顧凱凱
摘要:大型發(fā)電機振動故障有很多類型,熱彎曲是比較常見的振動故障,其主要原因包括材質(zhì)問題、冷卻系統(tǒng)故障、轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻、匝間短路等。本文以某1000MW汽輪發(fā)電機為例,對發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動故障的診斷及處理進行分析探討。
關(guān)鍵詞:發(fā)電機;轉(zhuǎn)子;振動故障;診斷;處理
1機組簡介
某廠2×1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機組由上海發(fā)電機廠與德國西門子公司聯(lián)合設(shè)計生產(chǎn)。發(fā)電機型號為THDF125/67,采用水—氫—氫冷卻方式。勵磁系統(tǒng)采用靜態(tài)勵磁和無刷勵磁2種方式。機組軸系由5個徑向橢圓軸承支撐,高壓轉(zhuǎn)子為雙支撐結(jié)構(gòu),中壓和低壓轉(zhuǎn)子為單支撐結(jié)構(gòu),發(fā)電機轉(zhuǎn)子和勵端小軸為三支承結(jié)構(gòu),各轉(zhuǎn)子間均用剛性聯(lián)軸器連接,其軸系布置如見圖1所示。
2發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動故障的診斷及處理
2.1振動現(xiàn)象
機組自投入生產(chǎn)以來,發(fā)電機在整個沖轉(zhuǎn)過程中,振動良好,無異常振動特征。發(fā)電機在機組初定速以及初帶負荷的時候,5號瓦、6號瓦振動均小于80μm且振動穩(wěn)定;但隨著機組負荷逐漸升高,5號瓦、6號瓦振動也隨之升高,當機組升至滿負荷時,5號瓦、6號瓦振動最大為150μm;當機組負荷下降時,5號、6號瓦振動也隨之下降。
2.2可能導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)子熱不平衡振動的幾種常見原因
(1)冷卻系統(tǒng)故障。對于氫內(nèi)冷發(fā)電機,通風孔是轉(zhuǎn)子熱交換的主要風路通道,通風孔變形、雜物堵塞等會引起通風孔通流面積減小,這將破壞冷卻的對稱性,使轉(zhuǎn)子橫截面的溫度不對稱,進而引起熱彎曲。該故障的特點是:隨著氫溫的升高,發(fā)電機轉(zhuǎn)子的冷卻效果會變差,但轉(zhuǎn)子不對稱冷卻程度就相對減小,最終導(dǎo)致熱不平衡振動減小。
(2)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路。由于發(fā)電機短路,定子膛內(nèi)被污染,沒有被徹底清理的污染物可能會進入轉(zhuǎn)子通風槽或其他部位,從而引起匝間短路。
(3)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。在機組運行中,當材質(zhì)各向異性的轉(zhuǎn)子受熱以后,轉(zhuǎn)軸將會產(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。轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均導(dǎo)致的故障主要有以下幾個特點:①轉(zhuǎn)子電流越大(與機組有功、無功負荷正相關(guān)),轉(zhuǎn)子的熱彎曲量越大,產(chǎn)生的不平衡振動也就越大;②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)的不平衡振動隨轉(zhuǎn)子電流的變化有較好的重復(fù)性;③由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量大,其對熱量的反應(yīng)具有一定的滯后性,因此振動變化也會滯后于轉(zhuǎn)子電流的變化;④由于轉(zhuǎn)子材料物理特性的各向異性是一定的,其受熱時彎曲的方向不變,所以其振動的相位基本維持不變。
(4)轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻。發(fā)電機的磁場由轉(zhuǎn)子繞組的勵磁電流建立,勵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,膨脹受阻的線圈將產(chǎn)生一個反作用力,通過槽楔和護環(huán)作用在轉(zhuǎn)子上,使轉(zhuǎn)子彎曲。
2.3振動相關(guān)試驗
為了進一步查明根本原因,對機組先后進行了變氫溫試驗、變密封油試驗、變有功試驗、變無功試驗。在變氫溫試驗、變密封油溫試驗、變無功試驗過程中,5號、6號、7號瓦振動幅值和角度均無明顯變化,振動基本保持穩(wěn)定。在進行變有功功率試驗時,隨負荷增加5號、6號、7號瓦軸承出現(xiàn)明顯爬升,試驗測試數(shù)據(jù)見表1。
變氫溫試驗、變密封油溫試驗、變無功試驗的結(jié)果表明:試驗對5號瓦、6號瓦、7號瓦振動無明顯影響,基本可以排除冷卻系統(tǒng)故障、線圈膨脹受阻、匝間短路等故障。根據(jù)軸系布置圖,5號瓦為低壓缸后軸承,6號瓦、7號瓦為發(fā)電機前后軸承,隨著機組負荷升至高負荷時,5號瓦、6號瓦振動上升幅度較大,6號瓦、7號瓦相位增大。根據(jù)這些振動特點,判斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均、受熱不均勻,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱彎曲和低發(fā)對輪中心產(chǎn)生偏差的可能性較大。
2.4振動處理措施
根據(jù)以上診斷結(jié)果,決定在機組停機之后,對其進行汽發(fā)對輪中心重新校正對中,并在汽發(fā)對輪上進行現(xiàn)場動平衡。經(jīng)計算,在汽發(fā)對輪上加重1.04kg逆轉(zhuǎn)向120°的平衡塊,降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子在高負荷時熱彎曲的振動,兼顧發(fā)電機空載時的振動,同時根據(jù)廠家要求對汽發(fā)對輪中心等安裝參數(shù)重新進行調(diào)整和對中。經(jīng)過現(xiàn)場動平衡和汽發(fā)對輪中心調(diào)整后,機組再次啟動,空載時,機組發(fā)電機前后軸振均小于60μm,振動處于優(yōu)良水平;機組逐漸帶至高負荷,5號、6號、7號瓦振動平穩(wěn),未出現(xiàn)振動異常波動,振動問題得到解決。
3結(jié)論
(1)引起發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動的原因很多,需根據(jù)振動特點和有關(guān)試驗情況進行綜合分析并逐一排除。在分析轉(zhuǎn)子熱致不平衡振動的時候,往往將重點放在轉(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)子試驗臺上做好熱態(tài)動平衡試驗(模擬滿負荷工況下轉(zhuǎn)子運行溫度)。(3)該發(fā)電機轉(zhuǎn)子因材質(zhì)不均而引起較大的原始熱彎曲,雖然原始出廠時熱態(tài)動平衡試驗合格,但實際運行情況中存在較大偏差。因此,針對存在較大熱彎曲的發(fā)電機轉(zhuǎn)子,有關(guān)出廠前的熱態(tài)動平衡試驗方法還需進一步研究、改進,以使其盡量符合實際工況。(4)發(fā)電機三相短路的電、熱、機械應(yīng)力對轉(zhuǎn)子的平衡有不利影響,因此應(yīng)嚴格執(zhí)行防止發(fā)電機短路的反事故措施,防止發(fā)電機短路故障的發(fā)生。
參考文獻:
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(作者單位:中機國能電力工程有限公司)