АНАЛИЗ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ВАЛОВ РОТОРОВ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ С ДИОДНОЙ БЕСЩЕТОЧНОЙ СИСТЕМОЙ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Системы АРВ генераторов имеют большое значение для обеспечения надежности и устойчивости работы электроэнергетической системы (ЭЭС). Однако, учитывая тенденцию к более сильному регулированию, работа АРВ может вызывать крутильные колебания, в том числе и резонансные, представляющие серьезную опасность для валопровода турбогенератора в сечении между ним и возбудителем. Анализ таких колебаний на основе корней характеристического уравнения приведен в работах [1,2]. Известные случаи повреждений валов роторов турбогенераторов на наиболее значимом для валопровода подсинхронном диапазоне частот (24, 34 Гц) [3] требует более детального исследования таких колебаний. В работе [4] произведена сравнительная оценка повреждаемости валопровода турбогенератора 500 МВт с тиристорной системой возбуждения на всех подсинхронных частотах. Однако, интерес представляют подобные исследования для других типов мощных турбогенераторов с иными системами автоматического регулирования возбуждения. Среди последних, конкуренция, в основном, имеет место между независимыми тиристорными и диодными бесщеточными системами возбуждения. Учитывая, что сильной стороной последних является отсутствие контактно-щеточного аппарата, они нашли большее применение для мощных турбогенераторов. ДБСВ представляет собой систему возбуждения с вращающимся диодным и статическим тиристорным преобразователями, синхронным возбудителем и магнитоэлектрическим подвозбудителем. Применение такой системы способствует созданию энергосистем с новыми эксплуатационными свойствами, максимально адаптированных к различным внешним возмущениям [5]. Однако, необходимо подчеркнуть, что с ростом мощности генератора снижаются собственные частоты валопровода турбоагрегата . Кроме этого, наличие подвозбудителя на одном валу с основным генератором и возбудителем обуславливает появление новых низких подсинхронных собственных частот, что в целом, повышает вероятность возникновения резонанса на этих частотах.

Поэтому, анализ повреждаемости валов роторов турбогенераторов, оснащенных ДБСВ  имеет особую актуальность.

Целью настоящей работы является оценка повреждаемости валопроводов разных типов мощных турбогенераторов с ДБСВ при подсинхронном резонансе и в околорезонансных режимах путем математического моделирования.

При моделировании электрической части системы использован подход с позиций собственных координат [6], согласно  которому первоначальное математическое описание отдельных устройств, входящих в рассматриваемую электрическую цепь, в виде их элементарных аналогов сочетается с последующим использованием матриц инциденций для анализа поведения этих устройств в общей цепи.

При сведении уравнений элементарных аналогов отдельных устройств вместе, например, для матрицы индуктивностей полной элементарной цепи, получаем:

,                     (1)

где— матрицы индуктивностей элементарных аналогов турбогенератора, трансформатора, линии электропередачи, обращенного синхронного генератора, подвозбудителя, диодного и тиристорного преобразователя.

Соединение ветвей рассматриваемой цепи между собой описывается матрицей инциденций второго рода, которая, как известно, определяет соотношение между токами ветвей элементарной цепи и контурными токами интересующей цепи.

Механическая система представлена с учетом возбудителя и подвозбудителя как семимассовая (рис. 1).

Рисунок 1. Расчетная схема для анализа крутильных колебаний валопровода

Электромагнитный момент синхронной машины, изменение которого является первопричиной крутильных колебаний, в размерных единицах определяется выражением:

                                           (2)    

где W_M– энергия магнитного поля машины;

– угол между осью обмотки возбуждения и осью фазы А статора, характеризирующий положение двухполюсного ротора машин в произвольный момент времени.

Согласно выражению (2) мгновенное значение момента трехфазного турбогенератора с однофазной обмоткой возбуждения и трехфазной демпферной обмоткой на роторе равно в о.е.:

                     (3)

где,,– мгновенные значения фазных токов статора генератора, о.е.

– мгновенное значение тока возбуждения генератора, о.е;

,,– мгновенные значения токов демпфера генератора, о.е.

 – угол между осью обмотки возбуждения и осью фазы А статора генератора.

Аналогично, мгновенное значение электромагнитного момента возбудителя определяется выражением:

           (4)

где , , -мгновенные значения фазных токов ротора возбудителя, о.е.;

 - мгновенное значение тока возбуждения возбудителя, о.е;

, , - мгновенные значения токов демпфера возбудителя, о.е.

 – угол между осью обмотки возбуждения и осью фазы А ротора обращенного возбудителя.

Следует отметить, что в переходных процессах углы  и  являются функцией не только времени, но и скольжения генератора  и возбудителя . Последние вычисляются на каждом расчетном шаге из уравнения движения масс валопровода [7], которые  для данного случая имеют вид:

                       (5)

где i = 2,3,4 нумерация срединных масс валопровода турбины (ЦСД, ЦНД2, ЦНД1);

–  угол закручивания соответствующего участка валопровода;

J– полярный момент инерции масса;

D– коэффициент демпфированных крутильных колебаний соответствующего участка валопровода;

– вращающий момент, приложенный к соответствующей срединной массе валопровода;

– вращающий момент, приложенный к ЦВД;

– электромагнитный момент турбогенератора, вычисляемый по выражению (4);

– электромагнитный момент возбудителя, вычисляемый по выражению (5);

– скольжение ротора турбогенератора;

–скольжение ротора возбудителя.

Оценка накопленной повреждаемости валопровода турбоагрегата произведена с использованием усталостной кривой и деформационного критерия для мягкого и жесткого нагружений в зоне малоцикловой усталости и силового критерия в зоне многоцикловой усталости [ 8  ].

Изложенная методика была апробирована многочисленными расчетами по определению повреждаемости в шейках вала между генератором и турбиной, и соответствующими ее цилиндрами в различных анормальных режимах [9-14]. В данной работе методика используется применительно к механической системе с учетом возбудителя и подвозбудителя для анализа крутильных колебаний и повреждаемости в шейке вала между возбудителем и генератором.

Поскольку возникновение резонанса на частотах крутильных колебаний обусловлено действием АРВ генератора, в математическую модель он введен посредством передаточных функций с соответствующими коэффициентами и постоянными времени [15].

На описанной модели было воспроизведено резонансное взаимодействие между турбогенератором и возбудителем, обусловленное работой АРВ генератора и дана сравнительная количественная оценка повреждаемости валопровода на всех подсинхронных частотах крутильных колебаний. В этом случае, как показали расчеты, при изменении уставки АРВ возникают нарастающие колебания режимных параметров, частота которых совпадает с собственной частотой крутильных колебаний (рис.2).

Рисунок 2. Резонансное взаимодействие между генератором с ДБСВ мощностью 800Мвт и возбудителем на частоте 24 Гц

а) электромагнитный момент возбудителя; б) ток фазы А ротора обращенного генератора возбудителя; в) скручивающий момент вшейке Г-В; г) электромагнитный момент генератора

1- без учёта затуханий электромеханических переходных процессов; 2- с учётом затуханий электромеханических переходных процессов

Анализом охвачены турбоагрегаты мощностью от 300 до 1000Мвт с диодной бесщеточной системой возбуждения. Видно (табл.1), что с ростом мощности турбоагрегатов, увеличивается повреждаемость их роторов, при этом  для всех турбоагрегатов значения повреждаемости при мягком нагружении  выше, чем при жестком. Повреждаемость для разных типов мощных турбоагрегатов

 Таблица 1.

Повреждаемость для разных типов мощных турбоагрегатов

Дана сравнительная количественная оценка повреждаемости вала ротора генератора мощностью 500Мвт с тиристорной и диодной бесщеточной системой возбуждения. Видно (рис.3), что величины повреждаемости с ДБСВ меньше, и для разных частот это снижение составляет 12% - 15% .Однако,  наличие подвозбудителя в случае генератора с ДБСВ приводит к появлению новых низких подсинхронных частот (в данном случае 7 и 16Гц), и, тем самым, повышает вероятность возникновения резонанса . Кроме этого, как показали расчеты, величины повреждаемости на этих низких частотах остаются высокими при более существенной отстройке от резонанса, нежели на ряде следующих подсинхронных частот. Так, величины повреждаемости на новых упомянутых частотах сохраняются при отстройке, равной 16 и 12%, а на более высоких частотах, например, 33.3 и 46.9 Гц – только при 5 и 2% - ой соответственно. Таким образом, в генераторах с ДБСВ большая вероятность возникновения не только резонансных, но и околорезонансных режимов.

Рисунок 3. Частотная характеристика повреждаемости вала в шейке Г–B турбогенератора мощностью 500 Мвт

а) – c тиристорной системой возбуждения; б) - с диодной бесщеточной системой возбуждения

 без учёта затухания электромеханических переходных процессов

  с учётом затухания электромеханических переходных процессов

Проанализировано влияние на величины повреждаемости затухания электромагнитных переходных процессов и демпфирования крутильных колебаний в основном генераторе и в возбудителе. Это особенно важно, так как последний является источником. При данном подходе к моделированию возможен учет затухания электромагнитных переходных процессов не только в основном генераторе, но и в возбудителе. Расчеты показали, что наиболее сильное проявление демпфирующего действия имеет место на частоте 33.3Гц и на новой появившейся 16Гц.  В этом случае учёт электромагнитных переходных процессов в генераторе и возбудителе (r_kdг≠0, r_kdв≠0) и демпфирования крутильных колебаний снижает величины повреждаемости на 62 и 43 % соответственно (рис.3). Расчеты показали, что с ростом мощности демпфирующий эффект усиливается. Так, если для турбоагрегата мощностью 300Мвт он составил 34%, а для 500Мвт - 58 %, то для турбоагрегатов 800 и 1000Мвт величины повреждаемости снизились более, чем на 70% (табл.1, знаменатель).

 Таким образом, установлено, что оснащение турбогенератора ДБСВ повышает вероятность возникновения резонанса и околорезонансных режимов.

Список литературы:

1. Харб Ш.Н. Крутильные колебания валопровода турбоагрегата, обусловленные системой автоматического регулирования возбуждения генератора Дис. Канд. техн. наук. Санкт Петербург 1993.
2. Шхати В.Х. Развитие методов математического моделирования переходных процессов современных генераторов для повышения эксплуатационных показателей их работы Дис. Доктор технических наук. Санкт Петербург 2008
3. Хуторецкий Г.М., Фридман В. М., Дроздова Л. А., Школьник В.Э., Дворецкий Б.И. Резонансные крутильные колебания валопровода турбоагрегата, связанные с системой возбуждения // Электротехника 1987 №9, с. 26-29.
4. Грабовский В. П. Крутильные колебания и повреждаемость валов роторов турбогенераторов, оснащенных автоматическими регуляторами возбуждения // Изв. Вузов. Электромеханика 2020 № 1.
5. Епифанова О.Е., Смоловик С.В. Особенности регулирования возбуждения генераторов автономных электрических систем. // Проблемы энергетики, 2006 № 11-12.
6. Галишников Ю.П. Сложные короткие замыкания турбогенераторов Дис. доктор технических наук. Караганда 1980
7. Рубисов Г.В.,Сигаев В.Е. Расчетный метод анализа крутильных колебаний валопровода турбогенератора//  Электотехника 1986 № 1.
8. Данилевич Я.Б., Карымов А.А. Оценка сокращения «срока жизни» вала ротора турбогенератора // Электричество 1997. №2
9. Грабовский В.П. Проблема прочности валопроводов турбогенераторов работающих на передачу постоянного тока. // Электричество 2004. №2
10. Грабовский В.П. Оценка повреждаемости валопроводов турбогенераторов при неуспешном БАПВ в энергосистеме // Электричество 2008. №3
11. Грабовский В.П. Анализ повреждаемости валопроводов турбогенераторов, работающих в электроэнергетической системе // Электричество 2010. №18.
12. Грабовский В.П. Сравнительный анализ повреждаемости валопроводов турбоагрегатов в аварийных режимах // Изв. Вузов. Электромеханика 2018. №2
13. Грабовский В.П. Методика оценки остаточного ресурса валопровода турбоагрегата //Изв. Вузов. Электромеханика 2019 №2
14. Грабовский В.П. Крутильные колебания валопровода паровой турбины и оценка остаточного ресурса его элементов // Изв. Вузов Электромеханика 2020 № 6.
15. Юрганов А.А., Кожевников В.А. Регулирование возбуждения синхронных генераторов, СПб.: Наука, 1996. – 138c.