異常條件下大型汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行與保護(hù)

何 濤

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

1 介紹

在過去的一年半時(shí)間里，已經(jīng)相當(dāng)大地關(guān)注異常情況下渦輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行系統(tǒng)緊急情況下的負(fù)載和速度狀況。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)以合理的成本與良好的服務(wù)連續(xù)性保持一致，電廠設(shè)備的局限性低于正常速度，且低于正常蒸汽條件。設(shè)備設(shè)計(jì)者有義務(wù)提供最大的操作靈活性與成本和可靠性一致。在異常條件下(例如低頻)運(yùn)行沒有被標(biāo)準(zhǔn)或其他行業(yè)出版物很好地定義。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)自己從事設(shè)計(jì)工作定義不明確的限制。

2 欠頻

系統(tǒng)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可以使大型設(shè)備損失很少，對(duì)系統(tǒng)繼續(xù)提供負(fù)載的能力。但是，嚴(yán)重的干擾可能會(huì)導(dǎo)致從大型車站跳閘，并隔離部分系統(tǒng)。在孤立的系統(tǒng)中，發(fā)電儲(chǔ)備可能不會(huì)足以滿足正常的負(fù)載需求。許多公司又提供自動(dòng)減載功能，以將負(fù)載降低到最低。如果過多的發(fā)電會(huì)丟失并造成負(fù)載脫落不足，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)生成承受比其能力更大的負(fù)載。在這種情況下，系統(tǒng)頻率將下降，直到可用頻率來降低負(fù)載發(fā)電量。必須認(rèn)識(shí)到，產(chǎn)生容量不是恒定的，并且在低于正常水平時(shí)也會(huì)降低頻率。一些限制因素是：鍋爐給水泵和風(fēng)機(jī)容量，渦輪葉片振動(dòng)，發(fā)電機(jī)冷卻和磁場(chǎng)強(qiáng)制占空比和變壓器勵(lì)磁。渦輪發(fā)電機(jī)的局限性將在下面討論。為更好地定義最小工作頻率，我認(rèn)為應(yīng)盡一切努力保持渦輪發(fā)電機(jī)盡可能長(zhǎng)時(shí)間處于運(yùn)行狀態(tài)，從而利用所有可用能量從系統(tǒng)緊急情況中恢復(fù)過來，但是認(rèn)識(shí)到需要避免損壞設(shè)備，這可能會(huì)導(dǎo)致停機(jī)或明顯停機(jī)，縮短其使用壽命。如果干擾嚴(yán)重到系統(tǒng)丟失，某些單元應(yīng)分開維護(hù)，帶有輔助負(fù)載有助于快速恢復(fù)。一些因素跳閘后應(yīng)在輔助負(fù)載運(yùn)行中考慮滿負(fù)荷。

3 渦輪葉片振動(dòng)

汽輪機(jī)低頻運(yùn)行的主要風(fēng)險(xiǎn)是長(zhǎng)時(shí)間低壓的振動(dòng)和可能的共振刀片。葉片振動(dòng)應(yīng)力取決于激勵(lì)力和葉片結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)。這激發(fā)的主要來源是蒸汽流動(dòng)路徑，導(dǎo)致蒸汽流量隨基本頻率等于渦輪機(jī)的運(yùn)行速度，達(dá)到這個(gè)速度的諧波。激振力的大小隨著蒸汽流量的增加而增加。葉片的振動(dòng)響應(yīng)隨距離的變化而變化勵(lì)磁頻率到葉片固有頻率(近共振)和葉片阻尼。共振峰幅度當(dāng)激振力的頻率或某些倍數(shù)發(fā)生時(shí)它等于葉片的固有頻率。大多數(shù)渦輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)為無輪諧振。唯一的例外是低壓的最后三行渦輪機(jī)，在某些情況下，中間的最后一行壓力渦輪機(jī)。這些葉片有其固有頻率控制(或調(diào)整)，使其振動(dòng)模式在正常頻率下不會(huì)共振。分組葉片的自然振動(dòng)模式，第一或切向模式是振動(dòng)中的同相振動(dòng)刀片最大撓性的平面，垂直于那個(gè)單位。較高頻率的第二模式也是同相的振動(dòng)，但基本上在軸向方向上發(fā)生撓曲。第三或扭轉(zhuǎn)模式是葉片組在大約軸向，但組的一端與其他相異。甚至更高頻率的模式可在個(gè)別情況下考慮，但這些通常并不常用于低頻操作。典型的第一、第二和第三模式頻率特性長(zhǎng)低壓葉片的情況。這些接近水平的線表示散射帶和變化由于實(shí)際的制造公差，因此在自然頻率下的頻率會(huì)降低。徑向諧波線是渦輪的偶數(shù)倍工作速度輔助表示蒸汽激發(fā)的頻率。固有頻率線與徑向線的交點(diǎn)諧波線表示共振狀態(tài)。通過調(diào)整葉片的固有頻率，徑向之間的相交諧波線和固有頻率線可以避免正常工作頻率。當(dāng)從共振中調(diào)出前3種振動(dòng)模式時(shí)，后排葉片的振動(dòng)應(yīng)力降低系數(shù)是10～30。但是反之，如果調(diào)諧刀片系統(tǒng)是以降低的速度運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生共振狀態(tài)，這些相同的因素會(huì)增加振動(dòng)壓力。因此，渦輪葉片共振的概率與最大值一致蒸汽激勵(lì)是低頻的主要問題。渦輪欠頻極限58.5～60 Hz的頻率范圍是自由地在重要的振動(dòng)模式下產(chǎn)生共振。刀刃自然頻率被控制，設(shè)計(jì)余量使得幾乎沒有產(chǎn)生過度的振動(dòng)壓力的可能性，低于58.5 Hz，則可能發(fā)生共振并且振動(dòng)壓力更可能增加到一個(gè)點(diǎn)，可能會(huì)產(chǎn)生葉片疲勞裂紋。裂紋的產(chǎn)生和裂紋傳播到破壞需要時(shí)間。時(shí)間長(zhǎng)短取決于距離蒸汽激發(fā)力的共振、大小和性質(zhì)、系統(tǒng)阻尼和材料疲勞特性。從實(shí)用觀點(diǎn)來看，系統(tǒng)的物理性質(zhì)不合格預(yù)測(cè)。蒸汽激發(fā)力沒有明確定義如經(jīng)典振動(dòng)分析中通常假設(shè)的那樣。當(dāng)塑性應(yīng)變是共振條件、阻尼和系統(tǒng)的一個(gè)因素時(shí)響應(yīng)可能不遵循簡(jiǎn)單的彈性定律。這些因素，以及涉及預(yù)測(cè)的可靠性的低階葉片材料在承受力以上的應(yīng)力下的疲勞能力限制，建議針對(duì)低頻的明確建議營(yíng)業(yè)期是不現(xiàn)實(shí)的。由于存在這些不確定性，因此應(yīng)謹(jǐn)慎避免低頻一共操作。但是，在某些情況下，必須以電力系統(tǒng)的完整性為主要考慮因素并且需要低于58.5 Hz的工作周期。因此，有一段合理的低頻運(yùn)行時(shí)間是必要的，以允許系統(tǒng)的連續(xù)性，直到其它緊急計(jì)劃(例如減載)可以生效。例如，10 min的時(shí)間將提供合理的開始采取其他糾正措施的時(shí)間。在頻率范圍內(nèi)在52～58 Hz之間第二低壓中最后兩排的振動(dòng)模式渦輪將處于共振狀態(tài)進(jìn)行10 min的操作期間，大約有25萬個(gè)高振動(dòng)應(yīng)力周期被積累。根據(jù)所涉及的其他因素，這即使是全功率輸出，單獨(dú)承受壓力也不應(yīng)引起疲勞裂縫。但是，疲勞現(xiàn)象是由于材料抵抗反復(fù)應(yīng)力逆轉(zhuǎn)的能力降低，并且這樣的時(shí)間段是累積的，會(huì)縮短刀片的使用壽命。因此，低頻操作周期應(yīng)保留給在少數(shù)情況下，此類操作將會(huì)改善電力系統(tǒng)的運(yùn)作。

4 結(jié)語

低頻的系統(tǒng)干擾也很可能是伴隨著發(fā)電機(jī)的高負(fù)荷需求。自從發(fā)電機(jī)通風(fēng)是通過軸驅(qū)動(dòng)的鼓風(fēng)機(jī)完成的，在低于額定速度時(shí)會(huì)出現(xiàn)高負(fù)載需求同時(shí)降低發(fā)電機(jī)的效率冷卻系統(tǒng)。短時(shí)操作：該能力短時(shí)間內(nèi)承載高于額定電流的發(fā)電機(jī)的數(shù)量因?yàn)榕c材料有關(guān)的熱時(shí)間常數(shù)質(zhì)量會(huì)限制溫度到安全值。短時(shí)間圓柱轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)的熱容量(基于ASA C50.13-1965中給出的值)。例如，定子電流可能是額定電流的130%或116%持續(xù)2 min。類似的限制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組為額定滿載勵(lì)磁的125%電壓1 min，112%電壓2 min。這些過載值會(huì)產(chǎn)生比正常熱量更高的熱量，這會(huì)導(dǎo)致定子和勵(lì)磁繞組溫度升高。通過限制過載條件下的時(shí)間段，材料的熱容量將溫度保持在安全限制。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行：要以降低的頻率長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，必須考慮熱平衡和發(fā)電機(jī)應(yīng)減少負(fù)載以補(bǔ)償較低的冷卻能力。發(fā)電機(jī)的千伏安能力與定子電壓與電流能力的乘積。定子電壓假設(shè)磁場(chǎng)恒定，則與速度成正比減少電流(恒定磁通密度)。定子電流能力為受定子線圈載流能力下降的限制。