阅读说明：本技术 超临界二氧化碳轴流压缩机防止叶片共振的调频运行方法 (Frequency modulation operation method for preventing blade resonance of supercritical carbon dioxide axial flow compressor ) 是由 李凯伦 李红智 姚明宇 张一帆 高炜 吴帅帅 杨浦 张旭伟 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：一种超临界二氧化碳轴流压缩机防止叶片共振的调频运行方法,所述方法在测试静频率和换算动频率的基础上,通过绘图法得到若干个压缩机叶片共振频率。然后,通过取合适的避开率得到若干个叶片共振频率的危险区间,再取压缩机运行频率范围与共振频率危险区间的差集,可以得到若干个压缩机安全运行转速档。在调节过程中,当压缩机安全运行在某一转速档下时,若需要调节出力则首先采用调门进行调节,当调门达到其调节上下限时,再通过压缩机转速档位进行调节。本发明通过二氧化碳压缩机入口调门和转速的联合调节,使压缩机运行频率远离叶片共振频率,同时保持压缩机大开度高效率运行,为二氧化碳轴流式压缩机的安全高效运行提供了可行的控制方案。(A frequency modulation operation method for preventing blade resonance of a supercritical carbon dioxide axial flow compressor is characterized in that on the basis of testing static frequency and converting dynamic frequency, a plurality of compressor blade resonance frequencies are obtained through a drawing method. Then, a plurality of dangerous intervals of blade resonance frequency are obtained by taking a proper avoidance rate, and then a difference set of the running frequency range of the compressor and the dangerous intervals of the resonance frequency is taken, so that a plurality of safe running speed gears of the compressor can be obtained. In the adjusting process, when the compressor safely operates under a certain speed gear, the adjusting door is firstly adopted for adjusting if the output force needs to be adjusted, and when the adjusting door reaches the upper limit and the lower limit of the adjustment, the rotating speed gear of the compressor is adjusted. The invention leads the running frequency of the compressor to be far away from the resonance frequency of the blade through the combined regulation of the inlet throttle and the rotating speed of the carbon dioxide compressor, simultaneously keeps the compressor to run with large opening degree and high efficiency, and provides a feasible control scheme for the safe and high-efficiency running of the carbon dioxide axial flow compressor.)

超临界二氧化碳轴流压缩机防止叶片共振的调频运行方法

技术领域

本发明涉及超临界二氧化碳循环发电技术领域，特别涉及一种超临界二氧化碳轴流压缩机防止叶片共振的调频运行方法。

背景技术

随着近些年来发电技术的发展，研究表明发电机组采用超临界二氧化碳代替水蒸气作为循环工质，在一定的功率范围内具有循环效率高、设备结构紧凑、基建初投资小等优点，因此超临界二氧化碳循环发电系统是一项非常具有技术前景的发电方式。

发明内容

基于以上考虑，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳轴流压缩机防止叶片共振的调频运行方法，该方法的主要优点在于通过二氧化碳压缩机入口调门和转速的联合调节，使压缩机运行频率远离叶片共振频率，同时保持压缩机大开度高效率运行。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超临界二氧化碳轴流压缩机防止叶片共振的调频运行方法，压缩机变频电机的频率范围f为20Hz～50Hz，磁极对数为P，压缩机腔体内部工质温度t范围为80～150℃，压缩机共n级，各级叶片数均为Z；调频运行方法实施步骤如下，步骤一：通过敲击测试获得压缩机n级叶片的前三阶静频率，再通过频率变换得到n级叶片的前三阶动频率；步骤二：通过绘图法求解动频率与前三阶运行频率的交点以及动频率与叶片通过频率的交点，从而得到叶片共振频率及共振转速；步骤三：对叶片共振频率取预设的避开值，并对共振频率的危险区间进行细化分段后取其补集，从而得到若干个压缩机的允许运行频率区间；步骤四：对压缩机允许运行频率开区间取中值，从而得到若干个压缩机转速档；步骤五：求取高阶转速档最小调门开度与低阶转速档最大调门开度的对应关系，当压缩机在高低档之间切换时，采用调门开度调节，当开度达到最大开度或最小开度后，再通过调高或调低转速档继续调节，从而为压缩机在高低档之间切换提供理论依据。

所述步骤一中，通过现场敲击测试获得n级叶片的前三阶静频率分别为F^* _1i、F^* _2i及F^* _3i，其中i＝1,2,3…n；通过频率变换，得到n级叶片前三阶动频率F_1i(f,t)、F_2i(f,t)及F_3i(f,t)，其中动频率随着变频电机运行频率f和压缩机内部工质温度t的变化而变化。

所述步骤二中，采用绘制坎贝尔图法求解前三阶动频率F_1i(f,t)、F_2i(f,t)、F_3i(f,t)与压缩机前三阶运行频率f、2*f、3*f在f∈[20/P，50/P]内的交点，以及前三阶动频率F_1i(f,t)、F_2i(f,t)、F_3i(f,t)与压缩机前三阶叶片通过频率fZ、2*fZ、3*fZ在f∈[20/P*Z，50/P*Z]内的交点，假设共得到m个交点，这m个交点所对应的频率f值便是叶片共振频率，分别编号为f_j，其中j＝1,2,3…m。

所述步骤三中，对每个叶片共振频率取3％～5％的避开率，对于3％的避开率，得到每个叶片共振频率的危险区间为[0.97*f_j,1.03*f_j]，其中j＝1,2,3…m；取压缩机运行频率范围与叶片共振频率的危险区间的差集[20,50]\Σ[0.97*f_j,1.03*f_j]，即叶片共振频率的危险区间在压缩机运行频率范围的补集，从而得到k个压缩机允许运行频率的开区间(f_si,f_ei)，其中i＝1,2,3…k^*；若某个开区间f_ei-f_si＞5Hz，则将该开区间一分为二：(f_si,(f_si,+f_ei)/2)及((f_si,+f_ei)/2，f_ei)，直至最后得到k个压缩机允许运行的开区间(f_si,f_ei)，其中i＝1,2,3…k，且f_ei-f_si＜5Hz。

所述步骤四中，取k个压缩机允许运行频率开区间中值f_gi＝(f_si,+f_ei)/2，得到k个压缩机变频电机可安全运行的频率值，对应压缩机k个转速档，当压缩机在这k个转速档下运行时，压缩机不会发生叶片共振现象。

所述步骤五中，求取高阶转速档最小调门开度与低阶转速档最大调门开度的对应关系的方法为：对于第i个压缩机转速档，1＜i＜k+1，存在唯一的出力所需最小调门开度X_i，使得当压缩机运行在第i个转速档且入口调节门开度为X_i时，压缩机的出力等于其运行在第i-1个转速档且入口调节们开度为100％状态下。

所述步骤四中，每个压缩机转速档之间频率跨度小于5Hz，保证出力所需最小调门开度X_i取值范围为70％～100％，其中1＜i＜k+1。

所述步骤五中，实际运行中当压缩机运行在第i个转速档，1＜i＜k+1，当压缩机需要降低出力，则降低调门开度，当调门开度减小至X_i时，则将压缩机快速调低至i-1转速档并保持调门开度100％；当压缩机需要提高出力，则提高调门开度，当调门开度升高至100％时，则将压缩机快速调高至i+1转速档并保持调门开度为X_i+1。

实际运行中压缩机采用转速档与开度联合调节方法，一方面既能够保证压缩机远离叶片共振频率，另一方面也能够保持压缩机在较高开度下运行，压缩机保持较高的运行效率，同时保持安全性及经济性。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1)采用数域区间概念来识别和标识危险区间与安全区间，可操作性更强，实施全程可自动化操作；

2)通过转速分档与开度联合调节，在避免了叶片共振的同时，始终保持压缩机在高效率区间运行。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提出了一种超临界二氧化碳轴流压缩机防止叶片共振的调频运行方法，其特征在于，包括压缩机(1)、压缩机入口调门(2)、变频电机(3)、压缩机叶片(4)，压缩机变频电机的频率范围f为20Hz～50Hz，压缩机腔体内部工质温度t范围为80～150℃，压缩机共n级，各级叶片数均为Z。

1、首先，通过现场敲击测试获得n级叶片各级的前三阶静频率分别为F^* _1i、F^* _2i及F^* _3i，其中i＝1,2,3…n。通过频率变换，得到n级叶片前三阶动频率F_1i(f,t)、F_2i(f,t)及F_3i(f,t)，其中动频率随着变频电机运行频率f和压缩机内部工质温度t的变化而变化。

2、其次，采用绘制坎贝尔图法求解前三阶动频率F_1i(f,t)、F_2i(f,t)、F_3i(f,t)与压缩机前三阶运行频率f、2*f、3*f在f∈[20，50]内的交点，以及前三阶动频率F_1i(f,t)、F_2i(f,t)、F_3i(f,t)与压缩机前三阶叶片通过频率fZ、2*fZ、3*fZ在f∈[20，50]内的交点，假设共得到m个交点，这m个交点所对应的频率f值便是叶片共振频率，分别编号为f_j，其中j＝1,2,3…m。

3、对每个叶片共振频率取3％的避开率，得到每个叶片共振频率的危险区间为[0.97*f_j,1.03*f_j]，其中j＝1,2,3…m。取压缩机运行频率范围与叶片共振频率的危险区间的差集[20,50]\Σ[0.97*f_j,1.03*f_j]，得到k^*个压缩机允许运行频率的开区间(f_si,f_ei)，其中i＝1,2,3…k^*。若某个开区间f_ei-f_si＞5Hz，则将该开区间一分为二：(f_si,(f_si,+f_ei)/2)及((f_si,+f_ei)/2，f_ei)，直至最后得到k个压缩机允许运行的开区间(f_si,f_ei)，，其中i＝1,2,3…k，且f_ei-f_si＜5Hz。

4、取k个压缩机允许运行频率开区间中值f_gi＝(f_si,+f_ei)/2，得到k个压缩机可安全运行的频率值，即k个转速档，当压缩机在这k个转速档下运行时，压缩机不会发生叶片共振问题。

5、对于第i个压缩机转速档(1＜i＜k+1)，存在唯一的出力所需最小调门开度X_i，使得当压缩机运行在第i个转速档且入口调节们开度为X_i时，压缩机的出力等于其运行在第i-1个转速档且入口调节们开度为100％。

每个压缩机转速档之间频率跨度小于5Hz，可以保证出力所需最小调门开度X_i取值范围为70％～100％，其中1＜i＜k+1。

6、实际运行中当压缩机运行在第i个转速档(1＜i＜k+1)，当压缩机需要降低出力，则优先降低调门开度，当调门开度减小至X_i时，则将压缩机调低至i-1转速档并保持调门开度100％；当压缩机需要提高出力，则优先提高调门开度，当调门开度升高至100％时，则将压缩机调高至i+1转速档并保持调门开度为X_i+1。