关键词：发电机；结构松动；振动；调峰
引言
近几年来，国内对火电机组环保性和经济性要求的不断提高，发展大容量、高参数的火电机组已经成为了必然趋势，既要充分发挥大容量、高参数火电机组的高效、环保优势，又要保证汽轮发电机组设备的使用寿命。随着国产大型汽轮发电机运行时间的增长、调峰深度的增加，发电机定子端部结构局部松动、磨损的缺陷越来越突出。通过对某百万机组发电机端部支架螺栓松动的原因分析和处理对策研究，防止因发电机端部松动而造成发电机损坏，对处理大型发电机端部结构松动缺陷有一定的借鉴和指导意义。
1 某电厂1050MW汽轮发电机设备概况
某电厂2×1050MW机组汽轮发电机由东方电机股份有限公司制造。型号为QFSN-1050-2-27，发电机为全封闭、自通风、强制润滑、水/氢/氢冷却、同步交流发电机。定子绕组为直接水冷，定、转子铁芯及转子绕组为氢气冷却。密封油系统采用单流环式密封瓦。励磁系统为全静止可控硅机端自并励励磁方式，励磁电源由本发电机出口经过励磁变变压，再经过整流后供给。
2 大型发电机端部结构松动的危害
大型汽轮发电机因制造工艺、结构布局、使用材料上的不足和局限性，在端部电磁力共振的作用下，会造成端部绝缘磨损、加固部件螺栓松动，进一步恶化可能造成线棒损坏、漏水、接地、短路等严重事故。随着大型发电机单机容量的不断增大，发电机定子电流越来越大，百万等级的发电机定子额定电流超过20000A，一旦发生发电机定子端部松动造成故障停机、短路等严重事故，经济效果和设备安全将受到严重影响，其间接经济损失及社会效益损失将更大。显然，大型发电机端部结构松动的危害极大。
3 某电厂1050MW汽轮发电机端部支架螺栓松动检查情况
2018年5月7日，某电厂1050MW汽轮机发电机汽轮机C级检修工作中，在对发电机端部人孔通风、清理内部积油工作中，检查发现发电机汽端端部绕组职称架共计有4条螺栓及4个锁紧垫片脱落，2条螺栓松动未脱落，励端端部绕组支撑架共计有1条螺栓及1个锁紧垫片脱落，2条螺栓松动未脱落。经详细检查查找，共找到5条螺栓及3个锁紧垫片，但仍有2个汽端锁紧垫片未能找到。通过扩大检查范围，发现发电机热风区底部人孔门1块锁紧垫片碎片。锁紧垫片在破碎过程中极有可能损伤发电机内部部件，残留在发电机内的金属碎片也可能损伤发电机内部绝缘层。
5月19日，发电机抽转子过程中，在汽端33-34槽上层线棒铜屏蔽上方找到1个完整锁紧垫片。定子铁芯表面存在350个撞击受损点，铁芯受到脱落的锁片撞击受损后导致铁芯片间绝缘受损。转子槽楔存在不同程度撞击损伤现象，共有300个撞击受损点需要进行处理。另外，发电机汽端风扇叶有6片存在异物撞击痕迹。
检修期间通过对定子检查共计发现34块大小不等螺栓锁片的金属小碎片，主要分布在定子膛内、铁芯通风孔、下半铁芯背部等区域。转子区域通过肉眼、内窥镜、吸尘器、转子通风、氮气吹扫等方式全面检查，未发现金属异物进入转子通风孔和护环内。
4 发电机端部支架螺栓松动原因分析
发电机端部结构松动是一个整体而又相互关联的问题，例如，发电机的进相运行是吸收系统无功功率，进行系统电压调整的有效手段，然后进相运行又增加了发电机端部构件的发热和振动，降低了发电机端部结构的机械稳定性。在机组运行中，定子绕组中的电流与端部磁场相互作用，形成以2倍系统频率变化的交变应力，作用在定子端部绕组结构上。在这种交变应力的作用下，定子绕组端部也将发生不同程度的振动。所以，发电机端部结构松动的原因，也是纷繁复杂的。
4.1 发电机端部结构分析
发电机定子绕组端部用浸胶无纬玻璃纤维带绑扎固定在由绝缘支架和绑环组成的端部固定架上，绑扎固定后进行烘培固化，使整个端部在径向和周向成为一个刚性的整体，确保端部固有频率远离倍频，避免运行时发生共振。轴向可沿支架滑销方向自由移动，减少由于负荷或工况变化而在定子绕组和支撑系统中引起的应力，满足机组调峰运行的需要。从结构上来看，造成端部构件松动的可能性较小。
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图5 发电机定子端部结构示意图
4.2 发电机端部固定螺栓自振的影响
汽轮发电机在机组运行的过程中，端部固定螺栓随铁芯处于自振状态，由于定子线材质与铁芯材质的膨胀系数不同以及铁芯温度与线圈温度存在差异，定子端部固定 螺栓所受到的拉力处于一个随时变化的状态。尤其是调峰运行更加剧这种变化，使螺栓在发电机早期运行磨合期极易发生松动。
4.3 发电机端部电磁力的作用
汽轮发电机定子绕组端部与引线是发电机的重要组成部分，绕组端部在漏磁场中受到较为复杂的电磁力，从而产生二倍频的电磁振动力。如果端部绕组结构的固有频率与这种电磁振动力的频率相等或接近时就会产生较大的振动力。
4.4 发电机端部螺栓应力释放
汽轮发电机组投产运行后，端部螺栓存在应力释放过程，同时在交变应力的工作状态下，螺栓及各螺牙受力不一致，容易产生疲劳破坏甚至断裂，导致后期出现松动现象。通过本次检修处理，螺栓应力已基本释放完毕，后期出现因应力释放导致螺栓松动的可能性极小。
4.5 热效应加速端部结构松动进程
随着机组运行小时数的不断增加，温度变化越大且持续时间越长，发电机端部各种材料在化学作用下机械强度和电气强度衰退的越快，也促进了在电动力及振荡作用下发电机端部结构松动的进程。大型发电机单机容量增加，电磁负荷水平提高，定子线负荷高发电机端部区域磁密度较高，发电机端部结构中的涡流损耗增加，正常运行下极有可能造成局部过热加速端部结构松动进程。
5 发电机端部支架螺栓松动处理情况
对定子铁芯表面共计处理350个撞击损伤点，采用打磨、磷酸烧蚀、刷环氧绝缘胶、刷绝缘漆等方法，并进行EL-CAD铁芯损耗试验和定子铁芯整体大磁通损耗试验检测合格。
对转子铁芯表面共计处理300个撞击损伤点，采用内、外磨机对损伤点进行打磨处理，再刷上油漆。
对发电机风扇叶超声及着色检查没有发现金属裂纹，仅为表面损伤，对转子动平衡和后续使用不影响，因此对损伤部位进行打磨圆滑过渡处理。
6 处理后汽轮发电机监控措施
6.1 运行监控措施
(1)机组运行中，加强发电机DCS系统画面监视，控制定冷水系统、发电机本体温度、氢气系统参数、密封油系统参数在规定范围内，发现异常及时排查。
(2)发电机DCS画面所有电气数据，包括有功功率、无功功率、功率因数、定子电压、定子电流、发电机频率等参数不超过允许值。
(3)发电机连续运行的最高允许电压不得大于额定值的110%，如达到110%应立即降低无功出力，如仍不能达到要求，降低有功负荷。
(4)发电机正常运行时，定子三相电流应平衡，最大一相的电流不得大于额定值。长期稳定运行其负序电流不得大于额定值的6%，短时负序电流应满足I2t≤6s的要求。
(5)发电机能在额定功率因数，频率变化不超过±0.5Hz时，按额定容量连续运行。当电压和频率同时变化，电压为正偏差和频率为负偏差的绝对值之和不超过6%，发电机仍可保持额定功率运行。
(6)机组能安全连续地在48.5～50.5Hz范围内运行，在此频率范围内发电机允许带满负荷运行。
(7)当系统需要时，发电机组允许进相运行，但进相深度不允许超过发电机的P-Q曲线。发电机进相运行时低励限制、V/F限制、失磁保护必须投入。AVR必须在自动方式运行，调节器中低励限制器不得调低定值，机端电压不得低于25.65kV，应维持厂用母线电压在5.985kV以上。加强发电机定子线圈、定子铁芯温度正常，各部温度、温差或温升不超过规定值，并每小时详细检查一次。
(8)发电机集电环正常运行温度应≤120℃，转子大轴接地刷辫接地良好，刷辫与转轴接触良好，无过热、颤振、放电等异常现象
(9)发电机绝缘过热监测装置、发电机端部振动、局部放电、转子匝间短路在线监测装置运行正常，无异常报警。
6.2 检修维护预控措施
(1)停机检修期间，打开汽端、励端人孔们对定子端部绑扎及螺栓等紧固件进行检查和清理，对发电机底部的积油情况进行检查及清理。
(2)发电机检修期间建立严格的现场管理制度，严格执行发电机检修区域出入登记手续，严控工器具、着重和携带物品，防止金属杂物遗留。
(3)设专人全面管控检修作业安全和规范，对发现的缺陷进行统计汇总。
(4)重点对发电机膛内端部线圈夹缝、上下渐伸线之间位置、槽口和铁芯等检查。
(5)对发电机端部紧固件的紧固情况以及定子铁芯别院硅钢片有无叠压、翘曲和断裂进行检查，并做好相应曲线。
7 发电机检修后试验情况及机组启动后数据分析
7.1 发电机检修后试验情况
根据发电机检修情况，在电科院和东方汽轮机发电机厂家的共同努力下，制订了相应试验项目，定子开展8项试验，转子开展了8项试验，氢冷器1项试验，整机1项试。试验均合格。
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表1 发电机检修后试验项目
7.2 机组启动后数据分析
某电厂汽轮发电机组于6月21日并网运行，通过负荷1027.6MW时，发电机各项参数运行情况展开分析。
7.2.1 定子线圈出水、定子绕组层间温度及温差情况
发电机定子线圈出水温度最高70.3℃，温差最高4.1℃，在合格范围内。
发电机定子线圈温度最高63.6℃，温差最高4.9℃，在合格范围内。
7.2.2 发电机集电环温度情况
发电机有功532MW、励磁电流3286A时，发电机集电环处负极最高温度96.9℃，正极最高温度90.5℃，低于厂家规定的120℃。
7.2.3 发电机在线监测装置
连续巡回检查修后发电机端部振动在线监测、局部放电在线监测、转子匝间短路在线监测、氢气干燥器、漏氢在线监测、氢气纯度仪各装置运行正常。
自机组并网以来，在不同负荷工况下端部振动数据分析，各频率段振动值随机组负荷增长有增大趋势，属正常运行现象，振动最大值均小于预警值250μm和报警值400μm，指标良好，放电强度低于800mW，小于报警值，运行正常。
自机组并网以来，通过波形分析，发电机转子匝间短路信号波形的上半周波和下半周波比较，重叠良好，无匝间短路报警，运行正常。
7.3 发电机检修后测试结论
从测试结果来看，发电机端部振动基本保持稳定，振动情况与发电机的有功、无功存在一定关系。发电机端部结构振动受许多因素影响，发电机的电气工况变化、线棒绝缘温度的变化等都会影响端部振动水平。正常运行时，机端电压基本稳定，在有功变化不大时，振动水平随着无功的增大而增大，加强发电机进相运行监视，提高就地监测装置巡视，合理调控发电机无功，可以有效地控制发电机端部结构的振动水平。
8 结束语
发电机端部支架螺栓松动的异常缺陷，除本体存在制造和设计方面的缺陷，还存在由于检修工期较短、对发电机本体检查重视不够、非厂家检修工艺较差、配件备品准备不足等问题，对运行当中存在的缺陷只是局部处理，并未彻底消除。随着机组运行小时数的增加，很多隐患和缺陷会逐渐凸显出来，因此在机组检修期间，要制定发电机专项检查方案，根据运行中存在的问题，及时排查发现存在的问题，并建立相关技术档案，确保发电机检修工作顺利完成。
随着大型火电机组的调峰任务也愈来愈突出，机组安全运行的可靠性、经济性则显得尤为重要。1050MW超超临界机组发电机端部支架螺栓松动原因分析和对策探讨，使机组具有更加稳定、可靠的运行品质，为同类机组提供了了很好的借鉴作用。
参考文献
[1]神华福能发电有限责任公司、福建省电力科学研究院、1050MW超超临界机组发电机检修报告、2018年06月。
[2]QFSN-1050-2-27型发电机安装维护说明书、东方汽轮发电机厂。
[3]李伟清、刘双宝、大型汽轮机常见故障的检查及处理方法、大电机技术，2000年03月。
作者简介：
[1]姜志成、男、1977年、2007年毕业于山西大学、神华福能发电有限责任公司、目前从事火电厂集控运行管理工作、副总工、工程师、主要研究火电厂安全经济运行管理方向、福建省石狮市伍堡集控区21号。
论文作者:姜志成
论文发表刊物:《中国电业》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/24
标签：发电机论文; 定子论文; 螺栓论文; 机组论文; 绕组论文; 结构论文; 转子论文; 《中国电业》2020年第1期论文;