用於汽輪發電機組軸系次同步振蕩扭振監測的方法及系統的製作方法

2023-05-01 22:06:26

用於汽輪發電機組軸系次同步振蕩扭振監測的方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明屬於汽輪發電機組軸系扭振監測【技術領域】，尤其涉及一種用於汽輪發電機組軸系次同步振蕩扭振監測的方法及系統。該方法採取機械側監測為主和電氣側監測為輔的方式，監測軸系各扭振危險截面實時扭應力和電氣信號中監測的次同步分量，當機械側扭應力超過扭振報警閾值時，或電氣側電氣信號中監測到次同步分量並且超過了次同步分量激發軸系SSO閾值時，則判定機組軸系發生SSO；同時給出了判斷機組軸系是否發生SSO的報警閾值、損傷報警閾值、跳機保護閾值和次同步分量閾值的確定方法。該方法及系統可實現對SSO在線監測、分析與保護，同時可對機組軸系扭振疲勞壽命損耗進行精確計算。
【專利說明】用於汽輪發電機組軸系次同步振蕩扭振監測的方法及系統

【技術領域】
[0001] 本發明屬於汽輪發電機組軸系扭振監測【技術領域】，尤其涉及一種用於汽輪發電機 組軸系次同步振蕩（Sub Synchronous Oscillation,以下簡稱SS0)扭振監測的方法及系 統。

【背景技術】
[0002] 汽輪發電機組軸系扭振根據它被激發機理的不同可以分為瞬態衝擊類扭振和次 同步振蕩等共振類扭振。輸電系統的串聯電容補償、直流輸電、加裝不當的電力系統穩定 器以及發電機的勵磁系統、可控矽控制系統和電液調節系統的反饋作用等，均有可能誘發 SS0,直接威脅著機組的安全可靠運行。當汽輪發電機組出現SSO時，發電機所受的電磁力 矩中，含有與機組軸系某階扭振固有頻率一致或接近的分量。此時，軸系處於共振狀態，即 使很小的外界擾動也可能在軸系上激起較大幅度的扭振。
[0003] -般情況下，SSO對軸系造成疲勞壽命損耗的主要來源是超過轉子鋼材料扭轉疲 勞極限的小幅交變扭應力，軸系承受的單次應力循環所造成的疲勞壽命損耗往往很小，但 由於軸系每秒鐘都要承受10次以上的應力循環，且故障持續時間長，若故障沒有得到及時 的抑制，SSO對軸系造成的累積疲勞壽命損耗有可能比發生大擾動時還要嚴重，尤其是當 SSO呈現出持續發散的趨勢時，軸系的累積疲勞壽命損耗可能會在很短時間內達到100%， 因此，對SSO進行實時監測，能及時發現SSO以便採取相關的措施來抑制SSO的發展，避免 機組遭受更為嚴重的損害。
[0004] 現有的監測手段難以足夠精確地得到發電機三相電流電壓的小幅變化，當機組發 生次同步振蕩故障時，發電機的小幅電流電壓波動可能無法被準確地監測到，而此時發電 機電磁力矩的變化已足以激發機組軸系的共振。在這種情況下，模型仿真法的精度受到了 限制，無法滿足扭振監測的需要，因此需要利用模態疊加的方法對次同步振蕩等共振類故 障進行監測。根據SSO產生的機理，其引發的機組軸系扭振表現特徵有所區別，根據各類扭 振表現的特徵，同時考慮在線監測、分析和保護的快速性與準確性，對機組軸系SSO制定一 套監測、分析和保護方法，分析計算得到其對機組軸系的損傷程度。把該方法應用於汽輪發 電機組軸系扭振在線監測、分析與保護系統，得到很好的應用效果。


【發明內容】

[0005] 針對上述問題，本發明提出了一種用於汽輪發電機組軸系次同步振蕩扭振監測的 方法及系統。
[0006] -種用於汽輪發電機組軸系次同步振蕩扭振監測的方法，包括：
[0007] 步驟A :監測汽輪發電機組軸系機械側信號，
[0008] Al :實時採集機組軸系機頭和機尾扭角信號；
[0009] A2:對扭角信號進行實時帶通濾波，對同一段數據進行多次濾波來解決帶通濾波 邊界失真的問題；
[0010] A3:將濾波得到的某階或多階模態信號，採用振型疊加法，計算得到軸系各扭振危 險截面實時扭應力變化；
[0011] A4:判斷軸系各扭振危險截面實時扭應力是否超過了扭振報警閥值，若是，則執行 步驟C1，若否，則返回執行步驟Al ;
[0012] 步驟B :監測汽輪發電機組軸系電氣側信號，
[0013] Bl :實時米集機組發電機電氣信號，包括三相電流或電壓信號；
[0014] B2:對電氣信號進行頻譜分析，提取電氣信號中與軸系某階扭振固有頻率存在互 補關係的次同步分量；
[0015] B3:如果次同步分量超過了次同步分量激發軸系SSO閾值，則執行步驟C1，如果沒 有超過，則返回執行步驟Bl ;
[0016] 步驟C :根據步驟A和步驟B的監測信號判斷系統狀態並輸出報警信號，
[0017] Cl :如果步驟A3中計算得到的軸系各扭振危險截面實時扭應力變化超過了扭振 報警閥值或步驟B3中次同步分量超過了次同步分量激發軸系SSO閾值，則發出SSO報警；
[0018] C2 :判斷步驟A3中計算得到的軸系各扭振危險截面實時扭應力變化是否超過了 扭振損傷報警閥值，若是則發出扭振損傷報警，並進一步執行步驟C3 ;若否，則返回執行步 驟Al ;
[0019] C3 :採用雨流法和軸系材料扭轉S-N曲線來計算扭振危險截面累計疲勞壽命損 耗；
[0020] C4:判斷扭振危險截面累計疲勞壽命損耗是否超過扭振跳機保護閥值，如果超過 了則發出跳機保護信號，如果沒有則返回執行步驟Al。
[0021] 所述步驟A2中帶通濾波是以4秒為數據長度實時對扭角信號進行濾波。
[0022] 所述步驟A2中多次濾波方法採用零相位數字濾波器來解決相位失真問題，將通 過濾波器後的序列反轉後再次通過濾波器，再將濾波後的序列反轉；序列前後兩次通過濾 波器時的相移相互抵消，從而達到了零相位偏移；零相位帶通數字濾波器採用IIR濾波器 來構造。
[0023] 所述步驟A2中採用數據循環存儲的方法，並將歷史數據用於延拓，令每次分析數 據長度為N，前後延拓長度為L ;這N+2L個數據經濾波及Hilbert變換後去掉兩邊延拓得到 每段分析數據最終的分析結果，最後將各段數據的結果按時間先後順序整合，能有效解決 邊界失真和端點效應問題。
[0024] 所述步驟A3中計算扭應力的步驟包括：
[0025] 設某軸系的多段集中質量扭振模型由N個質量塊組成，在第i階振型下，質量塊m 和測速齒輪所在質量塊η在某時刻的扭角有如下關係：
[0026]

【權利要求】
1. 一種用於汽輪發電機組軸系次同步振蕩扭振監測的方法，其特徵在於，包括： 步驟A :監測汽輪發電機組軸系機械側信號， A1 :實時採集機組軸系機頭和機尾扭角信號； A2 :對扭角信號進行實時帶通濾波，對同一段數據進行多次濾波來解決帶通濾波邊界 失真的問題； A3 :將濾波得到的某階或多階模態信號，採用振型疊加法，計算得到軸系各扭振危險截 面實時扭應力變化； A4:判斷軸系各扭振危險截面實時扭應力是否超過了扭振報警閥值，若是，則執行步驟 C1，若否，則返回執行步驟A1 ; 步驟B :監測汽輪發電機組軸系電氣側信號， B1 :實時採集機組發電機電氣信號，包括三相電流或電壓信號； B2:對電氣信號進行頻譜分析，提取電氣信號中與軸系某階扭振固有頻率存在互補關 系的次同步分量； B3 :如果次同步分量超過了次同步分量激發軸系SSO閾值，則執行步驟C1，如果沒有超 過，則返回執行步驟B1 ; 步驟C :根據步驟A和步驟B的監測信號判斷系統狀態並輸出報警信號， C1 :如果步驟A3中計算得到的軸系各扭振危險截面實時扭應力變化超過了扭振報警 閥值或步驟B3中次同步分量超過了次同步分量激發軸系SSO閾值，則發出SSO報警； C2 :判斷步驟A3中計算得到的軸系各扭振危險截面實時扭應力變化是否超過了扭振 損傷報警閥值，若是則發出扭振損傷報警，並進一步執行步驟C3;若否，則返回執行步驟 A1 ； C3 :採用雨流法和軸系材料扭轉S-N曲線來計算扭振危險截面累計疲勞壽命損耗； C4:判斷扭振危險截面累計疲勞壽命損耗是否超過扭振跳機保護閥值，如果超過了則 發出跳機保護信號，如果沒有則返回執行步驟A1。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟A2中帶通濾波是以4秒為數據 長度實時對扭角信號進行濾波。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟A2中多次濾波方法採用零相 位數字濾波器來解決相位失真問題，將通過濾波器後的序列反轉後再次通過濾波器，再將 濾波後的序列反轉；序列前後兩次通過濾波器時的相移相互抵消，從而達到了零相位偏移； 零相位帶通數字濾波器採用IIR濾波器來構造。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟A2中採用數據循環存儲的方法， 並將歷史數據用於延拓，令每次分析數據長度為N，前後延拓長度為L ;這N+2L個數據經濾 波及Hilbert變換後去掉兩邊延拓得到每段分析數據最終的分析結果，最後將各段數據的 結果按時間先後順序整合，能有效解決邊界失真和端點效應問題。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟A3中計算扭應力的步驟包括： 設某軸系的多段集中質量扭振模型由N個質量塊組成，在第i階振型下，質量塊m和測 速齒輪所在質量塊η在某時刻的扭角有如下關係： (Ο = (14) θ," 其中，和?^為質量塊m和質量塊η在第i階的振型； 已知軸系的位移響應能分解為N個振型分量的疊加，即： ^Λη-Σ&Α,ΛΟ (15) i=l 則質量塊m的扭角響應能用質量塊η的振型分量運算得到： 九⑴⑴ （16) ?=ι Θ" 設機組軸系第m個軸段上存在扭振危險截面，那麼根據虎克定律，該軸段的實時扭矩^ 為 Tm(t) = km[ Θ m(t)- Θ m+1(t)] (17) 式中，< 為第m個軸段的抗扭剛度； 則第m個軸段上扭振危險截面的實時扭應力Tm(t) (18) ,，， 式中，WPD1為第m個軸段的抗扭截面係數，KtD1為第m個扭振危險截面處的理論應力集中 係數。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟C2中扭振損傷報警閥值為軸系 扭振最危險截面材料扭轉疲勞極限。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟A4中扭振報警閥值是以扭振損 傷報警閾值乘以安全係數作為扭振報警閥值，安全係數為〇. 4。
8. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟C4中扭振跳機保護閥值是以機 組軸系單次疲勞壽命損耗乘以安全係數作為扭振跳機保護閥值，安全係數為1 %。
9. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟B3中次同步分量激發軸系SSO 閾值是以軸系材料扭轉疲勞極限對應的電氣信號中次同步分量的幅值乘以安全係數為次 同步分量激發軸系SSO閾值，安全係數為0. 3。
10. -種用於汽輪發電機組軸系次同步振蕩扭振監測的系統，其特徵在於，包括：扭角 信號採集模塊、扭角信號濾波模塊、扭應力計算模塊、電氣信號採集模塊、次同步分量提取 模塊、疲勞壽命損耗計算模塊、比較模塊、報警模塊； 其中，扭角信號採集模塊依次通過扭角信號濾波模塊、扭應力計算模塊和比較模塊相 連；電氣信號採集模塊通過次同步分量提取模塊和比較模塊相連；比較模塊和報警模塊相 連；疲勞壽命損耗計算模塊同時與扭角信號採集模塊和比較模塊相連； 扭角信號採集模塊的功能為實時採集機組軸系機頭和機尾扭角信號，並將扭角信號送 入扭角信號濾波模塊中； 扭角信號濾波模塊的功能為對扭角信號進行實時帶通濾波，對同一段數據進行多次濾 波解決帶通濾波邊界失真的問題，並將濾波後的信號送入到扭應力計算模塊中； 扭應力計算模塊的功能為將濾波得到的某階或多階模態信號，採用振型疊加法，計算 得到軸系各扭振危險截面實時扭應力變化，並將扭應力值送入到比較模塊中； 電氣信號採集模塊的功能為實時採集機組發電機電氣信號，包括二次電壓互感器電壓 信號或電流互感器電流信號，並送入到次同步分量提取模塊中； 次同步分量提取模塊的功能為對電氣信號進行頻譜分析，提取電氣信號中與軸系某階 扭振固有頻率存在互補關係的次同步分量，並將次同步分量值送入到比較模塊中； 疲勞壽命損耗計算模塊的功能為採用雨流法和軸系材料扭轉S-N曲線來計算扭振危 險截面累計疲勞壽命損耗，並將計算結果信號送入到比較模塊中； 比較模塊的功能是： a、 預先設定扭振報警閥值、扭振損傷報警閥值、次同步分量激發軸系SSO閾值、扭振跳 機保護閥值； b、 比較扭應力和扭振報警閥值的大小，比較次同步分量和次同步分量激發軸系SSO閾 值的大小，一旦扭應力超過扭振報警閥值或次同步分量超過次同步分量激發軸系SSO閾值 的大小則輸出SSO報警信號到報警模塊中； c、 比較扭應力和扭振損傷報警閥值的大小，一旦扭應力超過了扭振損傷報警閥值的大 小，則輸出扭振損傷報警信號到報警模塊中； d、 比較扭振危險截面累計疲勞壽命損耗和扭振跳機保護閥值的大小，一旦扭振危險截 面累計疲勞壽命損耗超過了扭振跳機保護閥值，則輸出跳機保護信號到報警模塊中； 報警模塊的功能是：根據比較模塊輸出的SSO報警信號、扭振損傷報警信號、跳機保護 信號，顯示不同的系統報警狀態。
【文檔編號】G01M13/00GK104236704SQ201410484089
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】顧煜炯, 俎海東, 金鐵錚 申請人:華北電力大學