专利名称：：汽轮发电机组轴系机械疲劳的测量方法
技术领域：
：本发明涉及大型火力发电厂、需要汽轮发电机组或大容量电动机的工业领域的轴系机械疲劳的测量算法和应用。
背景技术：
：大型火力汽轮机组技术是我国重大装备的关键设备之一，大功率机组的轴系具有轻质柔性、多支承、大跨距、高功率密度的特征，发电机材料利用系数提高，轴系截面功率密度相对增大，轴系的加长使扭转刚度下降，轴系固有频率谱相对较密，诱发振动的能量较低；同时电网也在朝着超高压大区域的方向发展，超高压远距离输电大量采用串补电容提高电网输电能力。输电线路的串联电容补偿、直流输电、电力系统稳定器的不当加装，发电机励磁系统、可控硅控制系统、电液调节系统的反馈作用等，均有可能诱发、导致次同歩振荡(sso)现象。汽轮机和发电机转子惯性较大，对轴系本身的低阶扭转模态十分敏感，呈低周高应力的受力状态。发生机电扰动时，汽轮机驱动转矩和发电机电磁制动转矩之间失去平衡，作用在轴系上的扭转剪切应力也将发生变化，增加轴材料的疲劳损伤，降低使用寿命。当扭应力大到一定程度时，将导致机组轴系损坏或断裂，严重影响机组安全可靠运行。如何准确测量运行中的大型汽轮发电机组在受到扰动产生扭振时的轴系机械疲劳是保护机组轴系的关键。汽轮发电机组轴系机械疲劳实时测量算法实现SS0情况下对机组轴系扭振的保护。国内目前尚无实时计算汽轮发电机组轴系机械疲劳的方法，且没有提供机组轴系扭振保护与控制设备的厂家。本专利申报材料介绍一种汽轮发电机组轴系机械疲劳的实时算法，通过测量装置测得运行中汽轮发电机组机端角速度变化值，应用专门算法计算的机组轴系模态和振型，得到轴系截面处载荷-时间历程曲线，应用雨流法统计应力循环，査阅相应材料零件S-N曲线得到轴系的疲劳值，最终确定故障或扰动情况下对汽轮发电机组轴系造成的损伤。
发明内容本发明的目的在于提供了一种汽轮发电机组轴系机械疲劳的实时测量方法，可实现实时测量在不确定扰动下对汽轮发电机组轴系造成的损伤。本发明适用于300MW、600MW、IOOO匿的主力大型汽轮发电机组，也同样适用于300MW以下的小型汽轮发电机组和大容量电动机。轴系计算断面、危险截面与轴系的转子个数和轴颈尺寸相关，计算断面取轴系各质块的连接位置，危险截面取轴系中各转子的轴颈位置。如东方汽轮机厂典型600MW机组汽轮发电机，高中压合缸转子与A低压转子之间为计算断面Jl，此处的转矩为Tl，危险截面为2#、3辟由瓦处；A低压转子与B低压转子之间为计算断面J2，此处的转矩为T2，危险截面为4#、5ft轴瓦处；B低压转子与发电机之间为计算断面J3，此处的转矩为T3，危险截面为6#、7ft轴瓦处；汽轮发电机组轴系机械疲劳实时测量算法的主要步骤如下1.根据汽轮发电机组集中质量模型计算轴系扭振模态和振型曲线1)确定集中质量模型，如图一所示的东方汽轮机厂典型600丽汽轮发电机组将轴系按转子数分成四个集中质量模块和三个无质量弹簧，构成轴系扭振系统；2)确定集中质量模型数据，各质块等效惯量与各弹簧等效刚度；3)计算轴系频率及振型曲线。根据质块转动惯量M1、M2、M3、M4，转速wl、《2、》3、《4，转子角51、52、53、34，质块间扭转刚度为K12、K23、K34，得到各质块自由运动标幺值方程为'M1W+K12(U2)=0Af2*52"+幻2(52-州+《23(52-53)=0'M3*W+iC23(53-52)+X34((53-54)=0上式可以改写成如下形式-<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>化为矩阵形式:緒".AW/a2000夂34Ml幻2Ml〖12〖23M200《230iWl紹紹^34M4iV/4令上式的系数矩阵为K，I为单位阵。则计及转子动态模型可表示为.-—0/一0_△《解如上方程可得到轴系频率及振型曲线。如图二所示。2.计算轴系计算断面处的转矩1)根据各阶模态对应的振型曲线，计算受到不同模态激励信号下各质块间的扭角相对值，如对应于图二，可得到三个模态在轴系四个质块间的扭角相对值分别为611、612、613，021、622、923，631、632、2)计算各单位模态信号在轴系各计算断面处产生的转矩对应于图二模态一单位强度的信号在质块一、二之间产生的转矩为tll==K12*6>11;模态一单位强度的信号在质块二、三之间产生的转矩为tl2==K23*P12;模态一单位强度的信号在质块三、四之间产生的转矩为tl3=:K34*6>13;模态二单位强度的信号在质块一、二之间产生的转矩为t21::K12*P21;模态二单位强度的信号在质块二、三之间产生的转矩为t22:=K23*S22;模态二单位强度的信号在质块三、四之间产生的转矩为t23:=3;模态三单位强度的信号在质块一、二之间产生的转矩为=K12*S31;模态三单位强度的信号在质块二、三之间产生的转矩为t32==K23*S32;模态三单位强度的信号在质块三、四之间产生的转矩为:t33:3)通过采集机端角速度变化量，计算在轴系各计算断面处产生的转矩采集机端角速度变化量Aw，经滤波得到各模态信号Awl由=COS(ffl力，△《==4sin(w力得△《=*sin(w力/[<s^*cos((yJ)]。其中(k-l、2、3)，&=2《A《为机端各模态扭角值。则输入信号作用在各计算断面处的转矩为计算断面J1处的转矩T1=T11+T21+T31计算断面J2处的转矩T2=T12+T22+T32计算断面J3处的转矩T3=T13+T23+T33其中Tll=tll*A《，模态一在计算断面J1处产生的转矩；T21=t21*A《，模态二在计算断面Jl处产生的转矩；T31=t31*A《，模态三在计算断面J1处产生的转矩；T12=tl2*A《，模态一在计算断面J2处产生的转矩；T22=t22*A《，模态二在计算断面J2处产生的转矩；T32-t32*A《，模态三在计算断面J2处产生的转矩；T13=tl3*A《，模态一在计算断面J3处产生的转矩；T23-t23*A《，模态二在计算断面J3处产生的转矩；T33-t33*A《，模态三在计算断面J3处产生的转矩；至此，已知机端角速度变化量Aw，就可以求得各计算断面处的转矩T。载荷-时间历程曲线也就得到了。4.计算某次扰动情况下对机组轴系各个计算断面造成的疲劳损伤累计值，即汽轮发电机组轴系机械疲劳。1)根据3中的计算方法得到机组轴系各个计算断面处的载荷-时间历程曲线；2)应用实时雨流法查找载荷历程中的应力循环；3)应用平均应力折算系数法计算每个应力循环对应的等效应力幅；4)査计算断面相应的危险截面处的零件扭转S-N曲线，得到单次应力循环对确定危险截面造成的疲劳损伤；5)线性累加所有循环的疲劳损伤，得到某次扰动情况下各个危险截面的疲劳损伤累计值。本发明给出了一种测量大型汽轮发电机组轴系机械疲劳的实时测量算法。该方法能够实时、准确测量大型汽轮发电机组的轴系机械疲劳。随着大容量汽轮发电机组和远距离大容量输电技术的应用，在机组和电网中发生次同步振荡(SSO)的情况越来越严重，测试机组轴系扭振疲劳是解决SSO问题的根本，是抑制次同步振荡、保护发电机组等电力设备的运行安全的关键。本方法首次提出实时测量汽轮发电机组轴系机械疲劳的算法，对解决发电厂和电网的次同步振荡问题具有重大意义。图l示意了国产典型600丽汽轮发电机组将轴系按转子数划分得到的集中质量模型；图2.1、图2.2、图2.3示意了国产某型号600丽汽轮发电机组轴系扭振固有频率及振型图，其中图2.l为轴系扭振一阶振形曲线，一阶频率fl:15.5HZ;图2.2为轴系扭振二阶振形曲线，二阶频率f2:25.98HZ;图2.3为轴系扭振三阶振形曲线，三阶频率f3:29.93HZ图3.1、图3.2和图3.3示意了在某次扰动下，经测量装置得到的机端角速度变化量Aw值分析得到的各个模态的采样值；其中图3.1为模态一采样值；图3.2为模态二采样值；图3.3为模态三采样值；图4.1和图4.2示意了在某次扰动下，在轴系某计算断面产生的转矩-时间历程曲线；纵坐标为功率表示的转矩，单位MW。图4.1为转矩-时间曲线一。统计时间8s，采样频率IOOOHZ。图4.2的转矩-时间曲线二为图4.1曲线的局部放大，统计时间2s，采样频率IOOOHZ。图5示意了汽轮发电机转子的扭转S-N曲线，S-N曲线为反映材料疲劳强度的特性曲线；图6为测量汽轮发电机组轴系疲劳的装置结构示意图；图7为汽轮发电机组轴系扭振保护装置接线示意图。具体实施例方式下面根据附图表和实施例对本发明做进一步详细说明。本发明的工作过程为采集机端角速度变化量，解调出机端各模态扭角瞬时值。根据计算的模态频率和振型曲线，计算输入数据在轴系各个计算断面处的产生的转矩，得到轴系各个计算断面处的载荷-时间历程曲线。应用雨流法寻找应力循环，查相应的S-N曲线求得此循环对应的疲劳损伤值，最终得到某次故障或扰动情况下对机组轴系各个危险截面造成的疲劳损伤累计值，即汽轮发电机组轴系机械疲劳。在图5示意的汽轮发电机转子的扭转S-N曲线中，本文中只给出了高中压转子和低压缸A转子之间的2弁、3辦由瓦位置，止推轴承位置和连接两个转子的联轴节位置的扭转S-N曲线。曲线纵坐标为允许的转矩值，以功率的标幺值表示，1标幺值表示314.6MW的功率。横坐标为循环次数，以对数坐标表示。如计算断面Jl包含的2辨由瓦，当输入数据计算得计算断面Jl处的转矩为1.85标幺值时，允许的循环次数为10000，即对2#轴瓦位置轴颈造成的损伤为1/10000。以国内某电厂600丽汽轮发电机组为例。按照图l对轴系进行模化，得到简单集中质量模型，如图1所示，四个集中质量模块分别为高中转子(HIP)、A低压转子(ALP)、B低压转子(BLP)、发电机转子(GEN)。Ml、M2、M3、M4分别表示具有惯量的四各质块。k12、k23、k34分别表示连接质块具有扭转刚度的无质量弹簧。确定机组轴系参数，等效惯量与等效刚度等。如表一所示。求取轴系模态频率与振型曲线。可求如下方程的解，轴系各质块自由运动标幺值方程为'M1W+幻2(U2)=0M2*W+ia2(52-州+《23(52_53)=0M3*W+《23(^3—52)+《34(53_54)=0W+K34(U3)=0化为矩阵形式幻2威"Ml似200幻2紹尺12M2M2尺23003〖34Af30奶M3〖34似400〖34紹威-—0/〖0令上式的系数矩阵为K，I为单位阵，则计及转子动态模型可表示为解如上方程可得到轴系频率及振型曲线，如图2.1、图2.2、图2.3所示，轴系次同步扭振频率有三个，分别为15.5HZ、25.98HZ、29.93HZ,称为轴系扭振的三个模态。模态相应的振型曲线表示发生扭振时轴系各质块在此模态激励下的扭角相对值。根据振型曲线计算质块间扭角相对值^.(i=l、2、3;j=l、2、3),如表二所示。根据汽轮发电机组的模态频率、振型曲线、集中质量模型的等效刚度，计算各模态单位强度单应力循环在各个计算断面处的产生的转矩^(i=l、2、3;j=l、2、3)，如表三所示。仿真给定某次故障，采集机端角速度变化量Aw，经滤波得到各模态信号Affll、△2、3。由厶6^=cosO力，==4tsinO力得:A^承sin(^V)/[wJcos(6y)]。其中(J^1、2、3)，^=2《。得到机端各模态扭角值A《、A《、A《。如图3.1-3.3所示，其中纵坐标单位rad/s。横坐标为记录时间，长度为8s，采样频率1000HZ。依据表三计算的转矩值，将三个模态的作用线性叠加折算到轴系某截面处。本例中计算的为质块一、二之间计算断面J1位置，得到截面位置的转矩T^T11+T21+T31。其中Tll=tll*A《，T21=t21*A《，T31=t31*A^。得到的此次故障下的转矩-时间历程曲线，如图4.1和4.2所示，在轴系某计算断面产生的转矩-时间历程曲线；纵坐标为功率表示的转矩，单位MW。图4.1统计时间8s，采样频率1000HZ。图4.2为图4.1曲线的局部放大，统计时间2s，采样频率1000HZ。对图4.1和4.2所示的转矩-时间历程曲线，应用雨流法寻找应力循环，得到每个循环的等效应力幅值，表四为图四曲线中寻找到的所有循环，共计157个，表四中给出构成循环的峰值点和应用平均应力折算系数得到的等效应力幅值。计算断面Jl处有两个危险截面位置2#轴瓦处和3#轴瓦处。本例中只考察对2弁轴瓦处造成的损伤。查如图5所示的2弁轴瓦处的扭转S-N曲线，即可得到每个应力循环对2#轴瓦位置轴颈造成的疲劳损伤，线性累积所有应力循环，得到此次给定故障下对此600MW汽轮发电机组轴系2#轴瓦位置轴颈处产生的疲劳损耗。此例中给定故障下对2#轴瓦位置轴颈处产生的疲劳损耗为0.001072%。轴系其他危险位置的疲劳损伤计算方法与2#轴瓦位置相同。从而可实现实时测量汽轮发电机组轴系机械疲劳。图6为测量汽轮发电机组轴系疲劳的装置结构示意图；装置软硬件采用模块化灵活可配置设计思想，装置组件包括两个电源模块(P0W)、两个脉冲输入模块(PI)，一个控制器模块(CM)、一个模拟量输入模块(AI)、一个数字量输入模块(DI)、四个数字量输出模块(D0)。装置对外通过0-NET与HMI通信，装置内部各个组件之间采用DP-NET通讯网络，各个组件可热插拔，可灵活动态挂接。装置通过PI釆集机端脉冲信号，在CM中完成机械疲劳的计算，并按照一定的判据置DO出口进行告警或跳机。图7为汽轮发电机组轴系扭振保护装置接线示意图。从高压缸的首端安装一对轴系的转速传感器。装置采集轴系冗余的转速传感器发出转速信号，计算轴系各危险截面处的疲劳损耗值，当超过设定门槛值，输出DO信号进行告警或跳闸。保护装置通过以太网与HMI相连，通过HMI记录运行数据并显示结果。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>complextableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表4、某次故障下计算断面Jl处的扭矩-时间曲线中寻找的应力循环<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表5、某次扰动情况下对各危险截面造成的疲劳损伤权利要求1.一种汽轮发电机组轴系机械疲劳测量方法，该方法包括步骤1)确定汽轮发电机组的集中质量模型及参数；2)计算汽轮发电机组的模态频率和振形曲线；3)采集机端角速度变化量Δω，经滤波得到各模态角速度变化量Δω1、Δω2、Δω3……Δωn由Δωk＝Akωkcos(ωkt)，Δθk＝Δωkt＝Aksin(ωkt)得Δθk＝Δωk*sin(ωkt)/[ωk*cos(ωkt)]，其中(k＝1、2、3、……n)，ωk＝2πfk，Δθk即机端各模态扭角值，AK即各模态角速度变化量幅值，fk即各模态频率；4)根据汽轮发电机组的模态频率、振型曲线、集中质量模型的等效刚度，计算在轴系各个计算断面处的产生的转矩，得到轴系各个计算断面处的转矩-时间历程曲线；5)计算某次故障或扰动情况下对机组轴系各个危险截面造成的疲劳损伤累计值，即汽轮发电机组轴系机械疲劳。2.根据权利要求1所述的汽轮发电机组轴系机械疲劳测量方法，其特征在于，所述的轴系计算断面、危险截面与轴系的转子个数和轴颈尺寸相关，计算断面取轴系各质块的连接位置，危险截面取轴系中各转子的轴颈位置。3.根据权利要求1所述的汽轮发电机组轴系机械疲劳测量方法，其特征在于，采集的机端角速度变化量经模态滤波得到三个模态fl、f2、f3，在四质块模型的三个扭角变化处，即计算断面J1、J2、J3处分别产生相应的转矩Tll、T12、T13T21、T22、T23T31、T32、T33其中三个模态在断面Jl处的转矩分别为Tll、T21、T31;三个模态在断面J2处的转矩分别为T12、T22、T32;三个模态在断面J3处的转矩分别为T13、T23、T33。4.根据权利要求3所述的汽轮发电机组轴系机械疲劳测量方法，得出各个模态在各个计算断面产生的转矩，其特征在于，计算断面受到的各个模态的作用符合线性叠加的关系，根据计算断面的三个模态转矩，得到轴系各个计算断面处产生的转矩Tl、T2、T3为T1=T11+T21+T31T2=T12+T22+T32T3=T13+T23+T33这样，即可得到轴系各个计算断面处的转矩-时间历程曲线。5.根据权利要求1所述的汽轮发电机组轴系机械疲劳测量方法，其特征在于，得到轴系各个计算断面处的转矩-时间历程曲线，应用实时雨流法寻找应力循环，根据相应的S-N曲线求得循环对应的疲劳损伤值，将所有循环对应的疲劳损伤值进行线性累积，最终得到某次故障或扰动情况下对机组轴系各个危险截面造成的疲劳损伤累计值。全文摘要本发明涉及一种火力发电厂汽轮发电机组轴系机械疲劳的实时测量算法，公开了通过机组轴系模型、固有频率和振型曲线计算轴系机械疲劳的计算过程和方法。该方法包括如下内容确定汽轮机组轴系集中质量模型及其参数，选取轴系计算断面、危险截面位置；根据轴系模型参数，计算汽轮发电机组轴系固有频率和振型；求解次同步谐振频率信号在各计算断面处产生的转矩；根据轴系材料的扭转S-N曲线按照轴系各危险截面处实时计算的转矩得到该位置的机械疲劳。本发明是解决机组次同步振荡(SSO)对汽轮发电机组轴系危害的关键研究，同时也可以应用于大型旋转机械的实时疲劳计算和危险评估。文档编号G01M15/00GK101173877SQ20071017866公开日2008年5月7日申请日期2007年12月4日优先权日2007年12月4日发明者涛张,李元盛,梁新艳,焦邵华申请人:四方电气(集团)有限公司;北京四方博能自动化设备有限公司