汽轮机转子转速控制技术分析

摘要：随着电力系统的不断发展，现阶段汽轮机等电力设备广泛运用，以满足电力系统的发电、供电、配电等基础电力需求。其中转子属于汽轮机的重要组成部件，为进一步保障汽轮机稳定运行、满足电力需求，需要采取合理措施加强转子转速参数的管理。因此汽轮机转子转速控制技术分析受到广泛关注，相关理论研究及实践探索大量涌现。基于此，简单分析转子转速的控制价值，深入探讨相关的控制要点，以供参考。

关键词：汽轮机；转子转速；转速管控

引言：

近年来冲动式、反冲动式等不同类型的汽轮机，在我国各地的电力企业中广泛使用，能够有效降低电能的消耗，并具有使用寿命长、操作灵活、效率高等优势应用特点。但结合实际调研可以发现，部分汽轮机运行时，转子转速存在过快或过慢的问题，对汽轮机的运行造成不良影响，无法有效发挥使用优势。为改变这一现状，本文围绕汽轮机转子转速的控制开展具体研究。

1.汽轮机转子转速控制价值

1.1延长汽轮机使用寿命

汽轮机转子转速处理合适范围内，可以减轻转子与其他部件之间的摩擦力，防止各部件长时间使用下出现磨损问题，将汽轮机的使用寿命提高。同时转子的转速合适，还能够在一定程度上降低汽轮机运行故障的发生概率，使汽轮机始终保持安全稳定地运行状态，增加其可使用周期。

1.2保障汽轮机运行安全

汽轮机的转子转速过高，可能出现汽轮机超速危害，并且如果转速过慢，可能导致汽轮机的主油泵出现运行异常的状况，最终油压下降危害汽轮机的运行。合理控制转速，能够使汽轮机的调速系统维持稳定，促使整体的汽轮机安全稳定运行。

1.3提高电网运行稳定性

在部分与电网、电力系统相连接的汽轮机中，将转子部件的转速合理控制，可以为电网的稳定安全运行提供支持。通过稳定的转速，为电网提供恒定、均衡的电力输出，并且可以优化汽轮机的工作效率，控制机器的能源消耗，提高电能的利用率，最终使整体电网稳定运行。

2.汽轮机转子转速控制技术应用要点

2.1转子离心应力分析

汽轮机的转子受不同工况的影响，转速会发生变化，产生一定的离心应力，为实现转速的有效控制，可以对工况下的转子离心应力进行分析。以FCB工况为例，在该工况开始后，转子的转速通常会急剧提升到最大值，之后汽轮机的调节系统会发生作用，使转速重新恢复稳定，在此过程中离心应力也会激增，需要仔细校核分析，为转子转速和汽轮机运行的安全提供保障。离心应力分析时，可首先合理设置转子的边界条件，构建完善的二维轴对称形式的模型，在转子上施加转速约束和轴向位移约束两种约束边界条件，之后严格按照实际的膨胀方向和支撑形式，对转子的离心应力进行分析计算。在不同功率的试验工况下，两种约束条件会保持不变，之后对工况甩负荷时的转子瞬时离心应力进行分析计算，将计算结果和额定转速下的转子离心应力进行比对分析。同时可以对100%FCB试验工况最高转速、额定转速、50%FCB试验工况最高转速情况下产生的离心应力进行仔细分析，通过分析比较可以发现，在额定转速状况下转子的最大离心应力较小，而在100%FCB工况最高转速下最大离心力较大。

2.2临界转速仿真分析

转子的转速长期处于临界值时，会对汽轮机的稳定运行造成一定影响，导致汽轮机出现异常振动等问题，可以采用仿真分析方法控制临界转速。转子临界转速分析计算时，可首先计算油膜刚度和支撑动刚度，油膜刚度可以根据汽轮机轴承的具体类型、特性和承载力系统等进行计算，之后将获得的计算结果，利用插值法和轴承特性数据表进行处理，获得油膜无量纲刚度系数，将该系数再次代入油膜刚度的计算公式中，最终获得转子不同转速下的油膜刚度，主要包括竖直方向和水平方向的刚度[1]。支撑动刚度可根据竖直形态油膜刚度、转子的角速度、平衡机支架刚度等情况分析判断，代入相关数值后，获得不同转速下的支撑动刚度。其次，可建立专门的转子三维模型，结合相应的有限元模拟分析方法，计算转子的临界转速。模型构建时需要将汽轮机的功率、转子额定转速、叶轮、叶片等方面的数据信息，输入到相关的信息化软件中，之后合理调整数据的格式，保存与导出后获得三维模型。有限元计算时，可以在有限元软件中输入转子的回转速度、汽轮机轴承的轴向位移约束条件等参数，绘制转子系统图，对转子的临界转速求解。

2.3汽轮机振荡控制分析

汽轮机在高压直流输电的情况下，会受到动态与静态稳定极限等因素的影响，出现次同步振荡等情况，对转子的转速和转子的运行安全造成影响，需要有针对性地采取措施加强管控。首先可采用前期监测分析方法，实时监管汽轮机的运行情况、运行状态和相关的运行参数，并全面记录发电机轴系中的相关数据，最终通过仔细分析计算，对轴系的损伤情况和长时间下的负荷运行情况了解掌握，使用整体切除发电机组的方法，实现汽轮机转子转速的有效控制。其次可采用基于傅里叶变换的方法，控制转子的转速，将汽轮机变流装置中的三相电压，以傅里叶级数和的形式呈现[2]。如果变流装置两侧的直流输电线路和交流输电线路存在次同步振荡，三相电压会不对称，此时可以考虑次同步振荡频率、负序电压、正序电压等情况，将不对称的三相电压转换成直流电，控制直流输电线路的感应频率分量、同步频率分量、电压分量，最终可以通过傅里叶分析，获得转子的抑制振荡频率，确保转子的转速可控。此外，可以采用仿真分析的方法控制次同步振荡现象，在高压直流输电系统的交流输电线路上，增设同步发电机模型，之后可以加入次同步振荡抑制并调整汽轮机转子的转矩，如果转子的转速未出现明显的波动变化，也没有出现扩散的趋势，则表明高压直流输电系统获得良好的次同步振荡抑制效果。

2.4转子转速应力有限元模型分析

控制汽轮机转子转速时，可建立专门的转速应力分析模型，采用有限元分析计算方法控制转速。三维的转子转速应力模型中，包含多个网格，为提高转速应力分析的精准性，可以将全部的网格划分成六边形结构。之后可以对转子的转速应力分布和温度变化情况模拟分析，采用生成云图和读取时间密度等方法，输出应力分布和温度分布等数据。例如，在读取时间密度后，可调整成一分钟为一个间隔点形式，获得600分钟的分析时间，为转速应力和转子温度数据的分析提供便利。在转子应力的有限元分析中，可以将转子表面的应力和转子中心的应力分布仔细分析比对，并且需要考虑转子的运行温度，在转子启动后，观察转子的应力趋势变化情况。通常转子的最大应力趋势，会随着转子运行温度的不断升高而不断增加，转子转速达到一定程度后，温度会停止升高，整体的转速应力会逐渐减小。

结论：

综上所述，转子的转速控制会直接影响汽轮机的整体运行质量。必须聚焦汽轮机使用寿命、汽轮机运行安全、电网运行稳定性等方面汽轮机转子转速的控制价值，从转子的离心应力、临界转速、转速应力等方面落实转子转速的有效、合理控制，为汽轮机的稳定可靠运行提供保障。

参考文献：

[1]陈付平，许文辉，杨二旭.汽轮机转子临界转速的仿真分析与验证[J].汽轮机技术，2020，62（05）：341-342+380.

[2]刘影，陈贵刚，景致远，等.基于傅里叶变换的汽轮机转子转速控制研究[J].绵阳师范学院学报，2023，42（08）：1-5+12.

作者一姓名：苏文星；性别：男 ； 出生年月：1997年11月 ；籍贯山东省菏泽市：民族：汉族 ；最高学历：大学本科 ；目前职称：助理工程师；