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汽轮发电机组扭振引起疲劳损伤评价

2019-01-17
来源: 礼德动力
随着汽轮发电机组容量的增加,机组轴系也随之增长,加之中国远距离输电情况较多,为提高输电能力,串联补偿电容设备、高压直流输电技术等得到普遍应用,这都使得汽轮发电机组发生次同步谐振和振荡故障的风险增大。对机组发生次同步谐振和振荡的机理开展研究,并对扭振造成的机组轴系疲劳损伤情况进行评估是十分必要的。对次同步振荡进行研究时常使用时域仿真法。
  
  电力系统一般采用微分代数方程组建立其数学模型,利用仿真软件 PSCAD/EMTDC 对方程组进行求解。对于 PSCAD/EMTDC 来说,轴系部分的扭转模型一般采用简单集中质量模型。这样可以提高仿真速度,但缺点是难以描述轴系的完整振型,对机电耦合振荡过程描述不够准确,并且无法得到轴系局部扭应力应变响应。要计算轴系的扭振响应,传统仿真中往往利用简单集中质量模型进行仿真,得到电磁力矩,将其施加到建立的轴系多段集中质量模型或有限元模型中进行求解。也有文章对轴系部分进行扩展,建立基于分布参数的轴系模型,并对轴系模型进行了降阶。如果阶数太低,虽然可实现快速计算,但计算结果精度不高。PSCAD/EMTDC 和 ANSYS 的联合仿真模型,其中轴系部分连续模型利用 ANSYS 软件建立。
  
  这种方法计算精度较高,并且能得到轴系的局部应力应变情况,但缺点是接口建立比较复杂、计算速度较慢。本文机电联合仿真中,轴系部分采用物理意义明确的多段集中质量模型,这样既能使得机电耦合振荡的动态过程更加完整和严谨,又能得到轴系局部的扭应力应变动态响应。
  
  传统对扭振故障下轴系疲劳寿命损伤的评估主要关注轴系本身,并且采用的 S-N 曲线往往没有考虑各重要因素的影响。本文除了计算轴系的扭应力响应,还利用有限元软件对不同扭矩下联轴器的非线性受力情况进行研究,得到不同工况下的联轴器螺栓疲劳损伤情况;基于扭转疲劳试验数据,对 S-N 曲线进行修正,得到不同影响因素下 S-N 曲线。疲劳损伤评估时选取对应的 S-N 曲线会使计算结果更准确。
  
  1 机电联合仿真分析采用 PSCAD/EMTDC 对汽轮发电机组扭振故障进行机网联合仿真时,将所研究的输电线路进行等值处理,重点考虑电网存在串联补偿电容时的电网特性和机网耦合特性。但传统仿真中,对汽轮发电机组轴系多采用六段集中质量模型,即包括高压转子、中压转子、2 个低压转子、发电机转子和励磁机转子在内。分析发现,在机网耦合分析过程中,其计算精度主要取决于轴系扭振固有特性分析的准确性,自带的简单集中质量模型受到模化过程的影响,难以描述机网耦合振荡的特性;另外,在机网联合仿真时无法得到各个需要重点考虑的危险截面上的扭矩-时间历程,所以本文对中的轴系模型进行了改进。
  
  考虑到机网联合仿真的可行性和高效性,本文选用多质量块模型对轴系进行描述。经分析,多质量块模型能较好地描述轴系扭转特性,准确地仿真实际机网耦合振荡过程,其基本流程如图 1 所示。
  
  将某 600 MW 汽轮发电机组转子模化成 289 轴段。质量块由 288 个弹簧单元连接,既满足分析精度,又能达到较高的仿真效率。启动 PSCAD 后,电气模型以初始转速为输入,计算得到电磁转矩并发送给轴系模型。自定义元件接收电气模型输出的电磁力矩,并读取已经存储的前一时刻电磁力矩,二者求差作为扰动力矩求取各个轴段的响应。
汽轮发电机组扭振引起疲劳损伤评价
  
  图 1 联合仿真方法流程本文模型采用传递矩阵法与 Newmark法相结合的求解方法。自定义元件的输出是危险截面的扭力矩和扭角,并输出发电机轴段的转速值作为电气模型的输入。最终确定是否达到设定的仿真时间,如果没有达到则开始下一步的计算。轴系部分模型采用多段集中质量模型,响应计算采用与传递矩阵结合的方法。
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