汽轮发电机组轴系大扰动瞬态冲击扭振监测的方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于汽轮发电机组轴系扭振监测【技术领域】，尤其涉及一种汽轮发电机组轴系大扰动瞬态冲击扭振监测的方法及系统。该方法首先对机电网协调作用下电力系统大扰动导致的轴系扭振进行仿真计算，建立电力系统大扰动下发电机电磁力矩最大值与轴系疲劳寿命损耗之间的对应关系，制定损伤报警阈值和跳机保护阈值，然后根据发电机三相电流和电压计算发电机电磁力矩，在机组安全性受到威胁时及时地发出损伤报警或跳机保护信号，最后再对扭振故障进行轴系扭振动态响应计算，进而对轴系做出精确的损伤评估和剩余寿命评估。该方法可实现针对电力系统大扰动故障的扭振在线监测、分析与保护，同时可对机组轴系扭振疲劳寿命损耗进行精确计算。
【专利说明】汽轮发电机组轴系大扰动瞬态冲击扭振监测的方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽轮发电机组轴系扭振监测【技术领域】，尤其涉及一种用于汽轮发电机 组轴系大扰动瞬态冲击扭振监测的方法及系统。
【背景技术】
[0002] 汽轮发电机组轴系扭振根据它被激发机理的不同可以分为瞬态冲击类扭振和次 同步振荡等共振类扭振。自动重合闸、非同期并网、瞬时性对称与不对称短路及线路开关切 合操作等突发性机电扰动，将有可能产生短时间性冲击扭矩，形成短时间冲击性轴系扭振。 这种扭振虽然时间不长，但在不利的配合条件下，仍有可能产生高到机组轴系无法承受的 交变扭应力而造成一次性破坏，或者产生扭振疲劳损耗积累。
[0003] 电力系统大扰动故障下汽轮发电机组轴系发生瞬态冲击类扭振时，其扭振振幅表 现出突然增大后又逐渐衰减的特点，根据监测机组机头和机尾测速齿轮所得的轴系扭振相 对角位移信号难以用带通滤波准确地滤出，因此不宜采用模态叠加法进行进一步分析计 算。同时，电力系统大扰动故障下汽轮发电机组轴系瞬态冲击类扭振危害性很大，如果不能 在发现该类扭振时作出及时的损伤报警或跳机保护动作，可能造成机组轴系极大的损伤。 现有的监测与分析手段不能够快速、准确的对轴系扭振进行定位与分析，方法也需要进一 步完善和改进。
[0004] 根据瞬态冲击类扭振产生的机理，及其引发的机组轴系扭振所表现的特征，同时 考虑实时在线监测、分析和保护的快速性与准确性，采用模型仿真法对轴系扭振响应进行 求解，分析计算得到其对机组轴系的损伤程度。把该方法应用于汽轮发电机组轴系扭振在 线监测与、分析与保护系统，得到很好的应用效果。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，本发明提出了一种用于汽轮发电机组轴系大扰动瞬态冲击扭振监 测的方法及系统。
[0006] 一种用于汽轮发电机组轴系大扰动瞬态冲击扭振监测的方法，包括：
[0007] 步骤1 :通过电力系统仿真，模拟电力系统不同类型的大扰动故障下机组发生瞬 态冲击类扭振时发电机的电磁力矩，仿真得到不同类型瞬态冲击类扭振故障下不同幅值的 电磁力矩响应；
[0008] 步骤2 :根据仿真所得电磁力矩响应计算轴系扭振危险截面局部扭应力响应；
[0009] 步骤3 :对机组轴系扭振危险截面进行扭振疲劳寿命损耗计算；
[0010] 步骤4 :建立不同故障下机组电磁力矩最大值与轴系扭振危险截面扭振疲劳寿命 损耗之间的对应关系；
[0011] 步骤5 :根据步骤4所建立的对应关系，确定机组轴系扭振损伤报警阈值和扭振跳 机保护阈值；
[0012] 步骤6 :通过监测机组发电机三相电流和电压，实时在线计算相应电磁力矩；
[0013] 步骤7 :当发电机电磁力矩出现大幅跳变，电磁力矩值超过扭振损伤报警阈值时， 对机组轴系发生的瞬态冲击类扭振进行报警；当电磁力矩值超过跳机保护阈值时，则判定 机组轴系发生损伤程度较大的瞬态冲击类扭振，发出跳机保护信号。
[0014] 所述大扰动故障包括：电力系统的两相短路故障、三相短路故障、120°非同期故 障、180°非同期故障。
[0015] 所述步骤2包括：首先建立机组轴系多段集中质量扭振模型；计算汽轮机蒸汽力 矩，并根据汽轮机各级叶轮的出力分配情况，将蒸汽力矩按比例施加在扭振模型中汽轮机 各级叶轮所在轮盘上；通过发电机三相电流电压计算机组在扭振故障下的电磁力矩响应， 并将电磁力矩均匀分布在扭振模型中发电机绕组所在的轮盘上；
[0016] 然后根据机组轴系所受蒸汽力矩和电磁力矩，采用Newmark-β法和传递矩阵法 相结合，实时在线计算机组轴系扭振危险截面扭矩响应，然后利用轴系扭振危险截面的扭 矩响应计算其名义扭应力响应，考虑结构对应力集中的影响，用理论应力集中系数对名义 扭应力作修正，最终得到轴系扭振危险截面的局部扭应力响应。
[0017] 所述计算汽轮机蒸汽力矩Tm的公式为：
[0018]
【权利要求】
1. 一种用于汽轮发电机组轴系大扰动瞬态冲击扭振监测的方法，其特征在于，包括： 步骤1 :通过电力系统仿真，模拟电力系统不同类型的大扰动故障下机组发生瞬态冲 击类扭振时发电机的电磁力矩，仿真得到不同类型瞬态冲击类扭振故障下不同幅值的电磁 力矩响应； 步骤2 :根据仿真所得电磁力矩响应计算轴系扭振危险截面局部扭应力响应； 步骤3 :对机组轴系扭振危险截面进行扭振疲劳寿命损耗计算； 步骤4 :建立不同故障下机组电磁力矩最大值与轴系扭振危险截面扭振疲劳寿命损耗 之间的对应关系； 步骤5 :根据步骤4所建立的对应关系，确定机组轴系扭振损伤报警阈值和扭振跳机保 护阈值； 步骤6 :通过监测机组发电机三相电流和电压，实时在线计算相应电磁力矩； 步骤7 :当发电机电磁力矩出现大幅跳变，电磁力矩值超过扭振损伤报警阈值时，对机 组轴系发生的瞬态冲击类扭振进行报警；当电磁力矩值超过跳机保护阈值时，则判定机组 轴系发生损伤程度较大的瞬态冲击类扭振，发出跳机保护信号。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大扰动故障包括：电力系统的两相短 路故障、三相短路故障、120°非同期故障、180°非同期故障。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：首先建立机组轴系多段 集中质量扭振模型；计算汽轮机蒸汽力矩，并根据汽轮机各级叶轮的出力分配情况，将蒸汽 力矩按比例施加在扭振模型中汽轮机各级叶轮所在轮盘上；通过发电机三相电流电压计算 机组在扭振故障下的电磁力矩响应，并将电磁力矩均匀分布在扭振模型中发电机绕组所在 的轮盘上； 然后根据机组轴系所受蒸汽力矩和电磁力矩，采用Newmark-β法和传递矩阵法相结 合，实时在线计算机组轴系扭振危险截面扭矩响应，然后利用轴系扭振危险截面的扭矩响 应计算其名义扭应力响应，考虑结构对应力集中的影响，用理论应力集中系数对名义扭应 力作修正，最终得到轴系扭振危险截面的局部扭应力响应。
4. 根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述计算汽轮机蒸汽力矩Tm的公式 为：
式中，r为电枢电阻，ωθ为稳态发电机角速度，ua(l、ub(l、Uetl为扰动前发电机端三相电压 测量值，ia〇、iM、U为扰动前发电机端电流测量值。
5. 根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述计算机组轴系扭振危险截面扭矩 响应的方法为： 首先建立轴系多段集中质量扭振模型，模型由N+1个单元组成，每个单元分别包括一 个无弹性的刚性圆盘和一个无质量的弹性轴段；设Ii为第i个单元刚性圆盘的转动惯量， 备为第i个单元刚性圆盘的角加速度，Ci为第i个单元刚性圆盘的阻尼系数，4为第i个单 元刚性圆盘的角速度，Tu为第i个单元刚性圆盘所受外力矩，和?\κ分别为第i个单元 刚性圆盘左右两端扭矩，其中i= 1、2. . .N; 以第i个单元刚性圆盘为研究对象，由扭矩平衡条件得：
将式（13)移项并改写为增量形式为： AT.r = ATi1 + IiA^ + CiA^i - ATli(14) 其中，△Ii为第i个单元刚性圆盘的转动惯量在单位时间变化量△t时间段内的增量，Δ表为第i个单元刚性圆盘的角加速度在单位时间变化量At时间段内的增量，Δ&为第i 个单元刚性圆盘的角速度在单位时间变化量At时间段内的增量，ATu为第i个单元刚性 圆盘所受外力矩在单位时间变化量At时间段内的增量，Λ?^和八1^分别为第i个单元 刚性圆盘左右两端扭矩在单位时间变化量At时间段内的增量； 式（14)根据Newmark-β法推导得： Δ Tje = Δ Ti^Ai Δ φ +Bi
其中Ai与Bi为中间变量，Λt为单位时间变化量，Λφ为第i个单元刚性圆盘的角位 移在单位时间变化量At时间段内的增量，参数γ取0. 25,参数β取0. 5,式（15)表示了 第i个单元刚性圆盘左右两端的扭矩变化量关系； 然后设Δ#为第i个单元刚性圆盘右端角位移在单位时间变化量At时间段内的增 量，Δ#为第i个单元刚性圆盘左端角位移在单位时间变化量At时间段内的增量，第i个 单元刚性圆盘左右两端的角位移变化量关系为： Αφ^ = Αφ^ (16) 以轴系扭振模型第i个单元弹性轴段为研究对象，推导其左右两端扭矩变化量和角位 移变化量关系得：
其中Δ7^为第i+Ι个单元刚性圆盘左端扭矩在单位时间变化量At时间段内的增量， 为第i+Ι个单元刚性圆盘左端角位移在单位时间变化量At时间段内的增量，Ki为第i个单元弹性轴段的扭转刚度； 综合上述过程得轴系扭振模型第i+Ι个单元左右两端扭矩变化量和角位移变化量与 第i个单元左右两端扭矩变化量和角位移变化量的传递关系为：
式（18)为矩阵形式，其中为第i+1个单元刚性圆盘左端扭矩变化量和角位移 Μ1+1 变化量写成矩阵表达形式，为第i个单元刚性圆盘左端扭矩变化量和角位移变化量 写成的矩阵表达形式； 为方便推导计算，设中间变量f=ΔT,e=Δφ，U11 = 1，U12 =Ai,?=p， ?=丨+f，Ff =Bi, 6 = ^，则式（18)写为如下矩阵表达形式： I I
根据Riccati传递矩阵法，设Riccati变换为：fi=Sie^Pi (20) 其中LSpe^Pi为第i个单元的中间变量，fi+1、Si+1、ei+1、Pi+1为第i+Ι个单元的中间 变量（i= 1，2, 3......Ν)，N代表轴系扭振模型单元数量，第Ν+1个单元为假设单元； 将式（20)带入式（19)，得到S1+,、e,_和P1+,的递推关系表达式如下：
当轴系扭振模型由N个单元组成时，由于模型两端为自由端，为方便计算设模型由Ν+1 个单元组成，且第Ν+1个单元为不存在单元；由模型两端为自由端得= 0,G1尹0,S1 = 〇,P1 = 〇,根据式（21)和式（22)计算得S2,P2,S3,P3…，SN+1，ΡΝ+1 ;对于模型第Ν+1个单元， 由模型两端自由得fN+1 = 0,根据式（20)得心+1=|@，根据式（23)依次计算得到ei(i= N，N-l，N-2,......，1)，相应算出各截面A，所求结果即为各单元状态参数在单位时间变化 量At时间段内的增量。
6.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述轴系扭振危险截面的局部扭应力 响应的计算方法为： 设机组轴系危险截面扭矩为T，轴系危险截面抗扭截面系数为W，危险截面应力集中系 数为K，则机组轴系危险截面局部扭应力为r= ;求解得出轴系危险截面扭矩响应后， VV 经计算得轴系危险截面扭应力响应，同时用应力集中系数对扭应力进行修正，得到危险截 面局部扭应力响应。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3根据轴系扭振危险截面材料扭 转S-N曲线和局部扭应力响应，采用雨流法和线性累积法对轴系扭振危险截面进行扭振疲 劳寿命损耗计算。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中的对应关系是指不同的电磁 力矩最大标么值条件下分别对应不同大扰动故障所引起的危险截面A和危险截面B分别所 对应的轴系的扭振疲劳寿命损耗的百分比值。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中确定机组轴系扭振损伤报警 阈值的方法为：随着电磁力矩最大标么值增大，查找首次出现不同大扰动故障所引起的危 险截面A或危险截面B分别所对应的轴系的扭振疲劳寿命损耗的百分比值为非零的情况， 该情况所对应的电磁力矩最大标么值为机组轴系扭振损伤报警阈值； 确定机组轴系扭振跳机保护阈值的方法为：随着电磁力矩最大标么值增大，查找首次 出现不同大扰动故障所引起的的危险截面A或危险截面B分别所对应的轴系的扭振疲劳寿 命损耗达到1 %的情况，该情况所对应的电磁力矩最大标么值为机组轴系扭振损伤报警阈 值。
10. -种用于汽轮发电机组轴系大扰动瞬态冲击扭振监测的系统，其特征在于，包括： 仿真模块、扭应力计算模块、疲劳寿命损耗计算模块、数据存储模块、阈值设定模块、电磁力 矩监控模块、报警模块； 仿真模块依次通过扭应力计算模块、疲劳寿命损耗计算模块、数据存储模块、阈值设定 模块、电磁力矩监控模块和报警模块相连； 其中，仿真模块的功能是：通过电力系统仿真，模拟电力系统大扰动故障下机组发生瞬 态冲击类扭振时发电机的电磁力矩，仿真得到不同类型瞬态冲击类扭振故障下不同幅值的 电磁力矩响应； 扭应力计算模块的功能是：根据仿真所得电磁力矩响应计算轴系扭振危险截面局部扭 应力响应； 疲劳寿命损耗计算模块的功能是：对机组轴系扭振危险截面进行扭振疲劳寿命损耗计 算； 数据存储模块的功能是：建立不同故障下机组电磁力矩最大值与轴系扭振危险截面扭 振疲劳寿命损耗之间的对应关系； 阈值设定模块的功能是：确定机组轴系扭振损伤报警阈值和扭振跳机保护阈值； 电磁力矩监控模块的功能是：通过监测机组发电机三相电流和电压，实时在线计算相 应电磁力矩； 报警模块的功能是：当发电机电磁力矩出现大幅跳变，电磁力矩值超过扭振损伤报警 阈值时，对机组轴系发生的瞬态冲击类扭振进行报警；当电磁力矩值超过跳机保护阈值时， 则判定机组轴系发生损伤程度较大的瞬态冲击类扭振，发出跳机保护信号。
【文档编号】G01H17/00GK104236705SQ201410484589
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】顾煜炯, 俎海东, 金铁铮 申请人:华北电力大学