專利名稱：：汽輪發(fā)電機組軸系扭振保護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種發(fā)電機組次同歩扭振保護裝置，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確測量并解調(diào)出汽輪發(fā)電機組的模態(tài)扭振信號，通過計算發(fā)電機組的軸系機械疲勞和分析軸系扭振的收斂發(fā)散情況，得到保護動作信號。隨著大容量汽輪發(fā)電機組和遠(yuǎn)距離大容量輸電技術(shù)的應(yīng)用，在機組和電網(wǎng)中發(fā)生次同歩振蕩(SS0)的情況越來越嚴(yán)重，測試機組軸系扭振疲勞是解決SSO問題的根本，發(fā)電機組次同歩扭振保護裝置是保護發(fā)電機組等電力設(shè)備的運行安全的關(guān)鍵。本裝置實現(xiàn)了對發(fā)電機組次同步扭振的保護，對解決發(fā)電廠和電網(wǎng)的次同步振蕩問題具有重大意義。圖1.1、圖1.2、圖1.3示意了機端傳感器測量的脈沖信號及經(jīng)解調(diào)得到的機端角速度變化量Aw信號，其中圖1.1為轉(zhuǎn)子做勻速轉(zhuǎn)動時，傳感器輸出的均勻脈沖波；圖1.2為轉(zhuǎn)子存在振動時，傳感器輸出為疏密相間的脈沖波；圖1.3為將脈沖量解調(diào)得到機端角速度變化量A^;圖2為PI模塊模態(tài)濾波示意圖；圖3.1、圖3.2和圖3.3示意了在某次擾動下，經(jīng)測量裝置得到的機端角速度變化量A^值分析得到的各個模態(tài)的采樣值，統(tǒng)計時間60s，采樣頻率1000HZ。其中圖3.1為模態(tài)一采樣值；圖3.2為模態(tài)二采樣值；圖3.3為模態(tài)三采樣值；圖3.4的曲線為圖3.2曲線的局部放大，統(tǒng)計時間1.6s，采樣頻率1000HZ。圖4示意了在某次擾動下，經(jīng)測量裝置得到的機端角速度變化量Aw值分析得到的某個模態(tài)的幅值曲線；圖5示意了汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)S-N曲線，S-N曲線為反映材料疲勞強度的特性曲線；圖6為TSR裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為發(fā)電機組次同步扭振保護裝置接線示意圖。具體實施方式下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本裝置的工作過程為采集機端角速度變化量,通過模態(tài)濾波解調(diào)出機端各模態(tài)角速度變化瞬時值，獲取各個扭振模態(tài)的振蕩分量，同時求得各次同步模態(tài)信號的幅值。根據(jù)各次同步模態(tài)信號的采樣值計算軸系疲勞，同時根據(jù)各次同步模態(tài)信號的幅值的收斂發(fā)散情況及對軸系的的損傷情況進(jìn)行判斷，以軸系疲勞過定值或存在一定軸系疲勞的情況下軸系扭振呈發(fā)散趨勢為判據(jù)，判斷得到動作信號并輸出，跳線路或發(fā)電機，實現(xiàn)對發(fā)生次同步諧振情況下機組的保護。裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示，裝置實際應(yīng)用接線如圖7所示。1、PI模塊檢測機端角速度變化量應(yīng)用非接觸傳感器感應(yīng)隨軸轉(zhuǎn)動的齒輪產(chǎn)生的脈沖信號。每個齒經(jīng)過傳感器時，產(chǎn)生一個脈沖信號。當(dāng)轉(zhuǎn)子做勻速轉(zhuǎn)動時，脈沖串位置反映了各齒在齒輪圓周上的排列位置。傳感器輸出的為均勻的脈沖波，其基本頻率為S*N(S為轉(zhuǎn)速頻率，為3000rad/s，N為齒輪齒數(shù)，為134齒)，如圖1.1。當(dāng)轉(zhuǎn)子存在振動時，各脈沖的位置發(fā)生了變化，振動使得脈沖信號發(fā)生了相位移，輸出為疏密相間的脈沖波，如圖1.2。提取這種相位移，就得到振動的一組采樣值，上面的脈沖串?dāng)y帶了軸旋轉(zhuǎn)運動的全部信息。應(yīng)用以下公式，則可將脈沖量解調(diào)得到機端角速度變化量。100^W+Aw/3000+A6^K)其中dt為實測齒輪兩齒間形成的脈沖周期與標(biāo)準(zhǔn)脈沖周期之差。即為機端角速度變化量。脈沖波解調(diào)后獲得角速度變化量如圖1.3所示。設(shè)轉(zhuǎn)子發(fā)生單一頻率的簡諧扭振時,某一截面的角位移為式中為振動角頻率,A和e為該截面處的振幅和初相位。如果以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工作的轉(zhuǎn)子,當(dāng)其受到周期性激振力矩時,轉(zhuǎn)子的扭振包含不同頻率和幅值的簡諧分量，這時有州)=c;/+Z4sin(，《)軸旋轉(zhuǎn)運動的角速度為軸的平均角速度與扭振角速度的迭加=a>r+Z4<y4cos(&>j+《)則機端角速度變化量Aw=Z4^cos(^V+&)k式中^,4,^分別表示第K個振動分量的對應(yīng)參數(shù)。機端角速度變化量Aw中含有多個頻率的振動分量。次同歩諧振SSO是外加激勵扭矩的頻率與軸系的某階固有扭振頻率合拍而產(chǎn)生共振，使主軸的扭轉(zhuǎn)振動迅速增大，從而導(dǎo)致主軸的剪切損壞。所以為了抑制汽輪發(fā)電機組軸系的扭轉(zhuǎn)共振，就需要對次同歩諧振頻率信號進(jìn)行抑制。這需要先對機端角速度變化量A^進(jìn)行濾波，得到與轉(zhuǎn)子的固有扭振頻率相應(yīng)的振動分量。2、PI模塊模態(tài)濾波器由1得軸旋轉(zhuǎn)運動的機端角速度變化量為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>對于多模態(tài)SSO，采用模態(tài)濾波器從Aw信號中分離出各個扭振模態(tài)信息，濾波器如圖2所示。其中低通濾波器傳遞函數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>高通濾波器傳遞函數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>帶通濾波器傳遞函數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>分離出各個扭振模態(tài)信息后，可進(jìn)而實施獨立模態(tài)控制。以上濾波器方案在模態(tài)頻率由一定的測量誤差和波動范圍時，能較好的濾出所關(guān)注的模態(tài)頻率信號，幅的組織其他模態(tài)信號和噪聲通過，產(chǎn)生的相位偏移適當(dāng)且在模態(tài)頻率波動時變化不大。3、PI模塊計算脈沖量輸入模塊(PI)同時實現(xiàn)根據(jù)解調(diào)出的各次同步模態(tài)信號的采樣值計算其幅值。用DWi表示，稱為第i個機端角速度變化分量的幅值，其中(i=l、2、3、……、n)。4、各模態(tài)機端角速度變化量采樣值的計算處理各模態(tài)機端角速度變化量采樣值的計算處理是發(fā)電機組次同歩扭振保護裝置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，計算處理過程由主控模塊CM實現(xiàn)。主控模塊的處理過程采用分離模態(tài)計算過程，通過對發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣、濾波，得到相應(yīng)SSO模態(tài)下的轉(zhuǎn)速信號后，對各模態(tài)轉(zhuǎn)速信號分別進(jìn)行計算處理，將計算的結(jié)果作為保護判據(jù)一。主控模塊CM中的計算處理的主要是汽輪發(fā)電機組軸系機械疲勞的計算，分為以下四歩1)根據(jù)汽輪發(fā)電機組集中質(zhì)量模型計算軸系扭振模態(tài)和振型曲線。2)計算軸系計算斷面處的轉(zhuǎn)矩。a)根據(jù)各階模態(tài)對應(yīng)的振型曲線，計算受到不同模態(tài)激勵信號下各質(zhì)塊間的扭角相對值；b)計算各單位模態(tài)信號在軸系各計算斷面處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；C)通過采集機端角速度變化量，計算在軸系各計算斷面處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；3)計算某次擾動情況下對機組軸系各個計算斷面造成的疲勞損傷累計值，即汽輪發(fā)電機組軸系機械疲勞。a)根據(jù)2)得到機組軸系各個計算斷面處的載荷-時間歷程曲線；b)應(yīng)用實時雨流法查找載荷歷程中的應(yīng)力循環(huán)；C)應(yīng)用平均應(yīng)力折算系數(shù)法計算每個應(yīng)力循環(huán)對應(yīng)的等效應(yīng)力幅；d)査計算斷面相應(yīng)的危險截面處的零件扭轉(zhuǎn)S-N曲線，得到單次應(yīng)力循環(huán)對確定危險截面造成的疲勞損傷；e)線性累加所有循環(huán)的疲勞損傷，得到某次擾動情況下各個危險截面的疲勞損傷累計值；4)對當(dāng)前計算的疲勞值進(jìn)行判斷得到告警跳閘信號。5、各模態(tài)機端角速度變化量幅值的分析處理各模態(tài)機端角速度變化量幅值的分析處理是發(fā)電機組次同步扭振保護裝置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分析處理過程由主控模塊CM實現(xiàn)。主控模塊的處理過程采用分離模態(tài)計算過程，通過對發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣、濾波，得到相應(yīng)SSO模態(tài)下的轉(zhuǎn)速信號后，對各模態(tài)轉(zhuǎn)速信號幅值分別進(jìn)行分析處理，將分析的結(jié)果作為保護判據(jù)二。主控模塊CM中的分析處理過程主要是實時計算各扭振模態(tài)幅值的時間序列，利用不同長度的觀測窗計算模態(tài)幅值自身的相對變化趨勢，根據(jù)一段時間內(nèi)的模態(tài)變化趨勢統(tǒng)計判別扭振模態(tài)發(fā)散，發(fā)出跳閘命令將發(fā)電機組從電網(wǎng)斷開，為以下四步1)確定計算模態(tài)幅值的數(shù)據(jù)窗長度，以模態(tài)1=15.1Hz為例，15.1Hz對應(yīng)的信號周期為1000/15.1=66.2ms，對66.2做4舍5入得66。則模態(tài)1(15.1Hz)對應(yīng)的計算數(shù)據(jù)窗長度為66，其它模態(tài)數(shù)據(jù)窗選取同理；2)按照以下公式計算模態(tài)幅值的時間序列"(力=。'2<).—(x+""少)=ii!"《2<)."+"廟,O)=V"(>02+6O)2其中，N是數(shù)據(jù)窗長度，對于模態(tài)l等于15.lHz，N=66;"為圓周率(3.14159)，乂是軸系的各模態(tài)頻率值；"w'"+"表示模態(tài)i(i=l，2,3……)的時間序列的第x+k個點的質(zhì)；^^'(力是計算得到的模態(tài)i的模態(tài)幅值時間序列的第y個點，A^'(力是fl^'(x+"經(jīng)過數(shù)據(jù)窗N(對于模態(tài)i=15.1Hz，N=66)的模態(tài)幅值輸出。3)模態(tài)發(fā)散判據(jù)以^^,(力(i=l，2，3……)為識別對象，對^^,(力的變化趨勢做判別。4)在」"^("的時間序列中，選取兩個不等長度的觀測窗，窗口長度分別為HFlO個和『5個運算周期。分別計算在窗口長度內(nèi)的")時間序列的平均值WW、Ww,'(")，當(dāng)^^(w)〈^^,(")時，模態(tài)i在觀測時窗m,個運算周期的時間(mXT)內(nèi)發(fā)散。6、動作信號輸出數(shù)字量輸出模塊(DO)輸出動作信號，去切線路或發(fā)電機。以國內(nèi)某電廠600MW汽輪發(fā)電機組為例。已知汽輪發(fā)電機組機電系統(tǒng)特征頻率如表1所示:模態(tài)l模態(tài)2模態(tài)315.2HZ26.1HZ30.2HZ表1、汽輪發(fā)電機組特征頻率<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>A低壓轉(zhuǎn)子ALPi55420.13316E+09B低壓轉(zhuǎn)子BLP152350.13232E+09發(fā)電機轉(zhuǎn)子GEN9732表2、軸系?；瘮?shù)據(jù)PI模塊采集機端角速度變化值A(chǔ)w，經(jīng)模態(tài)濾波，得到三個次同歩模態(tài)Awi、A"2、A3。模態(tài)濾波過程如圖2所示，低通濾波器參數(shù)設(shè)置為％高通濾波器參數(shù)設(shè)置為w帶通濾波器l的參數(shù)設(shè)置為帶通濾波器2的參數(shù)設(shè)置為帶通濾波器3的參數(shù)設(shè)置為圖3.1、圖3.2和圖3.3示意了在某次擾動下，經(jīng)PI模塊濾波得到的機端角速度變化量Aw值分析得到的各個模態(tài)的采樣值，橫坐標(biāo)為時間，統(tǒng)計時間60s，采樣頻率IOOOHZ。縱坐標(biāo)為角速度變化值的標(biāo)幺值。其中圖3.1為模態(tài)一采樣值；圖3.2為模態(tài)二采樣值；圖3.3為模態(tài)三采樣值；圖3.4的曲線為圖3.2曲線的局部放大，統(tǒng)計時間1.6s，采樣頻率1000HZ。圖4示意了在某次擾動下，經(jīng)PI模塊濾波得到的機端角速度變化量A^值解調(diào)計算得到的模態(tài)二的幅值；此次擾動下，質(zhì)塊間計算斷面處的扭角相對值如表3所示;<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表3、某次擾動情況下集中質(zhì)量模塊間扭角相對值各模態(tài)單位強度單應(yīng)力循環(huán)在各質(zhì)塊間計算斷面處的轉(zhuǎn)矩如表4所示;<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>模態(tài)--15.2tll=-l.44211tl2=-6.53824tl3=-4.43794模態(tài)二26.1t21=--2.43477t22=-2.59333t23=5.15.5767模態(tài)三30.2t31=—2.82900t32=l.97669t33=-1.31166表4、各模態(tài)單位強度單應(yīng)力循環(huán)在各質(zhì)塊間計算斷面處的轉(zhuǎn)矩根據(jù)轉(zhuǎn)矩曲線，查如圖5所示的2辯由瓦處的扭轉(zhuǎn)S-N曲線，即可得到此次給定故障下對此600麗汽輪發(fā)電機組軸系2#軸瓦位置軸頸處產(chǎn)生的疲勞損耗。此例中給定故障下對2#軸瓦位置軸頸處產(chǎn)生的疲勞損耗為0.03548%。軸系其他位置的疲勞損傷計算方法與2#軸瓦位置相同。此次擾動情況下，對各危險截面造成的疲勞損傷如表5所示；危險截面疲勞損傷(％)2#瓦位置0.035483#瓦位置0.04#瓦位置0.006115#瓦位置0.006926#瓦位置0.05248表5、某次擾動情況下對各危險截面造成的疲勞損傷圖6為汽輪發(fā)電機組軸系扭振保護裝置結(jié)構(gòu)示意圖；裝置組件包括兩個電源模塊(P0W)、兩個脈沖輸入模塊(PI)冗余配置，一個控制器模塊(CM)、一個模擬量輸入模塊(AI)、一個數(shù)字量輸入模塊(DI)、四個數(shù)字量輸出模塊(D0)。裝置對外通過以太網(wǎng)與HMI通信，裝置內(nèi)部各個組件之間采用DP-NET通訊網(wǎng)絡(luò)。電源模塊(P0W)為冗余配置，為裝置的其他模塊供電。模擬量輸入模塊(AI)采集汽輪發(fā)電機組的運行參數(shù)溫度、壓力、勵磁電流等，數(shù)字量輸入模塊(DI)采集開關(guān)量位置等，進(jìn)行監(jiān)測。裝置通過PI采集機端脈沖信號，在CM中完成機械疲勞的計算，并按照一定的判據(jù)置DO出口進(jìn)行告警或跳機。圖7為汽輪發(fā)電機組軸系扭振保護裝置接線示意圖。裝置只簡單示意了TSR裝置的主要功能。從高壓缸的首端安裝一對軸系的轉(zhuǎn)速傳感器。裝置采集軸系冗余的轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的轉(zhuǎn)速信號，通過CM計算發(fā)電機組的軸系機械疲勞和分析軸系扭振的收斂發(fā)散情況，得到保護動作信號，輸出DO信號進(jìn)行告警或跳閘。權(quán)利要求1、一種汽輪發(fā)電機組軸系扭振保護裝置，包括，兩個脈沖量輸入模塊(PI)，一個主控模塊(CM)，四個數(shù)字量輸出模塊(DO)，一個模擬量輸入模塊(AI)，一個數(shù)字量輸入模塊(DI)和兩個電源模塊(POW)，該保護裝置對外通過以太網(wǎng)與主站HMI通信，該保護裝置所述各個模塊之間采用通訊網(wǎng)絡(luò)通信，其特征為所述的脈沖量輸入模塊(PI)用來檢測機端角速度變化量，并通過濾波環(huán)節(jié)得到次同步模態(tài)信號，脈沖輸入模塊為雙冗余配置；所述的主控模塊(CM)用于接收脈沖量輸入模塊(PI)的輸出信號并對各模態(tài)信號分別進(jìn)行并行處理，滿足保護動作判據(jù)時，向所述四個數(shù)字量輸出模塊(DO)輸出控制信號；所述的四個數(shù)字量輸出模塊(DO)根據(jù)接收到的主控模塊(CM)的控制信號，分別輸出跳閘信號、遠(yuǎn)傳信號、遠(yuǎn)動信號以及中央信號，用于告警、跳線路或發(fā)電機，實現(xiàn)對發(fā)電機組軸系的保護；所述的模擬量輸入模塊(AI)采集并監(jiān)測汽輪發(fā)電機組的運行參數(shù)溫度、壓力、勵磁電流；所述的數(shù)字量輸入模塊(DI)采集并監(jiān)測汽輪發(fā)電機組的運行的開關(guān)量位置；所述的電源模塊(POW)為雙冗余配置，為裝置的其它模塊供電。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽輪發(fā)電機組軸系扭振保護裝置，其特征為，所述機端角速度變化量作為發(fā)電機組軸系保護裝置的輸入信號，用Aw表示，其為電機軸速度與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速差的標(biāo)幺值，所述的脈沖量輸入模塊(PI)檢測機端角速度變化量Aw的過程采用非接觸測齒原理，將傳感器的脈沖信號解調(diào)為扭角位移信號。3.4、根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的汽輪發(fā)電機組軸系扭振保護裝置，所說脈沖量輸入模塊(PI)同時實現(xiàn)對各次同步模態(tài)信號幅值的計算。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽輪發(fā)電機組軸系扭振保護裝置，主控制模塊(CM)實現(xiàn)對各次同步模態(tài)信號進(jìn)行處理，所述保護動作判據(jù)包括判據(jù)一和判據(jù)二，其特征為-根據(jù)各模態(tài)信號的采樣值進(jìn)行計算，累計扭振信號對軸系造成的疲勞損傷，以所得的疲勞損傷累計值是否大于設(shè)定值作為保護動作的判據(jù)一；根據(jù)各模態(tài)信號的幅值進(jìn)行分析，得到扭振信號的收斂發(fā)散情況，以扭振信號發(fā)散作為保護動作的判據(jù)二；當(dāng)前述任一個保護動作判據(jù)滿足時，主控制模塊(CM)向數(shù)字量輸出模塊(DO)輸出控制信號，使發(fā)電機或線路跳閘。全文摘要本發(fā)明公開了一種用于保護汽輪發(fā)電機組軸系安全的扭振保護裝置。包括對機端角速度變化量進(jìn)行檢測并進(jìn)行濾波處理的脈沖量輸入模塊(PI)，檢測并解調(diào)出各次同步模態(tài)SSO信號，并求得各次同步模態(tài)信號的幅值；主控模塊(CM)，根據(jù)各次同步模態(tài)信號的采樣值計算軸系疲勞，同時根據(jù)各次同步模態(tài)信號的幅值情況及對軸系的損傷情況進(jìn)行判斷，得到動作信號；輸出跳閘動作和告警信號的數(shù)字量輸出模塊(DO)。該裝置通過采集解調(diào)出的SSO信號，經(jīng)過實時計算得到對軸系造成的疲勞損傷值和疲勞損傷趨勢值，作為判據(jù)，將汽輪發(fā)電機組從電網(wǎng)中斷開，避免扭振對汽輪發(fā)電機組軸系造成更大的破壞。文檔編號H02H7/06GK101222133SQ200810057040公開日2008年7月16日申請日期2008年1月29日優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日發(fā)明者常富杰,濤張,李元盛,李國寶,李英偉,焦邵華,謝小榮,郭錫玖申請人:北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司;四方電氣(集團)有限公司;清華大學(xué)