遍性的问题已基本解决,不少关键问题也相继突破。目前,大机组轴系扭振的研究重点已转向符合实际情况的轴系疲劳寿命损耗的准确确定、在线监测装置性能的进一步改进、利用控制与调节手段抑制和消除轴系扭振以及轴系扭振标准的制定等。

国内外对机组轴系扭振问题的研究主要有两方面:理论研究和工程应用。理论研究主要有:系统模型的建立和仿真计算方法研究,汽轮发电机组轴系扭振特性和扭振响应研究,扭振疲劳寿命损耗的估计方法及材料疲劳特性的研究,扭振的非线性问题研究;现场实测主要有:扭振特性的现场实测方法,轴系扭振信号分析及在线监测装置的研究,避免机电耦合的控制手段和运行措施的研究等。

三、扭振理论研究

1)机电网耦合轴系扭振模型建模与仿真研究

对机网协调下机组扭振模型以及电力系统不同运行方式下的次同步振荡和轴系扭振发展变化规律进行了研究,总结了机械侧及电网侧用于扭振分析的经典模型,通过机电类比分析了机械侧与电气侧在传递功率过程中的特点,以轴系扭转弹性波模型、电力系统连续体机电波理论为基础建立了用于机组扭振分析的机网扭振统一模型,分析了扭振波在电力系统中的传播过程,给出了机网扭振统一模型的仿真方法。

结合时域仿真法和各种频域分析理论,分析了交直流系统在不同连接方式下、不同串补方式以及不同电力系统设备相关参数下的次同步振荡和轴系扭振特性;研究了不同故障类型(短路、误同期、甩负荷等)、不同故障地点、不同故障切除方式下的次同步振荡和轴系扭振的发展变化规律;采用轴系扭振安全性分析理论,对不同运行方式下的轴系扭振安全性进行了对比评价。揭示了复杂交直流混合输电的电力系统在不同运行方式下的次同步振荡及轴系扭振发展演变规律,指导电力系统安全运行,为机组扭振的监测、保护和控制提供坚实的理论基础。

2)轴系扭振建模与固有特性计算方法研究

根据机组轴系的实际情况,对轴系扭振的建模方法进行研究,利用一系列等效化方法,将轴系模化为由多个刚性轮盘和轻质扭转弹簧组成的多段集中质量模型。基于多段集中质量扭振模型,对轴系扭振固有特性的理论计算方法进行了研究。提出了一套利用四端网络法,快速准确地计算轴系扭振固有频率和扭振振型的方法,并考虑汽轮发电机组运行工况对轴系抗扭刚度的影响,对轴系扭振固有特性进行了修正。基于以上研究成果,开发了一套机组轴系扭振固有特性仿真分析软件包,用于机组轴系的扭振分析;结果表明,该软件包的计算结果精确,可准确地对轴系扭振固有特性进行分析与评估。

汽轮发电机组在变工况运行时,转子钢材料刚度随温度变化而改变,轴系扭振固有频率和振型会发生偏移。为解决该问题,研究了轴系扭振模型自适应调整方法进行了,可根据现场采集的机头、机尾扭振角位移对轴系扭振模型的刚度参数进行实时调整,使轴系扭振固有特性与实际机组运行工况保持一致,从而保证机组扭振监测与分析的准确性。

3)轴系扭振动态响应分析方法研究

采用时域仿真法研究分析轴系扭振动态响应,考虑了机组扭振过程中系统的强非线性,与逐步积分法结合,对轴系扭振动态响应进行求解,同时也给出了与之相匹配的发电机电磁力矩和蒸汽力矩的计算方法;提出了利用Newmark-β法和Riccati传递矩阵法结合的算法,并以此为基础开发了求解轴系扭振的动态响应的软件包。用所开发的软件包可对机组轴系的扭振动态响应进行仿真分析,可准确得到机头、机尾的瞬时转速、扭角信息以及每一轴段所承受的动态扭矩和动态扭应力,为准确估算机组扭振故障下轴系疲劳寿命损耗奠定基础。

4)机组扭振故障下轴系疲劳寿命损耗计算方法研究

鉴于缺乏转子钢扭转疲劳性能实验数据的现状,给出了利用转子钢机械性能数据估算其扭转疲劳性能的有效估算方法,利用四点相连法估算转子钢的扭转应变-寿命曲线。分析了影响轴系扭振疲劳寿命损耗的多种因素并加以修正,重点对适用于中低寿命区的Manson-Coffin曲线进行高周疲劳线性修正。在获得机组扭振动态响应结果的基础上,考虑了载荷顺序对材料疲劳的影响,优化雨流计数法,用于载荷谱的分析;考虑了应力集中的影响,利用局部应力-应变法进行轴系扭振疲劳寿命损耗计算,并结合Miner线性疲劳累积损伤理论,较为准确地获知每一次机组扭振故障对轴系所带来的疲劳寿命损伤以及轴系剩余寿命。

5)轴系扭振危险截面安全性评估方法研究

通过模型仿真和扭振固有特性计算来确定各种故障下轴系扭振危险截面,并根据机组扭振的两种主要形式:电磁力矩瞬态冲击类扭振和共振类扭振各自的特点,提出了两类机组故障下轴系扭振危险截面动态应力和扭振疲劳寿命损耗计算方法:利用模型仿真法分析电磁力矩瞬态冲击类扭振,避免了由带通滤波带来的边界效应误差;利用振型叠加法分析共振类扭振,解决了通过三相电流电压难以准确监测次同步振荡的问题。同时,分析了机组扭振安全性分析的国内外研究现状及其安全评估策略,总结了机组各类扭振故障及其扰动组合对轴系损伤的程度和一次性冲击允许的寿命损耗范围,为轴系相关部位风险门槛值的确定提供了依据。采用结构疲劳寿命概率密度函数及累积分布函数,提出了其模型参数的求解方法,得到了危险元件风险值的计算方法,使轴系结构危险程度的定量表示有了科学依据。

6)机组扭振监测与保护策略研究

给出了轴系机头、机尾瞬时角速度和扭角的计算方法以及由轴系弯振和测速齿轮安装、加工误差等因素带来的误差消除方法;根据在扭振安全性评估方面的研究结果,提出了一套机组扭振故障下轴系扭振危险截面动态应力和疲劳寿命损耗的监测方法,该方法利用轴系机头/机尾扭角分析共振类扭振故障,利用发电机电磁力矩判断冲击类扭振故障,解决了电流电压监测精度和带通滤波边界效应等因素带来的分析误差的问题;同时,对机组次同步振荡下轴系扭振的发展趋势判断方法进行了研究,提出了一套轴系扭振发展趋势预测方法;在扭振监测和安全性评估的研究基础上,提出了一套完善的机组轴系扭振监测与保护策略,该策略将电磁力矩瞬态冲击类扭振与共振类扭振区分开来,根据各自特点选用不同方法进行分析,对轴系安全性做出判断,在保证机组安全性的基础上,避免机组过于频繁的跳机,保障发电厂的经济效益。

四、具备的研究条件

2009年,经科技部批准依托华北电力大学立项建设国家火力发电工程技术研究中心(下称“中心”),中心围绕火力发电的安全、清洁、高效等需求,以火电机组调峰和高效变工况运行、火电机组过程节能、火力发电清洁运行与环保减排、火力发电测控与仿真等技术为主要研究方向,积极探索产学研用合作新机制。其中,汽轮发电机组轴系扭振在线监测、分析与保护是中心的主要研究方向,并已在该方向实现了技术上的突破创新,在工程应用取得了良好的应用效果。为了更好地实现技术成果工程转化,中心成立了具有独立法人资质的多个高新企业,北京华电伊创科技有限公司与中心共同承担汽轮发电机组轴系扭振在线监测、分析与保护技术研发和工程设计的工作,并负责相应的产品推广与技术服务。

公司研究开发团队长期从事电站设备状态监测、状态评价及预测和故障诊断与状态维修等研究工作;具有利用故障理论和可靠性工程理论进行电站设备寿命预测和维修决策的研究基础;已开展电站设备振动监测与故障诊断系统的开发和应用;已开展电站设备状态评价及寿命预测和诊断的研究和开发;电站设备状态维修决策支持系统集成研究也已初步展开。

公司依托单位获得了中国电力科学技术奖二等将1项、三等奖1项,成果打破了国外技术和产品的市场垄断地位,在汽轮发电机组轴系扭振在线监测、分析与保护,风电设备状态监测与故障诊断等领域成为了领导者。公司依靠积极的价值观,先进的技术和周到的服务赢得了电力企业的认可,开发的汽轮发电机组扭振在线监测、分析与保护系统,风力发电机组在线监测与故障诊断系统在国内多家电力企业推广应用,系统的投入保证了设备的安全运行,减少了故障停机时间及维修成本,可降低20%-30%的维修费用,增加产值1%-3%,经济效益明显。

五、系统的研究与开发

1)轴系扭振测量方法研究与实现

利用脉冲时序法进行扭角测量,即:对轴进行扭振测量时,在轴被测位置处装设一齿轮,当齿轮随轴旋转时,电涡流传感器产生一个脉冲信号串。当轴平稳转动时,脉冲串的时序位置反映了各齿在圆周上的排列。当轴发生扭振时,各脉冲的时序位置就会发生变化,可看作扭振脉冲时序相对平稳脉冲时序发生了相移。提取这一变化量,就得到轴系扭振的一组采样值。

2)轴系扭振在线监测装置硬件实现

智能数采系统采用模块化设计思想,根据系统采集信号类型,智能数采系统包括以下几类模件:系统工作电源模件、主控CPU和通讯模件、压力信号处理模件、温度信号处理模件、电压信号处理模件、电流信号处理模件以及扭角信号处理模件。每类模件按信号进行分类,通过隔直、滤波、光电隔离等多环节电路处理,然后进行AD转换,变成数字信号,其硬件具有较高的稳定性和可靠性。

3)轴系扭振监测与分析软件实现

智能数采系统采集软件负责系统所有信号的实时采集、快速计算以及故障越限判定,同时具备监控机组运行状态变化信息、自动记录启停机、超速试验等变工况信息以及机组发生扭振,故障前后一定时长原始信息存储等功能。

监测中心分析软件功能强大,通过时域波形图、频谱图、趋势图、有效值变化图等多种形式实现系统信号实时显示;通过数据库的分级管理,实现历史数据有效存储与分析;当机组发生扭振故障时,自动启动故障分析功能,实时计算机组蒸汽力矩和暂态电磁力矩,进行轴系扭振响应分析,同时计算轴系危险界面寿命损耗,给出安全评价与建议。并通过丰富的图表形式,与用户进行互动交流。

4)机组轴系扭振保护策略研究

机组扭振可分为次同步共振、超同步共振和振荡扭矩冲击性扭振,这三类扭振特点不同,相应的保护策略各不相同。当电力系统出现振荡扭矩冲击性扭振时,可以根据计算出的轴系扭振响应,依据机组的扭应力-寿命曲线(S-N曲线)估算出轴系的疲劳损耗。若轴系总的损耗达到100%,意味着该机组轴系的预期寿命已经耗尽,存在着出现断裂的可能性,此时停机对转子进行检查及检修就很有必要。当发生次同步谐振和超同步共振故障时,是否采取跳机动作,首先选择本次故障允许的寿命损耗限值,然后分析本次故障时谐波频率以哪阶为主,以及对应的最大扭振响应大小,如果超过扭振响应限值则跳机,否则不跳机。

5)机组轴系扭振控制策略研究

1970年和1971年美国Mohave电站先后发生两次次同步谐振事故而引起发电机组大轴严重损坏后,科技工程界以及IEEE次同步谐振工作组,就对次同步振荡问题进行了大量的研究,提出了各种抑制机组次同步振荡的措施。这些抑制措施大体上可以分为四类:阻尼和滤波,继电保护及监测保护,系统开关操作和机组切除以及机组和系统改造。

六、系统介绍

1)系统结构

在结构上,系统由下位机、上位机和远程诊断中心等三部分组成。

一套机组配备两台下位机,置于电厂电子间,其主要功能为:

Ø   连续、高速采集机组轴系扭角、蒸汽温度压力、发电机出口电流电压等扭振相关数据,并将其上传至上位机服务器;

Ø   根据机组的运行状态实时对轴系扭振模型参数做出修正并上传至上位机,保证轴系扭振安全性评估结果准确无误;

Ø   在监测到扭振相关参数越限时,向上位机发出扭振报警信息,启动轴系扭振疲劳寿命损耗分析程序;

Ø   评估机组轴系扭振的严重程度,当扭振进入危险状态时,向电厂DCS系统发出跳机保护指令,避免轴系遭受严重破坏。

上位机位于电厂的工程师站,由一台数据库服务器和一个工作站组成,其主要功能有:

Ø   当接收到来自下位机的扭振报警信号后,开启轴系扭振安全性分析程序,计算机组轴系单次故障的疲劳寿命损耗和轴系的累积疲劳寿命损耗,并对轴系的安全性进行评价;

Ø   当扭振故障解除后,将轴系的累积疲劳寿命损耗分析结果回传给下位机,对下位机的评估结果做出修正;

Ø   自动生成机组运行报告、故障分析报告以及跳机保护报告;

Ø   将实时数据、扭振故障数据包和扭振分析结果上传至远程诊断中心。

远程诊断中心由一台数据库服务器和一台工作站构成,它可以配置在发电集团、电科院或者科研院校。远程诊断中心从系统上位机获得机组的运行实时数据以及扭振故障分析结果,可对扭振的产生原因做出判断,同时可以在线监测与分析多台机组的运行状态,并利用功能强大的数据库管理软件,对各种原始数据和分析结果进行存储、备份管理。


2)技术特点

Ø   采用多微机技术实现在线自动监测,系统精度高、稳定性好、抗干扰能力强、免维护、测量结果显示形象直观;

Ø   扭振直接测量部分具有高速数据采集处理及干扰自动识别消除功能;

Ø   扭振响应模型具有良好的参数预调和自适应特性;

Ø   全新理论可简化载荷历程、循环计数、局部应力应变及疲劳损伤,分析计算准确性高;

Ø   原始数据永久保留,可供重复分析;

Ø   数据管理系统提供查询服务,系统完成各种操作,无需运行人员介入;

Ø   保护动作及时准确,可准确判断冲击类和共振类故障,避免误动和拒动。

七、应用业绩

研究团队不断在汽轮发电机组轴系扭振研究中取得创新与突破,先后承担各类纵向和横向项目10余项,获得了中国电力科学技术奖二等奖1项、三等奖1项,已获授权国家发明专利3项【ZL200810227059.9ZL200810057729.7ZL201010224844.6】、实用新型专利1项【ZL201020256595.4】,获得软件著作权登记4项【2012SR0168762012SR0168802012SR0174542011SRBJ1919】。系统研究成果的推广应用可令更多的发电企业认识到机组扭振的危害以及对其进行实时监测的重要性,对发电机组、乃至整个电网的安全稳定运行具有重要意义。研究开发的汽轮发电机组轴系扭振在线监测、分析与保护系统能够实时监测机组在各种冲击下的扭振故障、分析引起扭振的原因、评判扭振对轴系造成的损伤程度,有利于机组轴系维护,预防断轴等恶性事故的发生,避免电厂出现重大损失,产生了明显的经济和社会效益。

八、技术支持

电话:010-61773064

传真:010-61773064

手机:15901170934

Emailnceputprc@163.com

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邮编:102206


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