大型汽轮发电机组轴系扭转特性振动分析文献综述

 2023-08-23 04:08
  1. 选题背景和意义：

由于汽轮机组不存在往复运动部件旋转，而且70年代以前，单机容量较小，扭转的危害不明显，因此，长期以来人们关心的是它的弯曲振动。但是随着电力工业的发展，有两个方面的特点越来越明显：一方面发电机组单机容量大型化，轴系材料利用系数提高、截面功率密度相对增大，使得轴系变得相对细长，呈现柔性化趋势，轴系的扭转刚度也显著降低；另一方面互联电网规模大型化、结构复杂化，电网朝着超高压甚至特高压输电方向发展，电力负荷呈现多样化趋势，新的电网稳定控制技术和新型输配电技术越来越多的使用。上述大机组的发展趋势和大电网的新技术的使用，使得机网耦合扭振问题突出起来。机网耦合扭振会使机组轴系反复承受较大的扭矩，从而导致轴系疲劳寿命损耗、甚至直接损坏。

1970年12月，美国Mohave电站一号机组（300MW）在发电机与励磁机连接处发生大轴破坏事故。修复后，在1971年又再次损坏。这两次事故引起了人们的广泛关注，后来证实是由于输电系统中使用的串联电容补偿装置引发了次同步共振的问题。1973年西德一台600MW机组，由于发电机误并列，使得汽轮机与发电机间的联轴器变形、螺栓出现裂纹。经事后调研表明，这些事故均与轴系扭振有着密切的关系。因此，国外在上世纪60、70年代就开始了对汽轮发电机组轴系扭振的研究和探讨。

近些年来，在我国有好几家电厂发生了机组联轴器螺栓断裂的事故，如朝阳电厂200MW机组高、中压转子联轴器螺栓断裂，神头电厂原苏制200MW机组高、中压转子联轴器2次断裂等，据分析与轴系扭振有关。目前，机网耦合扭振问题已被公认是影响大机组和大电网安全经济运行的一个重要因素，成为发展大机组和大电网所必须解决的关键技术问题。

开展汽轮发电机组轴系扭振的研究，建立扭振模型，计算大型汽轮发电机组在电网扰动时对轴系转子动态特性的影响，探究电网扰动对大型机组轴系扭振的影响规律研究，可以为电厂事故分析和电厂检修奠定基础，为避免电厂事故的发生，维持电力系统的安全平稳运行提供技术指导。

  1. 课题关键问题及难点：

关键问题：

  1. 建立大型汽轮发电机组轴系扭振系统转动仿真模型。
  2. 计算大型汽轮发电机组在电网扰动时对轴系转子动态特性的影响，具体内容包括轴系扭振特性分析、轴系瞬态转速变化、轴系角加速度、轴系扭应力、扭应变随时间历程分析，以及扭矩扭应力随轴系的分布。
  3. 探究电网扰动对大型机组轴系扭振的影响规律。

难点：

  1. 扭振模型的建立建立方法中，简单的方法精度不够，而精度高的方法计算繁琐困难，不便于操作，要平衡计算精度和计算难度二者之间的关系，选择恰当的方法。
  2. 轴系扭振特性分析和轴系瞬态响应，不仅计算方法较多，选择困难，而且方法比较繁琐，必须查阅大量资料才能够理解并进行计算，其次，还需要掌握一些仿真软件的使用，以便于计算和画图。

参考文献：

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  2. 刘英哲，傅行军．汽轮发电机组扭振.北京：中国电力出版社，1997
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  8. 叶菁.电网次同步谐振下汽轮发电机组轴系扭振分析：[硕士学位论文].北京：华北电力大学，2007
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  10. 杨昆.快控汽门过程中大型汽轮发电机组轴系扭振及热暂态热性研究.[博士学位论文].北京：华北电力大学，1992
  11. 郭慧东.汽轮发电机组轴系扭振分析及机电系统仿真：[硕士学位论文].北京：华北电力大学，2005
  12. 李晓波.汽轮发电机组轴系扭振建模与寿命损耗分析：[硕士学位论文].北京：华北电力大学，2006
  1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：
  2. 建立大型汽轮发电机组轴系扭振系统转动仿真模型：建立扭振模型是扭振分析的第一步，由于汽轮机发电机组扭振是由机电网三部分相互作用的结果，因此，对于机电扰动下的轴系扭振分析一般都要建立机电统一的数学模型。而目前在扭振分析中，轴系的连续质量模型需要用偏微分方程的形式表示，一般可用数值方法求解，结果可达到很高的精度，但是计算复杂，计算速度比较低，在系统仿真、设计中应用比较困难，而轴系力学模型中的多段集中质量模型是多质量块的质量弹簧系统，它是连续质量模型的近似，可较准确地反映低阶和高阶的扭振特性，尽管计算精度受质量分块数的影响，但可以满足工程计算要求，目前被广泛采用，因此，基于精度和计算方便的要求，我们建立多段集中质量模型。
  3. 计算大型汽轮发电机组在电网扰动时对轴系转子动态特性的影响：
    1. 轴系扭振特性分析：汽轮发电机组轴系扭振固有频率和振型可对机组扭振有重大影响，特别是扭振阻尼通常较小，使潜在的扭振共振现象危害较大。

汽轮发电机组轴系扭振固有频率的计算方法有很多种，如传递矩阵法、霍尔兹法、改进的Riccati传递矩阵法和有限元法等，本文采用的计算方法是：将各轴段离散化后形成的多轮盘结构模型（将轴系模化成由n个圆盘和n-1个无转动惯量，只有扭振刚度是轴段组成的链状系统，由于汽轮发电机组转子是弱阻尼系统，在建模和计算中可以不计用阻尼）后可采用有限元计算固有振动频率及其相应振型。

    1. 轴系瞬态分析：在扭振瞬态分析中可以采用直接积分法和振型叠加法，由于直接积分法仅适用于计算简单结构在较短时间动力响应情况，因此，本文利用有限元方法建立轴系的扭转动力学方程，综合利用模态叠加和纽马克法求出电网扰动时轴系的角加速度、角速度、扭矩、扭应变及应力等随时间历程变化以及扭矩扭应力随轴系的分布。
  1. 探究电网扰动对大型机组轴系扭振的影响规律。

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