电力系统大扰动对百万千瓦级半速核电机组轴系扭振的影响评估.pdf
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1、第 5 4卷 第 4期 2 0 1 2年 8月 汽轮机技术 TURBI NE TECHN0LOGY Vo 1 5 4 No 4 Au g 2 0 1 2 电力 系统大扰动对百万千瓦级半速核 电机组轴系扭振 的影响评估 王 谦 , 王西田 , 孙 庆 , 王秀槿 , 王志新 ( 1上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验 室, 上海 2 0 0 2 4 0 ; 2上海发电设备成套设计研究院, 上海 2 0 0 2 4 0 ) 摘要: 大容量核电机组对设备安全性有更高的要求 , 进行轴系扭振考核计算时有必要考虑更全面、 更复杂的因素。 为克服采用短路力矩方程的局限性, 提出一个单机无穷大母
2、线系统 , 作为轴系扭振考核计算的研究系统。经过推 导分析, 指出在标幺值形式下, 核电半速机组轴系扭振模型与全速机组轴系扭振模型是一致的。对一台1 I O O MW 核电半速机组在几种典型扰动下的最大扭应力进行计算和比较, 发现1 2 0 。 误同期合闸激发的扭振情况最严重。因 此, 建议把误同期合闸和机端短路一起作为核电半速机组轴系扭振考核计算的工况。 关键词: 电力系统; 大扰动; 半速核电机组; 轴系扭振 分类号: T K 2 6 8 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 1 - 5 8 8 4 ( 2 0 1 2 ) 0 4 - 0 2 9 0 0 3 E v a l u a t
3、 i o n o f I n f l u e n c e s o f L a r g e Di s t u r b a n c e s i n P o we r S y s t e ms o n t h e S h a f t T o r s i o n a 1 Os c i l l a t i o n s o f t h e Mi l l i o n k i l o w a t t s c l a s s Ha l f s p e e d Nu c l e a r T u r b o g e n e r a t o r WA N G Q ia n , WA N G X i - t i a n
4、 , S U N Q i n g , WA N G X iu - j i n , WA N G Z h i - x i n ( 1 K e y L a b o r a t o r y o f C o n t m l o f P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d T r ans f o r m a t i o n , S h a n g h a i J i a o T o n g U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 , C h i n a ; 2 S h a n g h a i P o w
5、e r E q u i p m e n t R e s e a r c h I n s t i t u t e , S h a n gha i 2 0 0 2 4 0 , C h i n a ) Ab s t r a c t : T h e r e a r e h i g h e r r e q u i r e me n t s o f t h e e q u i p me n t s a f e t y f o r t h e l a r g e n u c l e a r t u r b o g e n e r a t o r I t i s n e c e s s a r y t o c
6、 o n s i d e r t h e mo r e c o mp r e h e n s i v e a n d d e t a i l e d f a c t o r s t o e v a l u a t e t h e s h aft t o r s i o n al o s c i l l a t i o n s I n o r d e r t o o v e r c o me t h e l i mi t a t i o n o f t h e s h o r t c i r c u i t e q u a t i o n , i t i s p r o p o s e d a
7、s i n g l e ma c h i n e i n f i n i t e b u s s y s t e m a s t h e s t u d i e d s y s t e m I t i s d e r i v e d t h a t t h e s h a f t t o r s i o n al mo d e l o f t h e h a ft - s p e e d n u c l e a r t u r b o g e n e r a t o r i s t h e s a me a s t h a t o f t h e f u l l s p e e d t u r
8、 b o g e n e r a t o r i n p e r u n i t s y s t e mF o r o n e 1 I O O MW h a ft - s p e e d n u c l e a r t u r b o g e n e r a t o r , t h e ma x i mu m s t r e s s e s a Y e e v a l u a t e d i n t h e c a s e o f t h e s e v e r a l t y p i c a l d i s t u r b a n c e s I t i s s h o wn t h a t
9、 t h e mo s t s e ri o u s c a s e i s t h e ma l s y n c h r o n i z ati o n w i t h 1 2 0 。 a n g l e d i f f e r e n c e T h e r e f o r e , i t i s s u g g e s t e d t o t a k e t h e g e n e r a t o r t e r mi n a l s h o r t c i r c u i t s t o g e t h e r w i t h t h e ma l s y n c h r o n i
10、z a t i o n s a s t h e e v alu a t e d c a s e s f o r t h e h a l f - s p e e d n u c l e ar t u r b o g e n e r a t o r Ke y wo r ds: po we r s y s t e m ; l ar g e di s t ur ban c e; h al f - s pe e d nuc l e ar t ur bo ge ne r a t or; s haf t t or s i ona l os c i l l a t i o n 0 前言 大力发展核电是我国能源
11、政策发展的最新方向。当前 大容量核电机组的一个发展趋势是多采用半转速汽轮机, 以 减少低压缸的数量, 提高单机的极限功率 。我国目前已经 投运和在建的1 O 0 0 MW级核电机组 , 除田湾一期是全速以 外, 其它均为半转速机组。电力系统短路故障以及线路重合 闸、 误同期合闸等操作, 会对机组产生较为剧烈的暂态扭矩 冲击作用 , 激发轴系扭振, 引起扭振疲劳寿命损耗, 危及发电 机组轴系的安全 。因此在大容量汽轮发电机组轴系设计 时, 都要进行扭振安全的考核计算。 目前国内几大主机厂基本上仍沿用火电全速机组轴系 扭振考核计算的技术和经验 , 对核电半速机组进行轴系扭振 考核计算 , 主要以机
12、端 两相短 路和 三相短路 为考 核工况 , 把 电力系统的扰动作用简化为一个短路力矩方程, 在此基础上 采用汽轮发电机组轴系扭振计算程序进行扭振响应计算和 扭应力考核。不过已有研究表明, 火电全速机组在快速 自动 重合闸以及误同期合闸并网等工况下引起的最大扭应力和 疲劳寿命损耗, 可能比机端两相短路或三相短路工况对应的 数值要大 J 。因此, 仅采用短路力矩方程进行轴系扭振考 核计算, 有一定的局限性。大容量核电机组对设备安全性有 更高的要求, 在进行轴系扭振考核计算时, 有必要考虑更全 面、 更复杂的因素。 本文设计提出一个适合大机组轴系扭振考核计算的研 究系统 , 使用电力系统专业仿真软
13、件 P S C A D E MT D C建立核 电半速机组轴系扭振的仿真计算模型, 并对一台1 I O O M W 核 电半速机组在多种短路故障、 快速 自动重合闸、 误同期合闸 收稿 日期 : 2 0 1 2 -0 2 1 5 基金项 目: 国家能源局重大专项课题下属专题 ( 编号 2 0 1 0 Z X 0 6 0 0 4 0 1 3一o 2一 O 3 ) 。 作者简介 : 王谦 ( 1 9 8 4 一 ) , 男, 上海交通大学硕士研 究生 , 主要从事机 网扭振方面的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 王谦等 : 电力系统大扰动对百万千瓦
14、级半速核电机组轴系扭振的影响评估 2 9 1 等工况下危险截面的最大扭应力和最大振幅循环的幅值进 行比较分析。 1 扭振考核计算研究系统的设计 以短路力矩方程为基础进行轴系扭振考核计算, 无法模 拟复杂的电力系统故障及操作 , 特别是无法模拟多重扰动冲 击。而实际电力系统数据难以获得 , 在机组轴系设计阶段针 对 实际电力 系统 进行 轴系扭 振考 核计算 也不 切实 际。为此 提出把单机无穷大母线系统作为大机组轴系扭振考核计算 的研究系统, 究其原因主要有两方面的考虑 : 一是单机无穷 大母线系统是相对最简单的电网, 其涉及参数少, 便于应用; 二是单机无穷大母线系统也是很有代表性 的电网,
15、 一般来 说, 核电机组主要在大负荷中心附近运行, 不会有交流串补 输电或者高压直流输电的情况, 机组受电网扰动的影响主要 与发电机 一电网之间的电气联系强度有关, 无穷大母线系统 可以用短路容量表征机网电气联系强度 , 可以较为准确地模 拟机网扭振相互作用。 本文设计的扭振考核计算研究系统如图 1 所示。一 台 待研究的发电机组经过升压变压器接至高压电网, 用系统等 值阻抗代表输 电线路 ( 考虑为双回线) , 无穷大母线 ( I N F B U S ) 则用理想 电压 源表示 。该 系统可 以研究 在发 电机 出 口 ( P R I ME ) 、 变压器高压侧母线( S E C O N D
16、) 以及输电线路上等 不同地点发生的不同类型的短路故障, 可以研究误同期合 闸 , 也可 以研究线路快速 自动重合闸等复 杂的多重 扰动对轴 系扭振的影响。该研究系统需要的特性参数为: 变压器两侧 的额定电压 和 u 变压器容量 s 以及变压器的短路电 抗压降 , 系统等值阻抗 z ( 或短路电流 I s ) 。除系统等值 阻抗外, 其它几个参数在电厂规划设计时就可以确定, 而系 统等值阻抗可以取偏于严重情况的数值, 将在后面进行详细 分析 。在无穷大母线系统参数确定好 以后 , 就可 以用专业 的 电力系统仿真软件来模拟电力系统各种典型扰动对轴系扭 出 口故障点 近处故障点 输电线路故障点
17、图 1 单机无穷大母线研究系统示 意图 2 核电半速机组轴系扭振模型 对于核电半速机组, 发电机电气角速度两倍于机械角速 度 , 记发电机机械角速度为 c c , , 电气角速度为 , 则有 : ( )=2 ( ( 1 ) 根据发电机功率 P 、 转矩 和角速度 的关系: P = ( 2 ) ( c J 。 由功率守恒 , 可得: = 2 。 ( 3 ) 即扭振机械系统模型中的电磁转矩 州 两倍于电气系统模 型中的电磁转矩 。 核电半速机组扭振机电系统模型接 口关系如图2所示 , 其中角速度和转矩都取有名值。 图 2 有名值下扭振机电系统模 型接 口关系 当在额定工况运行时, 有: = 5 0
18、 7 r r a d s=1 5 0 0 r mi n ( 4 ) =1 0 0 r r a d s=3 O 0 0 r mi n ( 5 ) 显然 有 : =2 ( 6 ) 式( 1 ) 和式( 6 ) 左右两端对应相除, 即进行标 幺化, 可 得 : 面 )=面 m ( 7 ) ( e ( m1 式 中, 面 ) _ ; 面 m ) _ 。 0 O 式( 7 ) 表明, 机械角速度与电气角速度以各 自额定值为 基准的标幺值相等。与之类似, 核电半速机组扭振机械系统 模型中的电磁转矩与 电气系统模型中的电磁转矩的标幺值 相等。标幺值下核电半速机组扭振机电系统模型接 口关系 如图3所示, 即机
19、械系统模型与电气系统模型中的角速度可 以统一表示, 电磁转矩也是如此。也就是说, 在标幺值形式 下, 核电半速机组轴系扭振模型与全速机组轴系扭振模型 是一致 的。 图 3 标 幺值下扭振机 电系统模型接 口关 系 3 典型扰动对轴系扭振的影响分析 针对一台1 1 0 0 MW核电半速机组 , 仿真分析典型扰动对 轴系扭振的影响规律。该机组轴系由一个高中压转子、 两个 低压转子 、 一个发 电机转 子和 个励 磁机转 子组成 , 全 长约 4 9 5 m, 整个轴系被等效为 1 8 6个圆柱轴段( 含附加惯量) , 轴段轮廓图如图 4所示。 0 5 l t l l 5 2O 25 5 0 35
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