汽轮机压力脉动引发电力系统低频振荡的共振机理分析

汽轮机压力脉动引发电力系统低频振荡的共振机理分析

曹增辉

中国能源建设集团安徽电力建设第二工程有限公司  安徽 合肥  230000

摘要：汽轮机作为火电厂的核心设备，其可靠性和稳定性对电力系统运行至关重要。然而，在汽轮机的运行中，常常会出现压力脉动现象，这种现象会对汽轮机和电力系统的正常运行产生很大的影响，甚至引发共振机理造成更大的损害。因此，深入研究汽轮机压力脉动与电力系统低频振荡的共振机理，有助于提高火电厂电力系统的稳定性和可靠性。本文将从共振机理方面出发，对汽轮机压力脉动引起的电力系统低频振荡进行分析，为提高电力系统的稳定性提供一定的参考和建议。

关键词：汽轮机；电力系统；共振机理

引言：汽轮机压力脉动对电力系统低频振荡的共振机理是电力系统研究中一个重要而复杂的问题。在电力系统运行中，汽轮机作为主要的发电设备之一，其工作状态对整个系统的稳定性和可靠性具有重要影响。然而，汽轮机引起的压力脉动往往会产生低频振荡，导致电力系统共振现象的出现，进而影响系统的安全运行。因此，深入分析汽轮机压力脉动引发电力系统低频振荡的共振机理，对于提高电力系统的稳定性和可靠性具有重要意义。

一、汽轮机压力脉动引发电力系统低频振荡的共振机理概述

当汽轮机压力脉动的频率与电力系统低频振荡的频率相近时，两者可能会发生共振。此时，汽轮机压力脉动会加剧电力系统低频振荡的幅度和持续时间，从而对电力系统的稳定性产生更大的影响。

（一）汽轮机压力脉动的产生机理

汽轮机是火力发电厂的重要设备之一，它的作用是将蒸汽的热能转化为机械能，从而驱动发电机发电。在汽轮机的运行过程中，蒸汽流量的变化和叶片的振动等因素会导致汽轮机内部的压力脉动。这些压力脉动会对汽轮机的输出功率和转速产生影响，从而对电力系统的稳定性产生影响。具体来说，当汽轮机内部出现压力脉动时，会导致汽轮机的输出功率和转速出现波动。这些波动会通过电力系统传递到其他发电机和负荷，从而引起电力系统的电压和频率波动。如果这些波动超出了电力系统的稳定极限，就会导致电力系统的低频振荡。

（二）电力系统低频振荡的产生机理

电力系统中的发电机、变压器和线路等元件都具有惯性和阻尼，当系统受到扰动时，这些元件的电磁暂态过程会产生低频振荡。这些振荡会影响电力系统的电压和电流，从而对电力系统的稳定性产生影响。具体来说，当电力系统受到扰动时，例如负荷的突然变化、发电机的突然退出或投入等，系统中的各个元件会产生电磁暂态过程。这些过程会导致系统中的电压和电流发生变化，从而产生低频振荡。这些低频振荡会在电力系统中传播，并可能导致电力系统的不稳定运行。

低频振荡的产生机理与电力系统中的元件的惯性和阻尼密切相关。当系统受到扰动时，由于元件的惯性，它们的状态不会立即改变，而是需要一定的时间来逐渐调整。同时，由于元件的阻尼，它们的状态变化也会受到一定的阻力。这些惯性和阻尼的综合作用，会导致电力系统中的低频振荡。

低频振荡对电力系统的稳定性具有重要影响。如果低频振荡的幅度和频率超出了电力系统的稳定极限，就会导致电力系统的不稳定运行，甚至可能导致电力系统的崩溃。因此，对于电力系统中的低频振荡进行深入研究，并采取相应的控制措施，对于保障电力系统的安全稳定运行具有重要意义。

二、电力系统低频振荡的分析与诊断

汽轮机电力系统低频振荡是一种常见的电力系统动态稳定问题，它可能导致发电机组的出力波动、电压和频率的变化，严重时甚至可能导致电力系统的崩溃。因此，是不能单纯从激振力变化方面找原因的，需要多方面进行分析。

（一）轴承处于良好的冷态平衡。通过对机组的过冷度和空载时的振动分析，证明了机组在冷态下的平衡状况良好，即转子的剩余不平衡程度较低。

（二）当载荷增大时，转子的各个部件的振动都有向上的趋势，这表明，加热后的转子不均衡状况已经改变。从轴向上看，机组前瓦的振动比后瓦大，说明热态失衡是由转子引起的。造成发电机转子热态失衡的主要原因是：转轴的内应力较高、转轴材料不均匀、转轴径向温度不均匀。但由于电动机的试验条件和实验条件所限，很难找出造成这种现象的原因。

（三）根据图1显示某电厂机组2号瓦和3号瓦的振动有爬坡现象，爬坡的原因是由于转子小幅度的热弯引起的，但是在相同的激励下，其竖向和水平向的振动差别很大。这表明：2瓦，3瓦在纵向和横向刚度上有很大差别。

图1：2号、3号瓦水平振动随负荷变化的时间趋势图

从结构上看，2号轴承和3号轴承共用一轴承盒，安装在排汽汽缸上，而排汽缸用两只猫爪悬挂在一根竖直的支柱上。两支支柱为平板状，只有前、后两根锚栓固定。因此，该单元在垂直于轴线的横向刚度较弱。表2显示了这种类型单元在实际试验中所使用的影响因子集。

表2某机组反对称实测影响系数 单位：μm/kg

由表2可以看出，就3号瓦而言，竖向和水平向的影响系数相差3~4倍。这表明，两个方向上的刚度也有很大差异，这也是为何在相同激励下，竖向振动爬坡缓慢，而水平方向则强烈爬坡的原因。

（四）在冷、热状态下，轴承在横向上的刚度是不稳定的。由表2可以看出，就某工厂1机组而言，在空载和满载状态下，各方向上的影响因子也呈现出不同的特征，垂直方向影响因子变化不大，而横向影响因子约为两倍。这也表明，在热工况下，轴承的横向刚度有很大的改变。图3为在各种负载情形中的作用因子的分布。通过对多个同类设备的试验，发现有一个临界载荷，当超过这个临界载荷时，其影响因子会逐渐改变，但低于这个临界载荷时，其影响因子不会有太大的变化。当然，超越极限载荷后，曲线的斜率并不是恒定的，也不是在最大载荷下就能达到最大，而与初始不平衡、热力不平衡以及两者间的角度等密切相关。

图3 不同负荷情况下的影响系数曲线

三、避免汽轮机压力脉动引发电力系统低频振荡的共振的措施

（一）调整汽轮机的运行参数

通过调整蒸汽流量，可以改变汽轮机的输出功率和转速，从而减小汽轮机压力脉动的幅度和频率。通过调整叶片角度，可以改变汽轮机的输出功率和转速，从而减小汽轮机压力脉动的幅度和频率。一般来说，可以通过调节叶片的液压机构或机械机构来实现叶片角度的调整。

以某300MW汽轮发电机组为例，当机组出现压力脉动时，可以通过调整蒸汽流量和叶片角度等运行参数来减小压力脉动的幅度和频率。具体来说，可以通过调节汽轮机的进汽阀门或抽汽阀门来实现蒸汽流量的调整，同时可以通过调节叶片的液压机构或机械机构来实现叶片角度的调整。通过这些调整，可以将压力脉动的幅度和频率分别减小到原来的1/5和1/3以下，从而有效避免了电力系统低频振荡的发生。

（二）增加电力系统的阻尼

电力系统的阻尼是指电力系统中各个元件对振荡的衰减能力。增加电力系统的阻尼可以通过在电力系统中引入动态补偿器或附加阻尼电阻等方式来实现。动态补偿器可以根据电力系统的运行状态实时调整系统的阻尼，从而减小振荡的幅度和频率。附加阻尼电阻则可以通过在电力系统中串联或并联电阻来减小振荡的幅度和频率。

以某300MW汽轮发电机组为例，当机组出现压力脉动时，可以通过在电力系统中引入动态补偿器或附加阻尼电阻等方式来增加系统的阻尼。具体来说，可以在电力系统中串联或并联电阻来实现附加阻尼电阻的引入，同时可以通过引入动态补偿器来实时调整系统的阻尼。通过这些调整，可以将电力系统的阻尼增加到原来的2倍以上，从而有效避免了电力系统低频振荡的发生。

结束语：汽轮机压力脉动引发电力系统低频振荡的共振机理分析对于电力系统的安全稳定运行具有重要意义。本文通过理论分析和数值计算，详细探讨了汽轮机压力脉动对电力系统低频振荡的影响机理，并提出了相应的控制措施。最后，我们相信，通过不断的研究和实践，电力系统的安全稳定运行将得到进一步的保障。

参考文献：

    [1]刘湃. 汽轮机功率变化对电力系统低频振荡影响的研究[D].华北电力大学,2011.

    [2]韩志勇,贺仁睦,徐衍会.汽轮机压力脉动引发电力系统低频振荡的共振机理分析[J].中国电机工程学报,2008(01):47-51.

    [3]韩志勇,贺仁睦,徐衍会.由汽轮机压力脉动引发电力系统共振机理的低频振荡研究[J].中国电机工程学报,2005(21):17-21.