仇 明，詹偉芹，葛祥飛

（1. 神華國(guó)華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025；2. 神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 臺(tái)山 529228；3. 神華國(guó)華綏中發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 綏中 125222）

前言

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，定子將受到轉(zhuǎn)子磁拉力作用，產(chǎn)生兩倍系統(tǒng)頻率的強(qiáng)迫振動(dòng)，發(fā)電機(jī)定子繞組端部不但要承受正常運(yùn)行時(shí)的交變電磁力，還要承受出口或內(nèi)部短路時(shí)產(chǎn)生的巨大的瞬態(tài)電磁力作用。隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的逐步增大，定子繞組端部在機(jī)械上的可靠固定和防止兩倍頻電磁振動(dòng)造成的危害已成為一個(gè)重要課題。多年實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：倘若定子端部線棒的橢圓模態(tài)固有頻率等于或接近 100Hz，就可能發(fā)生共振，即使較小的激振力也會(huì)誘發(fā)較大的振動(dòng)，往往在機(jī)組投運(yùn)后不久就會(huì)出現(xiàn)端部松動(dòng)、磨損現(xiàn)象。

現(xiàn)行GB/T 20140-2006《透平型發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)試驗(yàn)方法及評(píng)定》總結(jié)了這方面的經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)特性有明確的要求。近幾年，發(fā)現(xiàn)按引進(jìn)技術(shù)制造的1000MW汽輪發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)特性測(cè)試結(jié)果不能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，但機(jī)組運(yùn)行后檢查未見(jiàn)松動(dòng)磨損的現(xiàn)象。為此，我們?cè)诓煌圃鞆S的1000MW汽輪發(fā)電機(jī)安裝了在線振動(dòng)測(cè)量裝置，以觀察機(jī)組運(yùn)行中實(shí)際振動(dòng)數(shù)據(jù)。下面從1000MW 汽輪發(fā)電機(jī)繞組端部模態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)、運(yùn)行后端部檢查情況、在線振動(dòng)測(cè)量三方面對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行闡述。

1 引進(jìn)型國(guó)產(chǎn) 1000MW 汽輪發(fā)電機(jī)端部固定結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)制造的1000MW汽輪發(fā)電機(jī)有三種，分別為東方電機(jī)有限公司（引進(jìn)日立技術(shù)）、哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司（引進(jìn)東芝技術(shù)）、上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司（引進(jìn)西門(mén)子技術(shù)）。由于日立和東芝1000MW汽輪發(fā)電機(jī)制造技術(shù)來(lái)源于GE，因此兩者很接近，它的定子繞組端部為綁扎結(jié)構(gòu)，如圖2。而西門(mén)子定子繞組端部為錐環(huán)加壓板結(jié)構(gòu)如圖1。上述制造廠1000MW 汽輪發(fā)電機(jī)與定子振動(dòng)有關(guān)的結(jié)構(gòu)工藝如表1。

表1 三個(gè)制造廠1000MW汽輪發(fā)電機(jī)與定子振動(dòng)有關(guān)的結(jié)構(gòu)工藝對(duì)比表

2 現(xiàn)行國(guó)標(biāo)對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性的有關(guān)規(guī)定

現(xiàn)行GB/T 20140-2006《透平型發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)試驗(yàn)方法及評(píng)定》中對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)特性的有關(guān)要求如下：

（1）定子繞組端部整體的橢圓固有頻率應(yīng)避開(kāi)95Hz ～110Hz 的范圍；

（2）定子繞組引線的固有頻率應(yīng)避開(kāi)95Hz ～106 Hz的范圍；

（3）發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)若裝有在線監(jiān)測(cè)裝置，定子繞組端部的振動(dòng)幅值應(yīng)小于 250μm。若振動(dòng)幅值大于250μm，應(yīng)發(fā)報(bào)警信號(hào)。若振動(dòng)幅值大于400μm，發(fā)電機(jī)應(yīng)盡快停機(jī)檢查、處理；

（4）發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子端部倍頻振動(dòng)位移峰一峰值的變化大于100μm時(shí)應(yīng)發(fā)報(bào)警信號(hào)，并加強(qiáng)監(jiān)視；

（5）發(fā)電機(jī)型式試驗(yàn)時(shí)空載或短路狀態(tài)下的振動(dòng)位移峰一峰值應(yīng)小于 100μm。這些規(guī)定對(duì)避開(kāi)共振，控制振幅，提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性是很有效的，并在200～600MW發(fā)電機(jī)制造和運(yùn)行中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

圖1 上海電機(jī)廠1000MW汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組支撐結(jié)構(gòu)

圖2 東方、哈爾濱電機(jī)廠1000MW汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組支撐結(jié)構(gòu)

3 引進(jìn)型1000MW汽輪發(fā)電機(jī)端部模態(tài)現(xiàn)狀

從目前掌握的端部模態(tài)技術(shù)數(shù)據(jù)來(lái)看，引進(jìn)型國(guó)內(nèi)制造的1000MW汽輪發(fā)電機(jī)端部模態(tài)絕大多數(shù)均不能符合上述國(guó)標(biāo)中的相關(guān)規(guī)定，主要表現(xiàn)為：

（1）汽端未避開(kāi)94Hz～115Hz范圍的固有頻率且振型為橢圓形；

（2）勵(lì)端未避開(kāi)94Hz～115Hz范圍的固有頻率且振型為橢圓形；

（3）汽勵(lì)兩端均未避開(kāi)94Hz～115Hz的范圍。例如東方電機(jī)廠制造的某電廠4號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)，如表2和表3所示，上海電機(jī)廠制造的某電廠6號(hào)機(jī)模態(tài)數(shù)據(jù)，如圖3所示。

表2 東方電機(jī)廠制造某電廠整體模態(tài)

表3 東方電機(jī)廠制造某電廠引線頻率

圖3 上海電機(jī)廠制造的某電廠6號(hào)機(jī)模態(tài)數(shù)據(jù)

因外方未進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓?zhuān)瑖?guó)內(nèi)制造廠均不能提供本型機(jī)型式試驗(yàn)技術(shù)數(shù)據(jù)，咨詢(xún)國(guó)外制造商后均回復(fù)機(jī)型成熟、未有端部磨損案例報(bào)告。

4 引進(jìn)型 1000MW 汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況及端部振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)投運(yùn)的1000MW汽輪發(fā)電機(jī)已有三十余臺(tái)，最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間已近10年。其中有上海電機(jī)廠（引進(jìn)西門(mén)子技術(shù)）、東方電機(jī)廠（引進(jìn)日立技術(shù)）和哈爾濱電機(jī)廠（引進(jìn)東芝技術(shù)）。從目前國(guó)內(nèi)在役的百萬(wàn)汽輪發(fā)電機(jī)實(shí)際振動(dòng)磨損檢查情況看，雖然發(fā)電機(jī)端部模態(tài)絕大多數(shù)均不能符合國(guó)標(biāo)要求，但總體運(yùn)行狀況是好的，未見(jiàn)有端部松動(dòng)、磨損案例的報(bào)告。

（1）百萬(wàn)機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)實(shí)測(cè)情況

為掌握模態(tài)試驗(yàn)不符合國(guó)標(biāo)的1000MW發(fā)電機(jī)端部實(shí)際振動(dòng)數(shù)據(jù)，分別在東方電機(jī)廠和上海電機(jī)廠制造的1000MW汽輪發(fā)電機(jī)上安裝了端部振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表4和表5所示。

表4 東方電機(jī)廠制造的某電廠4號(hào)百萬(wàn)汽輪發(fā)電機(jī)在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 單位：μm

表5 上海電機(jī)廠制造的某電廠6號(hào)百萬(wàn)汽輪發(fā)電機(jī)在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 單位：μm

從實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，檢測(cè)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)“發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子繞組端部的振動(dòng)幅值應(yīng)小于250um”的要求。東方電機(jī)廠制造的百萬(wàn)發(fā)電機(jī)在線振動(dòng)數(shù)據(jù)符合常理，即振動(dòng)數(shù)據(jù)隨負(fù)荷增加而增長(zhǎng)；上海電機(jī)廠制造的百萬(wàn)發(fā)電機(jī)在線振動(dòng)數(shù)據(jù)卻不符常理，即振動(dòng)數(shù)據(jù)隨負(fù)荷增加而減小，檢查探頭安裝及測(cè)量數(shù)據(jù)均無(wú)誤（用標(biāo)準(zhǔn)表校核數(shù)據(jù)），對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)一步跟蹤分析；發(fā)電機(jī)端部固有頻率是由其端部質(zhì)量和固定結(jié)構(gòu)剛度所決定的。對(duì)于同一設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、同一施工工藝的發(fā)電機(jī)，在排除工藝分散性造成的影響后，端部固有頻率是相對(duì)固定的。上述三公司端部固定結(jié)構(gòu)均采用剛?cè)峁潭ńY(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)能有效吸收或緩解端部振動(dòng)能量，是目前經(jīng)實(shí)踐證明較為成熟的端部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，雖模態(tài)試驗(yàn)不能滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)的要求，但實(shí)際監(jiān)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)和多臺(tái)機(jī)組實(shí)際檢查未見(jiàn)異常。

（2）發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)

經(jīng)了解，發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)目前無(wú)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，幾個(gè)著名制造商和部分國(guó)家關(guān)于汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6。

表6 有關(guān)汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)單位μm

模態(tài)試驗(yàn)不合格只是預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行中可能會(huì)發(fā)生共振，由于實(shí)際運(yùn)行中受溫度變化和共振峰帶寬的影響并不一定共振，同時(shí)由于振動(dòng)阻尼的影響，振動(dòng)幅值是否超標(biāo)也與共振與否無(wú)必然聯(lián)系，上世紀(jì)九十年代初，我國(guó)引進(jìn)的原蘇聯(lián)500MW及800MW汽輪發(fā)電機(jī)雖端部模態(tài)符合國(guó)標(biāo)要求，但因其端部固定結(jié)構(gòu)的先天性缺陷，導(dǎo)致松動(dòng)、磨損事故頻發(fā)，以至于不得不改變端部固定結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

（1）判定發(fā)電機(jī)定子繞組端部是否存在影響安全運(yùn)行的振動(dòng)問(wèn)題，唯一和最終判據(jù)是實(shí)際運(yùn)行時(shí)的振幅值。由于模態(tài)試驗(yàn)屬于靜態(tài)試驗(yàn)，僅是間接預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)是否可能在運(yùn)行中產(chǎn)生共振，不能肯定振動(dòng)幅值一定超標(biāo)。因此，也就不能把模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果作為發(fā)電機(jī)能否投運(yùn)的決定性判據(jù)。實(shí)際上，是否共振還與定子繞組結(jié)構(gòu)、運(yùn)行溫度等有關(guān)。

（2）只要制造廠嚴(yán)格按引進(jìn)技術(shù)施工，同時(shí)做好端部結(jié)構(gòu)緊固件的防松措施，即使1000MW汽輪發(fā)電機(jī)端部模態(tài)不能完全符合現(xiàn)行GB/T 20140-2006《透平型發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)試驗(yàn)方法及評(píng)定》中對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)特性的有關(guān)要求，只要監(jiān)測(cè)運(yùn)行中發(fā)電機(jī)端部實(shí)際振動(dòng)數(shù)值不超過(guò)國(guó)標(biāo)要求，由于阻尼較強(qiáng)，即使存在危險(xiǎn)的固有頻率和橢圓振形，發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行還是有保障的。相同結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)完全具有可借鑒性。

（3）鑒于百萬(wàn)千瓦級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)在這方面出現(xiàn)的新情況，建議及時(shí)修訂GB/T 20140-2006《透平型發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)試驗(yàn)方法及評(píng)定》。

[1]GB/T 20140-2006, 透平型發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)試驗(yàn)方法及評(píng)定[S].

[2]暢雅平, 鄭寶珍, 等. 國(guó)產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)研究[J]. 大電機(jī)技術(shù). 2002 (6).

[3]白亞民, 葛海濱, 曾芳, 等. 兩臺(tái)進(jìn)口 600MW 汽輪發(fā)電機(jī)防止定子繞組端部損壞的技術(shù)改造措施[J]. 大電機(jī)技術(shù). 2004(7).