汽轮发电机组转动惯量现场测量技术研究文献综述

1. 国内外研究现状（文献综述）

冯伟忠的研究探讨了汽轮发电机转子转动惯量的测取原理和方法,就转子的涡动现象对转速测量的干扰进行了理论分析,并提出了解决措施。他的方法即常规的甩负荷测量的方法，借助常规法甩负荷的试验,利用汽轮机在甩负荷后的较短时间内,汽门尚未开始关闭, 蒸汽驱动功率(即机械轴功率)保持不变的特性来测量。他发现转速飞升曲线有波动现象，同时也对波动现象进行了探讨。通过进一步的研究发现,这一现象的产生缘由转子在轴瓦中的“涡动” ,即转子在甩负荷的扰动下出现的半速涡动对转速测量产生的干扰。针对这种干扰，他的解决方法是将含有涡动干扰波的转速曲线进行了数学处理以及尽可能增加测速齿轮盘的直径的方法。在他的这篇文章中，他也对50%和100%负荷曲线所求得的转动惯量无法吻合作出了分析，他提出，涡动现象对转速测量的干扰在较低的试验负荷下会产生更大的影响。

田丰的甩负荷试验转子转动惯量计算方法研究中，通过甩负荷试验测取汽轮发电机转子转动惯量的计算方法不一, 结果差别较大。针对甩负荷试验转子飞升曲线波动的特点, 论述了汽轮发电机转子转动惯量测取原理。以某国产引进型300 M W 机组甩负荷试验的实测数据为基础, 对转速飞升曲线采用3 类函数进行了拟合, 求取转子的初始飞升速率, 但结果

差别很大。在对转子飞升过程机理分析的基础上, 提出了采用2 点邻近点平均或快速傅立叶FFT 滤波(平滑)对数据进行处理, 再用调节汽门延迟关闭时间范围内转速线性拟合的方式求取转速初始飞升速率。该方法得到的曲线仍然呈现波动, 但对甩50% 和100% 负荷试验计算的转子转动惯量取得很好的一致性。

同时也参考了一些汽轮机组转子的安全性的相关文献。金洪伟,代波涛,王兴武对于1000 MW 超超临界汽轮机危急跳闸系统设计方案研究的是实际的汽轮机组的危机跳闸方案。哈汽1000 MW 超超临界汽轮机是单轴、四缸四排汽的大容量高效率、节能环保型汽轮发电机组。由于机组参数高、容量大，汽轮机危急跳闸系统的安全可靠运行显得非常重要。在系统设计原则上，汽轮机危急跳闸系统既要保证安全可靠运行，同时还要考虑系统的先进性。为此，系统硬件采用了三重化的设计方案，独立的三重化的数字保护控制器，构成故障安全型的系统结构，完成ETS 的功能。他们的方案设计思想先进，为1000 MW 汽轮机的长期、安全、可靠、稳定运行创造了良好的条件。

在王志强，何诚的300 MW 机组甩负荷精细化操作的相关研究中，他们提出在实际的甩负荷操作中，为提高试验的成功率，试验前对影响试验的关键操作进行了必要的分析、计算及预备试验，确保甩负荷时的操作准确、及时。对于短时间内的大量操作，根据每个操作员站编制操作指导卡，将操作分解细化，减少每个操作员的操作量，提高操作的针对性。他们实验的汽轮机采用东方电气集团东方汽轮机有限公司生产的亚临界参数、一次中间再热、高中压分缸、单轴双排汽、双抽可调整凝汽式机组。实验中甩负荷前通过计算和预备试验，确定了甩负荷过程中重要参数的调整方式和调整量，保证试验过程中各参数的稳定、合理。精细化操作卡的使用，提高了试验过程中操作的可靠性、准确性和及时性，确保了甩负荷试验的成功。

在田均明,弓四平,魏欣敏的引进型汽轮发电机组甩负荷工况特点及改进的研究中，为解决某电厂机组在甩负荷时出现的高压缸排汽温度升高甚至达到跳闸值的问题, 他们从控制原理入手, 分析了机组甩负荷时可能出现的转速控制方式以及由此产生的对高压缸排汽温度的影响特点, 指出高压缸排汽温度升高是由于OPC 动作后高压调节门未及时打开所致。确定了甩负荷时控制策略的改进方案:在再热蒸汽压力一定的情况下, 适当限制中压调节门开度, 及时打开高压调节门。经实际甩负荷试验表明,改进后的控制方案不但有利于甩负荷时的转速稳定, 而且使高压缸排汽温度升高问题得到显著改善, 解决了由于机组甩负荷引起的高压缸排汽温度超标等问题。

在J. Jeffrey Moore和Andrew H. Lerche的转子动力学组合转子和实心转子的比较的研究中，如今大多数制造商的多级离心式石油和天然气工业利用的压缩机采用的是实心轴转子结构。叶轮使用的是冷缩配合到轴与叶轮之间的间距器。他们的研究比较了转子动力学性能相同的压缩机的使用贯穿螺栓的设计和更传统的实心转子的两级管道的应用程序。执行完整的API 617横向分析两种设计,假设相同的叶轮流动路径,级内间距、直径和中心。建立了一个临界转速和不平衡响应的计算,一个完整的2级为每级进行稳定性分析。结果显示贯穿螺栓施工更轻更硬,并且得到更高的临界速度和改善转子动力学的稳定。

还也参考了一些测量电机转子转动惯量的文献，在叶树林,陈伟强,张俊杰的快速高精度转速测量仪的研制中，较详细地介绍了快速高精度转速测量仪的工作原理, 并对软、硬件设计的主要环节进行了叙述。该转速测量仪通过对相邻几个转速脉冲信号的宽度进行测量, 并采用在线修正的方法, 实现了对转速的快速高精度测量。他们研制的快速高精度转速测量仪采用周期测量法来测量发电机转子的转速, 大大提高了测量速度, 可达1000 次/s 以上。而且通过对测量结果的在线修正, 可消除SPD 信号的不均匀造成的测量误差, 测量精度可达plusmn;1r/min .该测速仪具有LED 显示输出、RS232 串行输出及0 ～ 5V 直流输出等多种输出方式,可满足多种应用系统对接口的要求。

刘博伟的电机转子转动惯量获取方法研究中，就几种常用方法的测试原理、测试过程和测试方法的主要应用对象进行了分析研究, 归纳出了一些较为实用的结论。工程上常用的测量转动惯量的方法主要有单钢丝扭转振荡法、双线悬吊法、三线悬吊法和落重法等。单钢丝扭转振荡法、双线悬吊法、三线悬吊法是基于简谐振荡原理, 落重法是基于机械能守恒定律,其计算公式均是在理想状态下推导的。这些理想条件在现实中无法达到, 会带来测试误差, 但在工程上是完全可行的。减小误差的主要途径是尽量创造良好的测试条件并进行多次重复测量取平均值。计算法是基于惯量定义的最基本的方法, 适用于密度均匀规则的电机转子惯量测试设计计算。单钢丝扭转振荡法、双线悬吊法主要适用于微型电机转子转动惯量的测试, 三线悬吊法特别适用于微电机转子转动惯量的测试, 而落重法在中小型电机转子转动惯量测试及样机分析中普遍应用。

从国内外相关的文献来看，计算汽轮机这样的大型转子转动惯量的主要方法还是甩负荷实验法和建立模型后代入实际汽机尺寸参数的计算法。对于甩负荷方法，甩负荷是一项较复杂和极其重要的试验，涉及汽轮机、锅炉、热控和电气专业并具有一定的风险。尤其是断开发电机主开关前、后几分钟时间内，机组参数变化剧烈，短时间内需要要进行大量操作，调整过程中运行人员由于缺乏此类工况运行经验，往往会造成调整不及时、不合理，甚至出现误操作，造成甩负荷试验失败。另一方面在电力系统中, 测量发电机组转子的转速一般都

是通过对安装在发电机转子上的脉冲发生器产生的键相脉冲(KPH)信号或60 个齿的转速脉冲(SPD)信号的频率测量来实现, 因此测量周期较长, 一般在几十ms 以上。而在汽轮发电机组甩负荷试验以及其它一些特殊场合中, 转速变化非常迅速, 普通的转速测量装置往往满足不了测量的快速性要求。在汽轮发电机组甩负荷试验中, 机组脱离电网后的瞬间, 大约在1s左右的时间内转子的转速将从稳定的3000r/min 迅速飞升至3360r/min 左右, 普通的转速测量装置显然难以适应如此快速的转速变化, 若采用其它的高速测量方法必须对转子进行改动, 这对于发电机组这样的重要设备来说基本上是不允许的。所以找到符合要求的转子测速装置也是一大难点。

1. 方法论证

主要研究内容：

由于于汽机转子几何形状（包括径向和轴向）很复杂，质量分布也不均匀。对于大型的汽轮发电机组转子，同一轴连接接着汽机转子、发电机转子以及励磁机转子等。汽机转子安装有数千长度及形状不一的叶片,发电机转子嵌有铜线棒等。所以一般不会按定义采用数学方法去计算其转动惯量。

而相对比较可行的方法之一是通过试验测取。其中常用方法是机组甩负荷求转子转速飞升速率的方法。这种方法的依据是根据刚体绕轴转动的微分方程： ，

利用机组甩负荷的实验，运用到汽机在甩负荷的较短时间内，汽门还没相应关闭时，机械轴功率不变的特性，只需测量出式中其他的参数即可：P，k0,。在实际的测量中，实际可以测量的参数为，发电机出口功率（W）；初始转子转速(r/min)。最后就是由转子转速的飞升曲线来求取初始的飞升速率，于是可以得到转子转动惯量的求解公式。可以得到一个转子转动惯量的实验测量值。

其中的发电机出口功率和初始转子的转速的静态量时较易测取的，主要的难点就在于准确测量的值。

[1]发电机出口功率的测量可能会因为在发电机和励磁机电磁的消耗而需要考虑一个发电机的效率。如果无刷励磁的话就可以取=1。一般测量精度能达到0.2%。

[2]对于静态量有很成熟的测量手段，精度达到3000r/min1r/min，即0.033%

[3]难点在于测量，如今已经可以高精度和高速的转速测量装置来进行测量并借助计算机来绘制转子转速飞升的曲线。同时因为转速飞升速率位于算式的分母，对结果的误差影响很大。

但是此时会发现该过程曲线并不光滑，呈现出显著的波动，可以推测出这种波动是因为在甩负荷时，转子在扰动下出现涡动而对测量产生的干扰。转子在轴瓦内的油膜压力场改变，下部压力升高，转子向上“爬升”，上升一段后下部压力又减小，转子又会下落。

所以从外部观察到的是一个转子自转和涡动的复合运动。同时这也是50%甩负荷实验和100%甩负荷实验测得的转子飞升速率不同的原因。甩50%负荷时其飞升速率应该为100%时的一般，而此时的“涡动波”振幅相同，会使得飞升曲线畸变更加严重，所以100%负荷的数据会更加精确。

因此需要对转速飞升曲线进行干扰的滤除，进行数学处理成平滑的曲线，再来截取求飞升速率。一种较为简单的方法是邻近点平均，即可以取每两个转速序列中每两个数据求取一个平均值，同时也得到一个新的时间序列，再将新的对应曲线绘制出来求解。更为精确一些的算法有2点FFT的频域快速傅里叶FFT滤波处理，在采样点数不低于8时，可以得到较为精确的转动惯量的测量值。

另一种可行的方法是进行三维设计软件的理想建模，再来获取转子的转动惯量，这种方法要求已知转子的各个部分精确的尺寸、各部分材质的密度的基础上才能求取。通过三维软件对转子的总体结构来进行实体建模，并对转子的机构进行等效简化和简化处理，得到转子动力学分析的模型。

汽机转子通过联轴器联结，由汽机主油泵转子、汽机高压转子、中压转子、低压转子、发电机转子、发电机主励磁转子和副励磁转子7段转子组成。在建立模型时，需对转子进行简化处理，主要是叶片的简化和联轴器的简化。

其中一种方法是利用ANSYS软件，它主要包括前处理模块、求解模块和通用后处理模块，在前处理模块中对要分析的对象进行有限元实体建模，设置单元类型，实常数，材料属性等，还可以根据分析的需要，把模型划分为相应的单元。求解模块包括对约束边界条件的设置，还有载荷的施加等，根据模型特征和分析要求，选择适当的求解方法对模型求解。后处理模块将计算结果显示出来。

建立模型的算法可以当做验证甩负荷方法求得转动惯量的一种附加的检验方法。

研究方案：

所以这次的研究方案就是基于这两种方法来分别对汽轮机转子的转动惯量进行计算，从而对两种方法的计算结果进行比较，然后再对之前使用的常规的甩负荷试验法进行误差来源进行探究和具体分析。

一方面是甩负荷试验得到的数据，在现阶段会使用实际电厂中汽机甩负荷试验得到的转速飞升数据来绘制转速飞升曲线。通过数据拟合和干扰的滤除处理成为平滑的曲线。再来截取求飞升速率得到的值，然后运用转子转动惯量的实验公式来求得实验值。

另一方面就是利用三维设计软件的理想建模，来直接用计算机求取转子的转动惯量。首先尽可能找到与实验法相同机组的转子的各个部分精确的原始尺寸、各部分材质的密度的数据。通过三维软件对转子的总体结构来进行实体建模，并对转子的机构进行等效简化和简化处理，得到较为精确的转子动力学分析的模型。

对比这两种方法得到的数据，再返回来研究试验法中存在的对于转动惯量求取过程中出现的误差的来源，并对这个误差来源进行分析，并探求误差修正的方法。同时也对现场测试中决定转动惯量精度的瞬态转速测量和加速度计算的方法进行研究。制定现场试验转速测量方式及如何进行数据处理的修正后的方法。

然后选取修正后的实验转速测量方式和新的数据处理方法再次对与第一次计算不同的机组进行验证计算，验证修正方法的可行性。

最后对于整个试验法和建模法计算转动惯量研究数据和资料进行整理，在前人的研究基础上对汽轮机转子转动惯量的方法进行总结，找到一种较为精确的方法。

1. 参考文献

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