异常条件下大型汽轮机发电机运行与保护

何 涛

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

1 介绍

在过去的一年半时间里，已经相当大地关注异常情况下涡轮发电机在运行系统紧急情况下的负载和速度状况。系统设计师面临设计电源系统以合理的成本与良好的服务连续性保持一致，电厂设备的局限性低于正常速度，且低于正常蒸汽条件。设备设计者有义务提供最大的操作灵活性与成本和可靠性一致。在异常条件下(例如低频)运行没有被标准或其他行业出版物很好地定义。系统设计师发现自己从事设计工作定义不明确的限制。

2 欠频

系统经过精心设计，可以使大型设备损失很少，对系统继续提供负载的能力。但是，严重的干扰可能会导致从大型车站跳闸，并隔离部分系统。在孤立的系统中，发电储备可能不会足以满足正常的负载需求。许多公司又提供自动减载功能，以将负载降低到最低。如果过多的发电会丢失并造成负载脱落不足，可能会导致系统生成承受比其能力更大的负载。在这种情况下，系统频率将下降，直到可用频率来降低负载发电量。必须认识到，产生容量不是恒定的，并且在低于正常水平时也会降低频率。一些限制因素是：锅炉给水泵和风机容量，涡轮叶片振动，发电机冷却和磁场强制占空比和变压器励磁。涡轮发电机的局限性将在下面讨论。为更好地定义最小工作频率，我认为应尽一切努力保持涡轮发电机尽可能长时间处于运行状态，从而利用所有可用能量从系统紧急情况中恢复过来，但是认识到需要避免损坏设备，这可能会导致停机或明显停机，缩短其使用寿命。如果干扰严重到系统丢失，某些单元应分开维护，带有辅助负载有助于快速恢复。一些因素跳闸后应在辅助负载运行中考虑满负荷。

3 涡轮叶片振动

汽轮机低频运行的主要风险是长时间低压的振动和可能的共振刀片。叶片振动应力取决于激励力和叶片结构系统的振动响应。这激发的主要来源是蒸汽流动路径，导致蒸汽流量随基本频率等于涡轮机的运行速度，达到这个速度的谐波。激振力的大小随着蒸汽流量的增加而增加。叶片的振动响应随距离的变化而变化励磁频率到叶片固有频率(近共振)和叶片阻尼。共振峰幅度当激振力的频率或某些倍数发生时它等于叶片的固有频率。大多数涡轮机叶片设计为无轮谐振。唯一的例外是低压的最后三行涡轮机，在某些情况下，中间的最后一行压力涡轮机。这些叶片有其固有频率控制(或调整)，使其振动模式在正常频率下不会共振。分组叶片的自然振动模式，第一或切向模式是振动中的同相振动刀片最大挠性的平面，垂直于那个单位。较高频率的第二模式也是同相的振动，但基本上在轴向方向上发生挠曲。第三或扭转模式是叶片组在大约轴向，但组的一端与其他相异。甚至更高频率的模式可在个别情况下考虑，但这些通常并不常用于低频操作。典型的第一、第二和第三模式频率特性长低压叶片的情况。这些接近水平的线表示散射带和变化由于实际的制造公差，因此在自然频率下的频率会降低。径向谐波线是涡轮的偶数倍工作速度辅助表示蒸汽激发的频率。固有频率线与径向线的交点谐波线表示共振状态。通过调整叶片的固有频率，径向之间的相交谐波线和固有频率线可以避免正常工作频率。当从共振中调出前3种振动模式时，后排叶片的振动应力降低系数是10～30。但是反之，如果调谐刀片系统是以降低的速度运行会产生共振状态，这些相同的因素会增加振动压力。因此，涡轮叶片共振的概率与最大值一致蒸汽激励是低频的主要问题。涡轮欠频极限58.5～60 Hz的频率范围是自由地在重要的振动模式下产生共振。刀刃自然频率被控制，设计余量使得几乎没有产生过度的振动压力的可能性，低于58.5 Hz，则可能发生共振并且振动压力更可能增加到一个点，可能会产生叶片疲劳裂纹。裂纹的产生和裂纹传播到破坏需要时间。时间长短取决于距离蒸汽激发力的共振、大小和性质、系统阻尼和材料疲劳特性。从实用观点来看，系统的物理性质不合格预测。蒸汽激发力没有明确定义如经典振动分析中通常假设的那样。当塑性应变是共振条件、阻尼和系统的一个因素时响应可能不遵循简单的弹性定律。这些因素，以及涉及预测的可靠性的低阶叶片材料在承受力以上的应力下的疲劳能力限制，建议针对低频的明确建议营业期是不现实的。由于存在这些不确定性，因此应谨慎避免低频一共操作。但是，在某些情况下，必须以电力系统的完整性为主要考虑因素并且需要低于58.5 Hz的工作周期。因此，有一段合理的低频运行时间是必要的，以允许系统的连续性，直到其它紧急计划(例如减载)可以生效。例如，10 min的时间将提供合理的开始采取其他纠正措施的时间。在频率范围内在52～58 Hz之间第二低压中最后两排的振动模式涡轮将处于共振状态进行10 min的操作期间，大约有25万个高振动应力周期被积累。根据所涉及的其他因素，这即使是全功率输出，单独承受压力也不应引起疲劳裂缝。但是，疲劳现象是由于材料抵抗反复应力逆转的能力降低，并且这样的时间段是累积的，会缩短刀片的使用寿命。因此，低频操作周期应保留给在少数情况下，此类操作将会改善电力系统的运作。

4 结语

低频的系统干扰也很可能是伴随着发电机的高负荷需求。自从发电机通风是通过轴驱动的鼓风机完成的，在低于额定速度时会出现高负载需求同时降低发电机的效率冷却系统。短时操作：该能力短时间内承载高于额定电流的发电机的数量因为与材料有关的热时间常数质量会限制温度到安全值。短时间圆柱转子同步发电机的热容量(基于ASA C50.13-1965中给出的值)。例如，定子电流可能是额定电流的130%或116%持续2 min。类似的限制转子励磁绕组为额定满载励磁的125%电压1 min，112%电压2 min。这些过载值会产生比正常热量更高的热量，这会导致定子和励磁绕组温度升高。通过限制过载条件下的时间段，材料的热容量将温度保持在安全限制。长时间运行：要以降低的频率长时间运行，必须考虑热平衡和发电机应减少负载以补偿较低的冷却能力。发电机的千伏安能力与定子电压与电流能力的乘积。定子电压假设磁场恒定，则与速度成正比减少电流(恒定磁通密度)。定子电流能力为受定子线圈载流能力下降的限制。