两台进口600MW汽轮发电机防止定子绕组端部损坏的技术改造措施.doc

两台进口600MW汽轮发电机防止定子绕组端部损坏的技术改造措施葛海滨（内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司） 摘要：两台日本进口的600MW大型汽轮发电机，投产之前发现设备质量存在问题，定子绕组端部共振特性试验结果不满足订货合同，为此我们对相关的发电机定子绕组端部振动问题进行了深入研究，为保证设备能够长期安全稳定运行，我们与日方共同在发电机上采取了一些必要的技术改造措施。本文介绍了技术改造的经过和实际效果。关键词：发电机定子绕组端部振动特性试验振动在线监测1引言发电机定子绕组损坏是严重威胁电网安全运行的重大设备故障，因修复难度大和抢修时间长，往往给发电企业造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。在原国家电力公司发布的防止电力生产重大事故的二十五项重点要求1中特别述及了防止发电机定子绕组端部损坏事故的具体措施，强调了应当避免发电机定子绕组端部存在双倍工频的共振问题。2002年托克托发电公司一期工程两台日立公司生产600MW汽轮发电机安装调试期间，发现定子绕组端部汽侧和励侧都存在100Hz左右的模态频率，而且振型为椭圆，没有达到原订货合同中规定的“共振频率应避开95Hz108Hz”的要求，也不符合我国电力行业标准DL/T 735-2000大型汽轮发电机定子绕组端部动态特性的测量及评定2对新投产机组的规定：绕组端部应避开94Hz115Hz固有频率的要求。为了进一步确认该发电机实际情况，中日双方共同对发电机定子绕组端部的固有频率和模态进行了对比性测试。试验结果如下表：表1日立公司和华北电科院对两台发电机的试验数据对比表试验单位测点位置汽侧励磁模态阶数123123日立公司1号机模态频率，Hz97.47107.7139.2阻尼，%0.61.741.61振型椭圆椭圆3瓣华北电科院模态频率，Hz97.52107.2132.691.999.1110.6阻尼，%1.241.042.130.691.391.93振型椭圆椭圆不规则椭圆椭圆3瓣日立公司2号机模态频率，Hz102.6111.294.3102.7振型椭圆椭圆椭圆椭圆华北电科院模态频率，Hz101.0110.194.3103.8振型椭圆椭圆椭圆椭圆从试验结果可以看出，中日双方的试验仪器完全不同，测试方法也不完全一样，但试验结果非常接近，在判断发电机定子绕组端部的动态特性方面没有原则和本质上的区别，试验结果是可靠的，都表明两台发电机存在定子绕组端部振动特性问题，即接近100Hz的椭圆振型使得发电机运行时可能产生共振现象，由此可能造成绕组端部振动过大，可能进一步引发定子绕组损坏事故。为此，中日双方对这两台发电机可能存在的问题和能够采取的技术改造措施进行了深入细致的研究，最后确定了安装光纤测振装置，实时在线监测发电机定子绕组端部振动的技术措施。这两台发电机的运行实践，使我们加深了对定子绕组端部振动特性问题的理解，其技术改造措施对确保发电机安全运行起到了关键作用，我们的实践相信对其它电厂的发电机试验和检修人员也有一定参考和指导意义，特把有关情况汇总如下。2对发电机定子绕组端部动态特性试验数据的分析2.1与同型发电机的类比调查据了解，邹县电厂的两台日立600MW发电机自1996年和1997年投产，至今运行良好。根据日立公司的介绍，为托克托电厂生产的600MW发电机与邹县电厂的日立600MW发电机基本电气参数都一样，但定子绕组端部结构在水电接头内部做了重大改动，把原来的水电分路改成重量较轻的水电同路结构，端部的紧固方式也有一定改进，因此两种发电机的端部动态特性完全不同，在共振问题上无可比性。故邹县的发电机运行已经6年多（5号机1996年11月投运、6号机1997年11月投运），并且经过大修检查未见异常，不能说明托电的发电机没问题。托电的发电机属于局部新设计机型，第一台1998年12月在新加坡投产，根据日立公司的出厂试验结果，新机型的定子绕组端部对振动冲击力的响应明显降低，耐受冲击能力较强。但新加坡的日立发电机运行时间依然较短，还不足以完全暴露振动问题，根据我们的运行经验，振动问题产生的松动和磨损现象短则数月，一般一年左右有可能使振动问题基本暴露出来，故国际大电网会议曾建议投产第一年后要检查端部结构。新加坡的两台发电机一台98年12月投运，2000年2月抽转子检查；另一台机99年9月投运，2000年11月抽转子检查，现在仍正常运行，此例对说明该机型不会在较短时间（23年）内即发生振动问题，有较强说服力，但毕竟停机检查间隔仍然较短，根据经验，有的发电机也有可能运行更长时间才暴露松动和磨损的振动问题，故不能认为该发电机今后长期运行一定不会发生振动问题。2.2固有频率试验数据与实际运行时振动状况的关系固有频率与激振力频率接近时物体会发生共振，发电机的电磁激振力是100Hz，振型为椭圆，所以应该避免发电机定子绕组端部存在接近100Hz的固有频率。发电机模态试验是测量定子绕组端部的固有频率和振型，当确认存在100Hz左右的椭圆振型时说明有可能与运行中的电磁激振力产生共振，众所周知，只要共振振动幅值就会急剧增大。深入的研究需要首先解决两个疑问，一个是固有频率试验不合格是否表明发电机一定会共振，另一个是如果共振了振动振幅是否一定超过安全标准限度。第一个问题并不难回答，理论和实践都证明实际并不一定共振。因为共振与共振峰带宽有关系，当固有频率接近共振频率时，只要仍未进入共振峰带宽中心区就形不成共振，发电机定子绕组端部共振峰带宽一般为（1Hz2Hz），也就是说频率差几个Hz左右就可能形不成共振。正因为这样，如果试验数据表明固有频率远离共振频率，则发电机肯定是安全的，这也是该试验的重要性所在。其次，固有频率与温度有关系，发电机定子绕组端部冷态测量的固有频率值，运行时可能下降1Hz10Hz，随不同结构和冷却方式而有所差异，（日立公司介绍了该机型的试验数据，在热态时固有频率下降了接近10个Hz）。因此，现有的模态试验数据并不表明运行时一定会产生共振，更不能说明定子绕组端部振动幅值就一定会超标。根据陡河电厂7号发电机的经验3，实测汽侧、励侧都存在107Hz左右的椭圆振型，安装振动在线监测装置已经5年了（1999年夏开始），没有振动超标，一般在100m以下，最大一点到过178m（哈尔滨电机厂最初给的振动报警监测临时标准是超过150m或突变超过50m注意观察，超过250m应减负荷并考虑停机检查），因实际情况较好，一般均低于报警限值，甚至达到制造厂的优级标准，故一直正常运行，由此说明模态试验不合格与振动幅值不合格之间无必然联系。第二个问题比较难于简单答复，涉及具体的振动结构和振动标准是否合理等问题。与振动幅值密切相关的振动特性参数“模态阻尼”表示对实际振动幅值的抑制力大小，1号发电机在100Hz以上的模态频率的阻尼都大于1，说明端部的紧固结构比较好，对振动具有较大的约束力。鉴于日方提供的冲击试验的数据非常理想，振动约束面的设计也比较先进，静态测量的模态阻尼也比较大，我们认为即使共振时振动幅值仍然不超过厂家规定的可能性是存在的，随后的振动监测证实了这一推测。但厂家提供的振动标准是否合理是另一个问题，需要比较多个厂家的标准，同时还要经过长期实践的检验。2.3试验数据能够说明的问题综上所述，判定一台发电机是否存在绕组端部振动过大问题，归根结底应当以实际振动幅值大小为准。由于模态试验属于静态试验，仅是间接预测发电机是否可能在运行中会产生共振，不能肯定振动幅值是否一定超标，因此也就不能把其试验结果作为发电机能否投运的决定性判据。正因为如此，现行的电力行业标准2，对实测出接近100Hz的固有频率的处理规定，是采取措施防止发生端部线棒损坏，并不是限定不能运行。总之，托克托电厂日立发电机静态试验数据表明了定子绕组端部存在共振的可能性，但实际是否共振还与定子绕组端部结构、运行温度等有关，确实存在不共振的可能性，而且即使共振了振幅也可能不超标，为此我们建议加装在线监测振动幅值的装置，发电机投入运行以后，根据振动振幅的实际情况再确定应当进一步采取的安全措施。3发电机定子绕组端部加装振动监测系统3.1测振系统简况由日立公司负责在发电机汽侧和励侧分别安装了四测点光纤传感器的振动测试系统。该系统的工作原理是，预埋在发电机定子绕组端部的振动传感器将振动信号变为光信号，通过光纤传输到外面的仪器主机，经过主机处理将光信号变为电信号，再传输到主控制室内的DCS上以便于运行人员的监视。光纤测振系统示意图见图1。图1光纤测振系统工作示意图3.2测振装置的整体布置图和测点的具体安装位置发电机定子端部整体呈中心对称，实际的振型是高速旋转的椭圆形，每根线棒的振幅与自身的阻尼和固有频率有关，不可能完全一样，但每根线棒的相似性又决定了差别应当比较小，在随机选定的任一根线棒的端部测到的数值都应该接近线棒平均振幅。为此，我们以安装方便为原则确定测点的位置，分别在汽侧和励侧两端各安装四个测点，安装位置见图2。除#2发电机有两个切向测点外，各测点测试方向均选为径向。每两个测点成对地布置在同一线棒的两侧，这是为了当测试数据出现异常时，可以对比查找原因，便于排除测点本身故障的误判。图2励侧（左图）和汽侧（右图）端部振动传感器安装布置图发电机试运期间就投入了该测振系统，对发电机定子绕组端部的振动幅值进行实时监测。4发电机定子绕组端部振动实测数据4.1发电机试运期间的实测数据表21发电机试运时振动最大值数据测试工况位置振幅m（峰-峰）时间三相短路I=17583A汽侧8线棒1452003.3.16，18:35空载U=22kV汽侧7线棒862003.3.17, 3:30负荷180MW 汽侧7线棒1002003.4.6, 15:30负荷300MW 汽侧8线棒1172003.4.19, 20:00负荷450MW 汽侧8线棒1552003.4.20, 14:30负荷585MW 汽侧8线棒1882003.4.20, 21:004.2发电机正常运行后的振动数据根据日立公司的建议，运行中设定最大振幅为250m时报警，达到400m时考虑停机处理。运行监测数据显示，在同一负荷情况下，同一测点的实测数据是稳定的，并且随负荷增加，振幅相应增大，符合端部振动的一般规律。在不同负荷情况下，两台机的最大测试数据见表3。表3发电机运行中实测振动幅值最大值数据机组号测试工况位置振幅m（峰-峰）时间1负荷300MW汽侧8线棒1202003.4.620负荷450MW汽侧8线棒1552003.4.620负荷600MW汽侧8线棒1882003.4.6202负荷280MW汽侧34线棒1252003.7.320负荷450MW汽侧34线棒1502003.7.320负荷600MW汽侧34线棒1852003.7.320#1发电机运行至2003年11月，汽侧7线棒上的测点出现异常，当低负荷时显示振动幅值数据超过180m，随负荷增加，幅值反而下降，经与其它测点对比分析，确认该测点已经损坏。4.3振动标准问题日立公司规定两台发电机端部在线振动装置的整定值为250m报警和达到400m安排停机。经了解发电机定子绕组端部振动在线监测目前没有统一的国际标准，表4是几个著名制造商和部分国家关于汽轮发电机振动监测标准。表4汽轮发电机定子绕组端部振动测试标准，单位m制造商或国家在线监测标准，初级报警/严重报警*出厂试验标准美国WH公司192/254短路试验数据加2倍空载试验数据254ABB公司200/400ALSTOM150/400或突变超过100空载和短路试验数据分别100前苏联125我国已报批标准*250/400或突变超过100空载和短路试验数据分别100注：*初级报警要注意监视振幅变化；严重报警需减负荷并考虑停机修理。 *2002年报批的机械行业标准透平型发电机定子绕组端部动态特性和振动试验方法及评定。对不同结构型式的发电机，定子绕组端部允许的振动幅值限值应当有一定差别，从表4中数据看，一般正常允许值在150m250m之间。从大型发电机运行经验来看，汽轮发电机一般在250m以下应当可以保证长期安全运行。我国已经报批的关于发电机定子绕组端部振动的机械行业标准，规定的比较详细，也便于运行人员操作执行，其具体规定如下：空载和短路试验时测量的倍频振动位移峰峰值分别应小于100m；正常运行时的监测值应小于250m；运行中处于250m400m应发报警信号，一般允许继续运行一段时间，在此期间查找振动原因，看振动能否稳定在某范围；当大于400m时应尽快停机处理，或减负荷使振动降至限值以下；当振动数据突变超过100m时应报警，不论是增大还是减小均应加强监视并查明原因。综合以上分析，日立公司规定250/400m作为监视发电机运行的判据，与国际著名发电机制造商的标准相同或接近，与我国现行行业标准相同。但应当说振动越小，发电机质量越高，日立标准明显偏于宽松，达到了一般规定的上限，感觉日立发电机的质量与国际先进水平似乎有一定差距。4.4试验数据分析根据上述振动标准的说明可以认为：1）表2数据表明，1发电机短路试验时的振动最大值为145m，已经超过我国发电机出厂试验小于100m的规定（即将颁布），也超过ALSTOM和WH公司的规定。说明可能存在共振现象。2）运行中带负荷的实测数据显示，振动值随负荷变化，同一发电机的同一侧多点测试结果也比较接近，说明振动数据可信。在满负荷时振动最大值达到185m188m，明显比一般发电机偏大（根据国内大型发电机的试验经验，一般约100m左右），尽管还在厂家规定允许范围内，但不能排除共振的影响。5结论5.1模态试验表明，托克托电厂1、2发电机定子绕组端部存在100Hz附近的模态频率和椭圆振型，因此运行中有可能与电磁力发生共振。5.2因为模态试验不合格只是预测发电机运行中可能会产生共振，实际运行中因温度变化影响和共振峰带宽的因素决定并不一定共振，同时由于振动阻尼的影响，振动幅值是否超标也与共振与否无必然联系，鉴于该机冲击试验结果比较理想，模态阻尼也比较大，确实存在着即使共振实际振幅不超标的可能。因此，模态试验结果只能作为发电机投运的监测参考，不能作为发电机是否投运的判据。5.3判定发电机定子绕组端部是否存在影响安全运行的