殷風(fēng)軍，蔣 波，林衛(wèi)武

(廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司，廣東 惠州 516363)

1000MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障診斷及處理

殷風(fēng)軍，蔣 波，林衛(wèi)武

(廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司，廣東 惠州 516363)

介紹了某1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)在內(nèi)部短路事故處理后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸振發(fā)生異常的情況，分析得出振動(dòng)故障的主要原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子材質(zhì)缺陷而導(dǎo)致其受熱后產(chǎn)生彎曲。通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)施熱態(tài)動(dòng)平衡，使各軸承振動(dòng)均達(dá)到了優(yōu)良水平。

汽輪發(fā)電機(jī)；匝間短路；熱態(tài)動(dòng)平衡；轉(zhuǎn)子振動(dòng)

0 引言

某廠2×1 000 MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組由上海電氣集團(tuán)引進(jìn)西門子公司技術(shù)生產(chǎn)，汽輪機(jī)型號(hào)為N1000-26.25/600/600(TC4F)，發(fā)電機(jī)型號(hào)為THDF125/67，采用水—?dú)洹獨(dú)淅鋮s方式。2011-01-26，該廠2號(hào)機(jī)組首次并網(wǎng)，在帶負(fù)荷至271 MW時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)生短路事故。

1 機(jī)組軸系簡(jiǎn)介及故障現(xiàn)象

該機(jī)組軸系由1根高壓轉(zhuǎn)子(HP)、1根中壓轉(zhuǎn)子(IP)、2根低壓轉(zhuǎn)子(LP1，LP2)、1根發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(G)、1根勵(lì)磁小軸(EX)以及8個(gè)支撐軸承組成。該機(jī)組的軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示，各轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速如表1所示。

圖1 軸系結(jié)構(gòu)

2011-01-26，2號(hào)機(jī)組首次并網(wǎng)帶負(fù)荷至271 MW時(shí)，在發(fā)電機(jī)定子出線盒內(nèi)發(fā)生出線端三相短路故障，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)接地故障。隨后，安裝單位和制造廠處理故障，其中發(fā)電機(jī)定子部分在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，轉(zhuǎn)子部分返廠修理，并將所有的線棒都進(jìn)行了更換。故障處理后，2號(hào)機(jī)組于2011-04-21開始168 h試運(yùn)，在試運(yùn)期間，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在振動(dòng)隨負(fù)荷的異常升高而異常攀升的現(xiàn)象。

表1 機(jī)組軸系臨界轉(zhuǎn)速 r/min

振動(dòng)特征主要有以下幾點(diǎn)：

(1) 機(jī)組定速或空載時(shí)，7，8號(hào)軸承的軸振最大值約為70 μm；

(2) 機(jī)組帶負(fù)荷后，7，8號(hào)軸承的軸振在負(fù)荷500 MW以上時(shí)隨著負(fù)荷升高而快速提升，最大軸振值分別達(dá)到220 μm和130 μm，在負(fù)荷降至500 MW以下時(shí)，軸振開始快速回落；

(3) 當(dāng)負(fù)荷升至某一工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)(轉(zhuǎn)子電流一定)，7，8號(hào)軸承的軸振仍呈上升趨勢(shì)，近3 h后，振動(dòng)才能完全穩(wěn)定；

(4) 發(fā)電機(jī)各軸承的瓦振較小，且隨負(fù)荷變化量較小；

(5) 發(fā)電機(jī)各軸承的軸振以工頻成分為主；

(6) 在振動(dòng)幅值波動(dòng)過程中，其相位變化不大，且各工況下的振動(dòng)具有較好的重復(fù)性。

2 故障原因分析

根據(jù)振動(dòng)特征可以看出，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在較大的基頻熱變量。因勵(lì)磁小軸在事故前平衡狀況良好，所以猜測(cè)7，8號(hào)軸振熱變量大的主要原因可能為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲。但因該發(fā)電機(jī)曾發(fā)生過內(nèi)部短路事故，經(jīng)歷過大量的修復(fù)工作，所以對(duì)造成轉(zhuǎn)子熱不平衡振動(dòng)的原因存在爭(zhēng)議。因此，對(duì)可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱不平衡振動(dòng)的幾種常見原因進(jìn)行了分析。

2.1 冷卻系統(tǒng)故障

對(duì)于氫內(nèi)冷發(fā)電機(jī)，通風(fēng)孔是轉(zhuǎn)子熱交換的主要風(fēng)路通道，通風(fēng)孔變形、雜物堵塞等會(huì)引起通風(fēng)孔通流面積減小，這將破壞冷卻的對(duì)稱性，使轉(zhuǎn)子橫截面的溫度不對(duì)稱，進(jìn)而引起熱彎曲。

該故障的特點(diǎn)是：隨著氫溫的升高，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻效果會(huì)變差，但轉(zhuǎn)子不對(duì)稱冷卻程度就相對(duì)減小，最終導(dǎo)致熱不平衡振動(dòng)減小。

為此，進(jìn)行了變氫溫試驗(yàn)，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)7，8號(hào)軸承振動(dòng)與氫溫變化的相關(guān)性不大。另外，在2012年2月機(jī)組大修時(shí)，再次將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返廠進(jìn)行檢修，也沒有發(fā)現(xiàn)通風(fēng)孔有變形、堵塞現(xiàn)象，因此可以判斷該轉(zhuǎn)子熱不平衡振動(dòng)并不是由冷卻系統(tǒng)故障誘發(fā)的。

2.2 轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻

發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流建立，勵(lì)磁電流通過繞組并加熱線圈，線圈受熱后向兩端膨脹。如果這種膨脹不受約束，并不會(huì)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而在旋轉(zhuǎn)過程中線槽中的銅線承受巨大離心力，使線圈緊貼在槽楔和護(hù)環(huán)的內(nèi)壁，導(dǎo)致結(jié)合面存在很大的摩擦力，阻礙線圈膨脹；如果有些線槽中的線圈完全膨脹出來(lái)，膨脹受阻的線圈將產(chǎn)生一個(gè)反作用力，通過槽楔和護(hù)環(huán)作用在轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)子彎曲。

該故障的特點(diǎn)是：線圈膨脹量隨著轉(zhuǎn)子電流增大而加大，這類振動(dòng)總體上與電流大小有關(guān)。但由于存在一定的摩擦力，線圈受熱膨脹及冷卻收縮均會(huì)受阻，2者都可以引起轉(zhuǎn)子的彎曲。所以當(dāng)轉(zhuǎn)子電流增加后振動(dòng)上升，但電流恢復(fù)到初始狀態(tài)時(shí)，振動(dòng)不會(huì)完全恢復(fù)，往往更高。另外，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，這類故障隨著線圈多次膨脹、收縮后，會(huì)慢慢消失。而本案例中的轉(zhuǎn)子振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子電流跟隨性很好，且在運(yùn)行近1年后仍具有較好的重復(fù)性，因此可以判斷線圈膨脹受阻不是引發(fā)該轉(zhuǎn)子熱不平衡振動(dòng)的主要原因。

2.3 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路

因發(fā)電機(jī)短路，定子膛內(nèi)被污染，未被徹底清理的污染物可能會(huì)進(jìn)入轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽或其他部位，引起匝間短路。通過以下試驗(yàn)，并與轉(zhuǎn)子修后返回的交接試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，結(jié)果如下：

(1) 空載特性曲線與交接試驗(yàn)曲線符合性好；

(2) 轉(zhuǎn)子直阻與出廠值比較在合格范圍內(nèi)，且較出廠值略大，如表2所示；

(3) 轉(zhuǎn)子繞組靜態(tài)交流阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常；

(4) 轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)交流阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示；

(5) 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子繞組RSO脈沖試驗(yàn)顯示，正、負(fù)2條相應(yīng)曲線出現(xiàn)了不吻合部分，不吻合部分的電壓最大偏差接近250 mV；

(6) 用探測(cè)線圈波形法診斷出電極B第4號(hào)線圈存在疑似匝間短路故障；

(7) 靜態(tài)RSO脈沖試驗(yàn)合格(膛內(nèi)靜態(tài))；

(8) 極平衡試驗(yàn)合格(膛外靜態(tài))；

(9) 匝間電壓分布試驗(yàn)合格(膛外靜態(tài))，匝間電壓分布數(shù)據(jù)如表4所示。

表2 轉(zhuǎn)子直阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 動(dòng)態(tài)交流阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 匝間電壓分布數(shù)據(jù)

由上述試驗(yàn)結(jié)果得知，該轉(zhuǎn)子繞組具備動(dòng)態(tài)匝間短路特征，轉(zhuǎn)子繞組可能存在動(dòng)態(tài)匝間短路。為徹底查明轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路，在2012年機(jī)組大修時(shí)，將2號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子再次返廠檢修。在轉(zhuǎn)子全部繞組拆除過程中，未發(fā)現(xiàn)匝間絕緣過熱發(fā)黑、破損和通風(fēng)孔堵塞現(xiàn)象，線棒也未發(fā)現(xiàn)明顯過熱、放電痕跡，證明轉(zhuǎn)子繞組未發(fā)生過金屬性匝間短路。另外，從機(jī)械振動(dòng)角度來(lái)看，匝間短路產(chǎn)生的高溫將使滑動(dòng)層受損，影響線圈的膨脹，而且還可能產(chǎn)生不均勻的磁拉力。因此，由匝間短路誘發(fā)的振動(dòng)不僅具有線圈膨脹振動(dòng)特征，而且與勵(lì)磁電流成正相關(guān)性。這些均與該轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特征不符，所以匝間短路不是導(dǎo)致7，8號(hào)軸承軸振異常的主要原因。

2.4 轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均

轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均是指轉(zhuǎn)子鍛件的氣隙、夾雜、鼓泡等使轉(zhuǎn)子徑向纖維組織不均勻，導(dǎo)致材料的物理特性存在各向異性。這類問題通常由鍛件生產(chǎn)和熱處理過程中的缺陷引起。在機(jī)組運(yùn)行中，當(dāng)材質(zhì)各向異性的轉(zhuǎn)子受熱以后，轉(zhuǎn)軸將會(huì)產(chǎn)生不均勻的軸向或徑向膨脹，引起轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲，從而導(dǎo)致不平衡振動(dòng)。轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均導(dǎo)致的故障主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 轉(zhuǎn)子電流越大(與機(jī)組有功、無(wú)功負(fù)荷正相關(guān))，轉(zhuǎn)子的熱彎曲量越大，產(chǎn)生的不平衡振動(dòng)也就越大；

(2) 由于轉(zhuǎn)子材料物理特性的各向異性是一定的，其受熱時(shí)彎曲的方向不變，所以其振動(dòng)的相位基本維持不變；

(3) 材質(zhì)不均導(dǎo)致的熱彎曲一般具有可逆性，因此其誘發(fā)的不平衡振動(dòng)隨轉(zhuǎn)子電流的變化有較好的重復(fù)性；

(4) 由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量大，其對(duì)熱量的反應(yīng)具有一定的滯后性，因此振動(dòng)變化也會(huì)滯后于轉(zhuǎn)子電流的變化。

可以看出，該發(fā)電機(jī)7，8號(hào)軸承軸振異?，F(xiàn)象與轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均的振動(dòng)特征比較吻合。另外，從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子原始出廠動(dòng)平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如表5所示)和發(fā)電機(jī)短路故障返修后再出廠動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果(如表6所示)可以看出，2號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受熱后，測(cè)點(diǎn)D的振幅變化量達(dá)到77 μm，存在明顯的熱彎曲現(xiàn)象。如果計(jì)及振動(dòng)相位的影響，其振動(dòng)熱變量將更大。這也反映了該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子可能存在原始材質(zhì)不均勻的問題。

表5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子原始出廠動(dòng)平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù) μm

表6 發(fā)電機(jī)短路故障返廠檢修后再出廠動(dòng)平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)μm

2.5 定子三相短路對(duì)轉(zhuǎn)子熱不平衡的影響

該發(fā)電機(jī)發(fā)生三相短路事故的時(shí)間是在首次并網(wǎng)后不久，發(fā)電機(jī)在事故前并未滿負(fù)荷運(yùn)行過，沒有相關(guān)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，但短路事故對(duì)轉(zhuǎn)子材質(zhì)的影響不可忽略。短路時(shí)機(jī)組負(fù)荷為271 MW，在差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、GCB(Generator Circuit Breaker，發(fā)電機(jī)出口斷路器)跳開前，電網(wǎng)反送的功率也很高(機(jī)端三相短路電流最大時(shí)達(dá)到225 kA)，因此在發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生了極高的溫度，尤其是勵(lì)端轉(zhuǎn)子直接被高溫電弧沖擊時(shí)。轉(zhuǎn)子經(jīng)瞬間高溫沖擊后，其局部材質(zhì)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變異，使其物理特性存在各向異性，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子受熱后產(chǎn)生軸向或徑向不均勻膨脹，引發(fā)熱彎曲。

3 轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)動(dòng)平衡

在確認(rèn)誘發(fā)2號(hào)發(fā)電機(jī)7，8號(hào)軸承軸振異常的主要原因?yàn)檗D(zhuǎn)子材質(zhì)不均后，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了熱態(tài)動(dòng)平衡。在熱態(tài)動(dòng)平衡方案的計(jì)算中，考慮了空載及額定負(fù)荷工況下的振動(dòng)情況，并把定速、空載工況下的振動(dòng)幅值適當(dāng)增大、相位拉反，以補(bǔ)償高負(fù)荷工況下的振動(dòng)熱變量。2012-06-22，利用機(jī)組調(diào)停機(jī)會(huì)實(shí)施了現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)動(dòng)平衡試驗(yàn)，在勵(lì)磁風(fēng)扇環(huán)上135°處加重1 135 g，在勵(lì)發(fā)對(duì)輪304°，329°和355°處加重792 g，950 g和950 g。實(shí)施熱態(tài)動(dòng)平衡后，7，8號(hào)軸承的軸振在各負(fù)荷下達(dá)到了優(yōu)良水平，同時(shí)也較好地兼顧了空載情況下的振動(dòng)情況，軸振幅值及相位變化如表7所示。

表7 加重前后，7，8號(hào)軸振幅值及相位變化(基頻∠相位，單位：μm∠°)

4 結(jié)論

(1) 引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的原因很多，需根據(jù)振動(dòng)特點(diǎn)和有關(guān)試驗(yàn)情況進(jìn)行綜合分析并逐一排除。在分析轉(zhuǎn)子熱致不平衡振動(dòng)的時(shí)候，往往將重點(diǎn)放在轉(zhuǎn)子存在匝間短路上，而忽視了轉(zhuǎn)子存在材質(zhì)缺陷而導(dǎo)致振動(dòng)異常的可能。

(2) 轉(zhuǎn)子返廠修理后，一定要在制造廠轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)上做好熱態(tài)動(dòng)平衡試驗(yàn)(模擬滿負(fù)荷工況下轉(zhuǎn)子運(yùn)行溫度)。

(3) 該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子因材質(zhì)不均而引起較大的原始熱彎曲，雖然原始出廠時(shí)熱態(tài)動(dòng)平衡試驗(yàn)合格，但實(shí)際運(yùn)行情況中存在較大偏差。因此，針對(duì)存在較大熱彎曲的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，有關(guān)出廠前的熱態(tài)動(dòng)平衡試驗(yàn)方法還需進(jìn)一步研究、改進(jìn)，以使其盡量符合實(shí)際工況。

(4) 發(fā)電機(jī)三相短路的電、熱、機(jī)械應(yīng)力對(duì)轉(zhuǎn)子的平衡有不利影響，因此應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行防止發(fā)電機(jī)短路的反事故措施，防止發(fā)電機(jī)短路故障的發(fā)生。

1 謝 江，吳華盛.某1 000 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障的診斷及治理[J].電力安全技術(shù)，2014，16(7)：12-14.

2 張學(xué)延.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)診斷［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

3 寇勝利.汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)及現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

4 張學(xué)延，楊壽敏，張衛(wèi)軍，等.汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子材質(zhì)缺陷引起的振動(dòng)問題[J].中國(guó)電力，2010，43(5)：38-42.

2016-10-15，

2016-12-01。

殷鳳軍(1967—)，男，工程師，主要從事火電廠生產(chǎn)管理等工作，email：172567276@qq.com。

蔣 波(1983—)，男，高級(jí)工程師，主要從事電廠熱力系統(tǒng)節(jié)能與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等方面的研究。

林衛(wèi)武(1983—），男，助理工程師，主要從事火電廠設(shè)備檢修管理工作。