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        某燃氣機組發(fā)電機集電環(huán)燒損事故分析

        2022-10-15 01:25:30鵬,陳
        東北電力技術(shù) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:發(fā)電機振動

        崔 鵬,陳 帥

        (1.華能河南中原燃氣發(fā)電有限公司,河南 駐馬店 463000;2.池州學院,安徽 池州 247100)

        在發(fā)電廠中,發(fā)電機集電環(huán)是勵磁電流匯聚的關(guān)鍵設(shè)備,和燃煤機組不同的是,燃氣機組出于結(jié)構(gòu)設(shè)計和用地的限制,機組布置以單軸布置居多,其集電環(huán)處于發(fā)電機和汽輪機之間,是機組大軸系的中心,因此其受軸系的影響也較大[1]。本文介紹了某燃機電廠一起發(fā)電機集電環(huán)燒損事故,詳細闡述了檢查過程和分析思路,重點分析了軸系振動對集電環(huán)的影響,并提出了改進措施。

        1 設(shè)備概況

        某燃機電廠采用西門子V94.3A型燃氣輪機,發(fā)電機型號THDF 108/53,汽輪機型號TCF-1,出口電壓21 kV,額定功率390 MW,主接線采用擴大型單元接線。機組采用燃機-發(fā)電機-汽輪機單軸布置,軸系由燃氣輪機轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、汽輪機高壓轉(zhuǎn)子、中低壓轉(zhuǎn)子以及8個支持軸承組成,燃氣輪機和發(fā)電機采用雙支撐結(jié)構(gòu),汽輪機采用三支撐結(jié)構(gòu),汽輪機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間采用SSS離合器連接。機組軸系如圖1所示。

        機組自西向東布置依次為汽輪機中低壓缸、高壓缸、SSS離合器、集電環(huán)、發(fā)電機、中間軸、燃氣輪機,軸承排列為L8、L7、L6、L5、L4、L3、L2、L1,轉(zhuǎn)子排列為汽輪機中低壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子、集電環(huán)短軸、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、燃機和發(fā)電機中間軸、燃氣輪機轉(zhuǎn)子,SSS離合器兩側(cè)軸承為L6、L5,將整個軸系分為2段,集電環(huán)處于軸承L5、L4之間。

        勵磁系統(tǒng)采用他勵可控硅微機靜態(tài)勵磁,滿載勵磁電壓388 V,滿載勵磁電流3422 A,勵磁集電環(huán)正負極各配置摩根NCC634型碳刷36支。

        2 事故經(jīng)過

        某日,2號機組調(diào)峰運行中,共發(fā)電機有功功率380 MW,無功功率50 Mvar,發(fā)電機氫壓0.49 MPa,機組AGC控制方式,勵磁系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)模式,勵磁電流1644 A ,勵磁電壓236 V。機組運行工況穩(wěn)定,無重大操作。13:25左右,巡檢人員發(fā)現(xiàn)2號發(fā)電機集電環(huán)小室下方有火星,隨即報告運行值長,運行值長通知檢修人員進行就地檢查,檢查中發(fā)電機集電環(huán)出現(xiàn)環(huán)火,檢修人員遂通知運行人員降低機組負荷,在機組緊急降負荷過程中,集電環(huán)小室刷架(材質(zhì)為絕緣板)過熱冒出黑煙,同時環(huán)火造成進線電纜絕緣層老化,造成轉(zhuǎn)子回路一點接地,13:32,2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護動作,機組停機。

        機組停機后,檢修人員迅速打開勵磁滑環(huán)小室,使用滅火器對勵磁刷架進行滅火,同時降低發(fā)電機氫壓。滅火后,對發(fā)電機勵磁刷架、碳刷及滑環(huán)短軸進行檢查,發(fā)現(xiàn)集電環(huán)正極側(cè)的刷架燒損,其中靠近發(fā)電機側(cè),編號為2、3的2組碳刷受損最為嚴重(見圖2),2-4、2-5、3-4、3-5等4支碳刷刷架熔損,刷握掉落至地面,同時集電環(huán)正極表面被熔化的碳粉、刷架覆蓋成黑色。集電環(huán)負極除刷握顏色變深外無其他受損現(xiàn)象。

        從現(xiàn)場檢查中可以確認刷架正極已經(jīng)損壞,集電環(huán)正極表面附著有熔化的碳粉,很難清除,且對應(yīng)編號為2、3的2組碳刷位置的集電環(huán)表面有明顯凹痕,集電環(huán)軸無明顯損害跡象。經(jīng)電廠綜合評估,決定更換刷架和正極集電環(huán),由于集電環(huán)生產(chǎn)周期較長,后緊急從同類型電廠借到1根集電環(huán)短軸和刷架,更換完成后,機組于6日后恢復(fù)備用。

        3 原因分析

        發(fā)電機集電環(huán)主要包括勵磁刷架、碳刷及滑環(huán)短軸等幾部分,碳刷與集電環(huán)接觸電阻大、集電環(huán)通風不良、軸系振動大、設(shè)計和制造缺陷都可能引起碳刷打火[2]。事故發(fā)生后,電廠對當時使用的摩根NCC634型碳刷、刷握、集電環(huán)濾網(wǎng)進行了檢查,基本可以排除碳刷質(zhì)量不良、刷握壓緊彈簧彈力不足、通風濾網(wǎng)堵塞、通風不暢等原因。由于電廠集電環(huán)處于機組軸系的中心,受軸系兩側(cè)影響,考慮到當時2號發(fā)電機的軸振值一直保持在100 μm左右,超過了83 μm的報警值,因此考慮軸系振動對集電環(huán)的影響。

        一方面滑環(huán)固定在發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸上,碳刷安裝在刷架上,碳刷靠壓緊彈簧的壓力貼在滑環(huán)上,軸系振動大可以造成碳刷壓緊彈簧壓力降低;另一方面,發(fā)電機3000 r/min同步轉(zhuǎn)速時,其運行時的振動頻率即使是半倍頻,碳刷在刷握中的跳動頻率也是無法跟蹤上的,所以軸系振動大時,碳刷就像浮在滑環(huán)表面,造成二者接觸不良,振動越大,對接觸電阻的影響越大。機組運行時軸系振動情況如圖3所示。

        由圖3可以看出,事故發(fā)生前72 h,機組運行時,機組軸振一直在100 μm左右,L4軸瓦瓦振達到了200 μm左右,已顯著超過了正常運行范圍。從運行曲線中,有理由判斷長期的機組軸振超標導(dǎo)致L4軸瓦瓦振嚴重超標,加之SSS離合器的頻繁動作,最終導(dǎo)致應(yīng)力傳至集電環(huán)正負極,造成正極部分碳刷和滑環(huán)接觸不良,另一部分碳刷承擔的電流變大,造成局部過熱,最終造成環(huán)火。

        從全國同類型機組看,鄭州燃機、廈門燃機和蕭山燃機都曾發(fā)生過集電環(huán)燒損情況,燒損部位都是集電環(huán)正極,并且靠近發(fā)電機側(cè)的部位,可見該型集電環(huán)可能在設(shè)計和制造上就存在缺陷[3],具體體現(xiàn)在以下方面。

        a.刷架布局設(shè)計和安裝方式不合理。由于汽輪機、發(fā)電機、燃機同軸布置,滑環(huán)軸內(nèi)需要穿過汽機聯(lián)軸器,滑環(huán)直徑不得不加大,常規(guī)火電廠滑環(huán)軸直徑一般為350 mm,單軸燃機為500 mm,這就導(dǎo)致滑環(huán)線速度變高,更容易使碳刷發(fā)熱打火。同時這種刷架設(shè)計,碳刷被絕緣板封閉在刷架內(nèi),觀察不到碳刷和滑環(huán)結(jié)合面的情況,無法發(fā)現(xiàn)早期碳刷的打火,只有等范圍擴大時才能發(fā)現(xiàn)。

        b.碳刷電流密度過大。該電廠發(fā)電機額定勵磁電流3422 A,平均每只碳刷分攤電流95.1 A,NCC634型碳刷通過電流一般不要超過100 A,加上碳刷負溫度系數(shù)導(dǎo)電特效影響,導(dǎo)致機組高負荷時,碳刷分擔電流大,當部分碳刷接觸不良時,其他碳刷有可能因為過流導(dǎo)致超溫。

        c.刷握壓簧設(shè)計不合理。刷握壓簧采用非恒壓彈簧,在碳刷磨短過程中碳刷壓力變化較小,造成電刷與滑環(huán)接觸不穩(wěn)定,接觸壓降增大,碳刷過熱,同時由于碳刷批次不同,造成刷握壓簧壓力不均勻,致使各電刷電流分布不均。

        d.刷架和刷握制造工藝粗糙。刷握和刷架上的刷盒采用卡式固定,二者之間無緊固裝置,僅靠接觸導(dǎo)電,所以對其接觸面的加工工藝要求很高,目前國內(nèi)生產(chǎn)的刷握和刷架的加工工藝較差,運行中存在碳刷卡澀可能,加劇了電刷電流的不均勻及電刷發(fā)熱。

        4 暴露問題及改進措施

        a.設(shè)計和制造存在缺陷,主要體現(xiàn)在刷架和刷握結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理,制造工藝粗糙,運行中存在卡澀可能;刷握壓簧采用非恒壓彈簧,碳刷設(shè)計電流密度偏大;刷架安裝和固定方式不合理等方面。后期一方面與廠家商討刷架、刷握改進方案,從根本上消除隱患,防止類似事件的再次發(fā)生,另一方面增加在線監(jiān)測措施,在集電環(huán)罩殼內(nèi)和進出風道處安裝溫度測點,送至DCS進行溫度監(jiān)視,增加發(fā)電機滑環(huán)溫度高報警信號(轉(zhuǎn)子溫度大于90 ℃),保證運行人員能在第一時間發(fā)現(xiàn)故障信號,并采取處理措施,防止事故擴大。

        b.機組軸系振動超標,該電廠2號機組軸系振動超標問題已存在多時,主要由高壓缸引起,在軸系振動超標未得到徹底解決前,需要強化風險管控措施,當振動有持續(xù)增大趨勢時,及時調(diào)整頂軸油壓將振動控制在正常范圍內(nèi),同時建立軸系振動、發(fā)電機L4、L5軸承振動、滑環(huán)溫度的復(fù)合評估體系[4],當三者都超過一定值時,應(yīng)果斷降低機組負荷。

        c.設(shè)備維護巡查不到位,電廠人員日常維護質(zhì)量不高、巡檢頻次不夠,未能有效監(jiān)測集電環(huán)表面及刷握的溫度變化情況,導(dǎo)致設(shè)備異常未能及時發(fā)現(xiàn)、處理。應(yīng)加強對電刷及滑環(huán)的日常維護巡查,每班次對電刷及滑環(huán)進行檢查,用紅外熱成像儀監(jiān)測碳刷(刷握)、刷辮及滑環(huán)的表面溫度,測量碳刷長度,并作好分析記錄;每周對電刷接觸、磨損、彈簧壓力及電刷的卡阻情況進行檢查調(diào)整,當電刷磨損至小于1/2時及時更換[5];每半月定期清理滑環(huán)罩殼風道濾網(wǎng)、滑環(huán)、刷架及刷握內(nèi)的碳粉和灰塵等,保持滑環(huán)系統(tǒng)清潔,通風良好。

        5 結(jié)語

        本文對某燃機電廠一起發(fā)電機集電環(huán)燒損事故分析進行了分析,詳細闡述了檢查過程和分析思路,并根據(jù)暴露出的問題,提出了改進措施,對采用相同形式集電環(huán)的燃氣機組具有借鑒意義。

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