童祥

(望亭發(fā)電廠，江蘇 蘇州 215155)

1 發(fā)電機故障概況

望亭發(fā)電廠現(xiàn)有2臺GE 9F級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，采用美國GE公司的PG9351FA型燃氣輪機，汽輪機為高/中壓合缸，低壓缸為雙流程向下排汽形式，三壓、中間再熱、單軸、無抽汽純凝式汽輪機，型號為D10。發(fā)電機型號為390H，全氫冷、數(shù)字靜態(tài)勵磁。余熱鍋爐采用杭州鍋爐廠生產(chǎn)的NG-901FA-R型三壓、再熱、無補燃、臥式自然循環(huán)鍋爐。

1.1 #1發(fā)電機故障情況

2010年10月，望亭發(fā)電廠#1機組進行中修，停機后在測量轉(zhuǎn)子的直流電阻時，發(fā)現(xiàn)在不同位置時的偏差較大，檢修前該機組的運行情況正常，各參數(shù)均在標準范圍內(nèi)。故障的主要原因是發(fā)電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)電螺桿磨損，導(dǎo)致接觸電阻增加，使得導(dǎo)電螺桿與銅芯之間電流缺乏連續(xù)性。轉(zhuǎn)子末端導(dǎo)電螺桿與銅芯的接觸磨損是由于低轉(zhuǎn)速時期銅芯與導(dǎo)電螺桿之間關(guān)聯(lián)運動引起的，而銅芯的運動取決于機組特定的銅芯與轉(zhuǎn)子的間隙及導(dǎo)電螺桿的裝配間隙。將發(fā)電機轉(zhuǎn)子送至哈爾濱電機廠進行修理，更換導(dǎo)電螺桿。GE公司的專家認為機組在盤車1000h或800次啟、停后就不會有導(dǎo)電螺桿磨損現(xiàn)象并能穩(wěn)定運行。

1.2 #2發(fā)電機故障情況

2011-03-19，利用壓氣機孔探的機會對#2發(fā)電機的轉(zhuǎn)子直流電阻進行了測量，數(shù)據(jù)正常。2011-06-30 T 00:19，#2機組按計劃調(diào)停消缺，進行壓氣機離線水洗及孔探工作。2011-07-03 T 08:30，開始進行壓氣機離線水洗，機組先升速至540 r/min，然后再降至435 r/min，最后降至盤車轉(zhuǎn)速4 r/min，執(zhí)行加藥程序，在此過程中，機組各參數(shù)均正常。09:40，機組加速至435 r/min執(zhí)行壓氣機漂洗程序，11:00，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機的勵磁電流在360～530 A之間大幅晃動，晃動頻率較高。同時發(fā)現(xiàn)勵磁變壓器2高壓側(cè)電流有間隙性波動(74～93 A)，在此期間，發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓基本不變，機組轉(zhuǎn)速未出現(xiàn)晃動，就地檢查勵磁變壓器本體有間隙性電磁響聲，勵磁變壓器本體溫度正常。同時對發(fā)電機、EX2100多橋勵磁控制器、靜態(tài)變頻啟動器 LCI(Load Commutated Inverter)等設(shè)備進行檢查，未發(fā)現(xiàn)其他異常情況。2011-07-03 T 20:30—04 T 02:30，漂洗程序結(jié)束，勵磁變壓器2高壓側(cè)電流穩(wěn)定，勵磁電流晃動較小，為30 A。水洗結(jié)束后，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子的直流電阻進行了測量，發(fā)現(xiàn)不同角度下變化較大，其故障情況與2010年年底#1機組中修時發(fā)電機的故障情況一致，筆者初步判斷發(fā)電機的導(dǎo)電螺桿出現(xiàn)問題。2011-03-19—06-30，#2機組分別啟、停機12次，共運行1 965 h，盤車運行了459 h，在此期間，發(fā)電機的勵磁電流、勵磁電壓、定子溫度等參數(shù)均正常，未出現(xiàn)過異常情況。

此時恰逢迎峰度夏，為了加快檢修進度，盡早將#2發(fā)電機組投入運行，決定聯(lián)系生產(chǎn)廠家修理人員在現(xiàn)場進行抽轉(zhuǎn)子修理，更換導(dǎo)電桿和連接螺栓，而不返廠處理。這樣就帶來一個問題，處理結(jié)束后只能在現(xiàn)場進行發(fā)電機的動平衡試驗，而以往這項工作都是在生產(chǎn)廠家進行的。在現(xiàn)場采用常規(guī)方法是將機組進行氫氣置換合格后進行啟動，如果數(shù)據(jù)不正常，待發(fā)電機氣體置換合格后進行處理。處理結(jié)束后，再進行氣體置換，然后再次啟動機組進行動平衡試驗，動平衡試驗時間不長(2 h左右)，但氣體置換的時間較長(通常要16～24 h)。為了節(jié)省時間，加快進度，故決定發(fā)電機不進行氣體置換，直接充壓縮空氣啟動機組至全速進行動平衡試驗，萬一動平衡結(jié)果不正常，可不進行氣體置換而直接處理，這樣就節(jié)約了進行氣體置換的時間。國內(nèi)的9F燃機機組從未進行過發(fā)電機的空氣冷卻啟動，無任何經(jīng)驗，這對于9F機組發(fā)動機啟動是一次大膽的嘗試。

2 9F機組的啟動過程

9F機組在啟動階段是通過靜態(tài)變頻啟動器和EX2100多橋勵磁控制器將發(fā)電機變?yōu)橥诫妱訖C來啟動機組的，整個機組的啟動過程分為啟動、清吹、點火、暖機和加速5個階段。

靜態(tài)變頻啟動器在啟動過程中，實際上是起到一個變頻器的作用，以6 kV廠用電為電源，通過整流、逆變過程，控制輸出電流的大小和頻率，供給發(fā)電機的定子，定子電流和勵磁磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩拖動發(fā)電機作同步電動機升速。

EX2100多橋勵磁控制器是一種數(shù)字式靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，其用途是向發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組提供直流電流來激勵發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組磁場，產(chǎn)生控制發(fā)電機端電壓和無功的勵磁電流。EX2100多橋勵磁控制器的基本配置是由冗余的控制器M1，M2，C和與之相連的多個整流橋所組成，發(fā)電機電壓和電流的測量信號都被連接到每個控制器內(nèi)。

靜態(tài)變頻啟動器和EX2100多橋勵磁控制器以及機組控制系統(tǒng)(MARK VI)是一個完整的控制系統(tǒng)。MARK VI提供力矩和轉(zhuǎn)速設(shè)定信號給靜態(tài)變頻啟動器，靜態(tài)變頻啟動器根據(jù)這些信號提供一個變頻的電能給發(fā)電機的定子，EX2100多橋勵磁控制器受到靜態(tài)變頻啟動器的控制，在啟動期間，調(diào)節(jié)勵磁電流，通過控制勵磁電流和定子電流，從而達到發(fā)電機調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速之目的。

3 390H型發(fā)電機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

390H型發(fā)電機是全氫冷發(fā)電機組。由于9F機組的啟動特點決定了發(fā)電機在機組的啟動階段是作為同步電動機使用的，其定子、轉(zhuǎn)子上必須有電流流過。由于發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)產(chǎn)生了很大的電流，發(fā)電機內(nèi)有很強的交變磁場，存在鐵損和銅損等各種損耗。由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子以3000r/min的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)，所以，在發(fā)電機運行時，會使發(fā)電機發(fā)熱，溫度升高，若溫度超過允許值，絕緣材料將加速老化，發(fā)電機的使用壽命將減少。故發(fā)電機在啟動階段必須要進行冷卻，通常做法是采用氫氣進行冷卻并通過發(fā)電機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)把熱能傳遞給外循環(huán)的閉冷水排出。

3.1 采用氫氣冷卻的優(yōu)點

(1)氫氣的絕緣性能好，電離現(xiàn)象微弱，可以延長線圈的使用壽命。

(2)純氫的密度僅為空氣密度的1/14，導(dǎo)熱系數(shù)為空氣的7倍，冷卻效率是空氣的6倍，在同一溫度和流速下，放熱系數(shù)為空氣的14～15倍。這些特點決定了氫氣傳熱系數(shù)大、導(dǎo)熱能力強，可提高發(fā)電機的單機容量和縮小發(fā)電機的體積。

(3)由于氫氣密度小，因此，在相同氣壓下氫氣冷卻的通風(fēng)損耗、風(fēng)的摩擦損耗均為空氣的1/10，大大降低了發(fā)電機風(fēng)扇和通風(fēng)系統(tǒng)的摩擦損耗，提高了發(fā)電機的效率，采用密閉循環(huán)系統(tǒng)后，可使機組噪聲大大減小。

3.2 采用氫氣冷卻的缺點

(1)氫氣是一種比空氣輕且滲透性很強的氣體，容易從設(shè)備中泄漏出來，所以，對發(fā)電機的嚴密性要求很高，以防氫氣向外泄漏。由于氫氣與氧氣混合后的爆炸范圍廣，空氣中含氫4.1% ～74.2%有爆炸危險，因此，要特別注意防火、防爆，在有氫氣的場所應(yīng)懸掛醒目的警示牌。

(2)在發(fā)電機檢修時，需要進行發(fā)電機的氫氣置換工作，充氫、排氫過程很繁瑣，時間較長，過程也很緩慢，技術(shù)要求很嚴格。

3.3 發(fā)電機定子冷卻

發(fā)電機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)主要包括氫冷器和轉(zhuǎn)子風(fēng)扇，轉(zhuǎn)子風(fēng)扇為軸流式，風(fēng)扇葉片安裝在發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩端的風(fēng)扇葉輪上，通過轉(zhuǎn)子風(fēng)扇的作用，冷氫從氫冷器流出，強迫進入氣隙內(nèi)和靜子線圈周圍。靜子由腹板軸向分成若干部分，在一些分段，冷氣體通過鐵芯中徑向風(fēng)道從鐵芯的外側(cè)進入氣隙;在另外一些分段，冷氣體則從氣隙進入鐵芯風(fēng)道再從外側(cè)流出。冷卻氣體通過管道或通道進入相應(yīng)分段，熱氣體直接進入冷卻器冷卻，冷卻后的氫氣返回到轉(zhuǎn)子風(fēng)扇進行再循環(huán)。靜子鐵芯內(nèi)部軸向多路進風(fēng)方式使鐵心和繞組的軸向溫度均勻分布，冷卻均勻，通風(fēng)損失小，避免了溫差過大引起的局部過熱和熱應(yīng)力。發(fā)電機定子的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 發(fā)電機定子通風(fēng)冷卻系統(tǒng)圖

3.4 發(fā)電機轉(zhuǎn)子冷卻

390H發(fā)電機轉(zhuǎn)子總長約12 m，繞組段長約5 m，轉(zhuǎn)子風(fēng)扇提供發(fā)電機的軸向冷卻風(fēng)，一部分氣流沿著轉(zhuǎn)子表面的氣隙對轉(zhuǎn)子外部進行冷卻;內(nèi)部則被通過轉(zhuǎn)子和繞組下的通風(fēng)槽氣流冷卻，然后流進轉(zhuǎn)子槽，通過勵磁線圈和槽楔內(nèi)的小孔徑向排到氣隙，發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.5 390H發(fā)電機在線監(jiān)測

3.5.1 鐵芯檢測

探測線圈裝在發(fā)電機汽測定子槽10點鐘方向第52槽，探測線圈的感應(yīng)電動勢是由氣隙轉(zhuǎn)子槽部漏磁通微分產(chǎn)生，再將電動勢波形導(dǎo)入分析儀進行分析。當發(fā)電機某部位超溫時，如果高溫使得含有這種熱解物微粒的氣體進入分析儀，會提高電場電動勢下降值(從正常的90%降至60%的報警值)，可準確判斷轉(zhuǎn)子繞組有無匝間短路、開路以及所在槽的位置。

3.5.2 發(fā)電機過熱監(jiān)視

發(fā)電機絕緣材料主要為有機聚合物、聚酯和環(huán)氧樹脂等，發(fā)電機絕緣材料在溫度超過180℃時，聚合物開始分解，形成烴類分解物蒸汽。冷卻氣體離開熱區(qū)后便形成液滴，其他絕緣材料(木、紙、云母和玻璃纖維等)在高溫400℃開始劣化及炭化，同時形成微小粒子(0.001～0.010 mm)，監(jiān)測冷卻氣體中的微粒及絕緣熱劣化后的氣體成分，可實現(xiàn)發(fā)電機過熱診斷，匝間短路，鐵芯短路，局部放電等異常情況的監(jiān)視。

3.5.3 發(fā)電機溫度監(jiān)測

主要通過測溫元件對發(fā)電機的進/出口風(fēng)溫、定子鐵芯、線圈、磁屏蔽環(huán)的溫度進行監(jiān)測。

4 發(fā)電機空氣冷卻啟動

4.1 發(fā)電機各運行階段的參數(shù)

發(fā)電機啟動各階段及正常運行時的參數(shù)對比見表1。

4.2 空氣壓力的選擇

由于空氣的密度是氫氣的14倍，如果采用相同氣體壓力的話，一方面發(fā)電機轉(zhuǎn)子風(fēng)扇的差壓會比氫氣狀態(tài)下要高出好多倍，這就使得氫氣流動的動力不夠，從而使得發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子各部分不能均勻冷卻，降低了設(shè)備的絕緣水平;另一方面，發(fā)電機轉(zhuǎn)子風(fēng)扇差壓過高的話也有可能使得密封油容易進入到發(fā)電機內(nèi)，故空氣的壓力選擇肯定不能過高，而過低則不能滿足發(fā)電機冷卻的需要，所以，選擇一個合適的空氣壓力是一個需要重點考慮的問題。

表1 發(fā)電機啟動各階段及正常運行時的參數(shù)對比

在機組滿負荷運行時，發(fā)電機內(nèi)氫氣的壓力是400 kPa，氫氣的冷卻效率是空氣的6倍，機組從啟動到全速空載階段時間在22 min左右，其中清吹時間11 min，全速狀態(tài)下進行動平衡試驗的時間在2 h左右，再加上機組啟動各階段及滿負荷時的各參數(shù)對比分析，綜合以上的相關(guān)條件最后定出發(fā)電機內(nèi)充入70 kPa壓力的空氣。

4.3 具體操作及注意事項

(1)在向發(fā)電機充空氣前，應(yīng)對各控制氣儲氣筒進行疏水，將水放盡。檢查發(fā)電機空間電加熱及發(fā)電機集電端電加熱是否送電，確保壓縮空氣是干燥的。

(2)在機組啟動進行動平衡試驗前，停用氫干燥器，關(guān)閉氫干燥器進、出口，關(guān)閉發(fā)電機/風(fēng)扇差壓高進口、發(fā)電機/風(fēng)扇差壓低進口。動平衡試驗結(jié)束后，恢復(fù)相關(guān)閥門的原有狀態(tài)，投用氫干燥器。

(3)在對發(fā)電機進行充壓時，應(yīng)控制好升壓速度，緩慢升壓至70 kPa。在充壓期間，應(yīng)密切注意發(fā)電機密封油油壓、油氫差壓、密封油回油箱油位和發(fā)電機內(nèi)露點溫度是否正常。

(4)在機組啟動后，檢查靜態(tài)變頻啟動器和勵磁系統(tǒng)運行是否正常，在啟動過程中，應(yīng)密切監(jiān)視發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈、定子線圈、定子鐵芯、發(fā)電機透平端、集電端的冷氫/熱氫溫度。

(5)在機組啟動后，應(yīng)密切監(jiān)視油氫壓差、密封油回油箱油位、發(fā)電機檢漏儀有無液體、鐵芯監(jiān)視器和發(fā)電機過熱監(jiān)視有無報警的情況。

(6)在全速空載下，應(yīng)維持機組冷卻蒸汽的壓力和溫度，確保汽輪機低壓缸末級葉片溫度不超限。

4.4 發(fā)電機空氣冷卻啟動后發(fā)電機溫度變化情況

發(fā)電機空氣冷卻啟動后發(fā)電機溫度變化情況見表2。

表2 發(fā)電機空氣冷卻啟動后發(fā)電機溫度變化情況(2011－07－21) ℃

從整個試驗結(jié)果來看，發(fā)電機各部分溫度均正常上升，溫度均在標準范圍內(nèi)，這次發(fā)電機空氣冷卻啟動是非常成功的。

5 結(jié)束語

390H型發(fā)電機的導(dǎo)電螺桿出現(xiàn)故障已不是偶然現(xiàn)象，機組在啟動過程中的清吹階段進行壓氣機的離線水洗時，應(yīng)高度重視發(fā)電機勵磁參數(shù)的變化情況，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時停機并測量發(fā)電機直流電阻的變化情況，特別要重視不同角度下的發(fā)電機直流電阻變化情況，建議每45°測量1次。另外，故障發(fā)生后，若在現(xiàn)場進行發(fā)電機的動平衡試驗，可以不置換氫氣，直接向發(fā)電機內(nèi)充入70 kPa的壓縮空氣，然后啟動機組進行試驗，萬一動平衡試驗不正常需加平衡塊時，這種操作方法可節(jié)省大量的處理時間。

［1］中國華電集團公司.大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)叢書設(shè)備及系統(tǒng)分冊［M］.北京:中國電力出版社，2009.