高磁軛水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行中存在的問題及應(yīng)對(duì)措施

喬進(jìn)國(guó)，趙曉嘉

（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南 大理 675702）

高磁軛水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行中存在的問題及應(yīng)對(duì)措施

喬進(jìn)國(guó)，趙曉嘉

（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南 大理 675702）

目前國(guó)內(nèi)大容量、高轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)組數(shù)量逐漸增多，其中大尺寸的高磁軛轉(zhuǎn)子由于壓緊難度大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)諸多問題。本文以小灣電廠機(jī)組運(yùn)行中存在的問題為例，從設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行方面提出相關(guān)問題的解決方案。

高磁軛；水輪發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子

目前國(guó)內(nèi)大容量、高轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)組數(shù)量逐漸增多，其中大尺寸的高磁軛轉(zhuǎn)子由于壓緊難度大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)諸多問題。本文以華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠（以下簡(jiǎn)稱“小灣電廠”）機(jī)組為例，探討如何通過設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行等方面的優(yōu)化來(lái)解決存在的問題。

1 小灣水輪發(fā)電機(jī)概述

小灣水電站正常蓄水位1 240 m，水庫(kù)總庫(kù)容149.14億m3、有效庫(kù)容98.95億m3，水庫(kù)具有不完全多年調(diào)節(jié)能力。電站地下廠房?jī)?nèi)安裝6臺(tái)單機(jī)容量為700 MW的立式水輪發(fā)電機(jī)組，電站多年平均發(fā)電量為189.9億kW·h。發(fā)電機(jī)制造難度系數(shù)（容量×飛逸轉(zhuǎn)速）為222 450，推力軸承制造難度系數(shù)（推力負(fù)荷×額定轉(zhuǎn)速）為514 100，均為世界第一，發(fā)電機(jī)及轉(zhuǎn)子主要參數(shù)見表1。

表1 小灣發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

小灣發(fā)電機(jī)總裝圖見圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)總裝圖

小灣轉(zhuǎn)子支架采取工地焊接主立筋、磁軛現(xiàn)場(chǎng)疊片、帶通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁軛拉緊螺桿外徑為φ55mm，磁軛墊片的拉緊螺桿孔直徑為φ55.25mm；安裝時(shí)轉(zhuǎn)子磁軛分7次預(yù)壓，疊壓系數(shù)不小于0.99，磁軛半徑偏差控制在±0.68 mm，磁軛周向波浪度≤6 mm，磁軛同一截面上內(nèi)外高度偏差≤4 mm，垂直度≤1.5 mm，磁軛熱打鍵緊量3 mm；磁極掛裝采用鴿尾結(jié)構(gòu)，用兩條鏈條鍵打緊，磁極掛裝后轉(zhuǎn)子實(shí)測(cè)半徑與設(shè)計(jì)半徑之差≤±1.02 mm；由于磁極較高，每?jī)蓚€(gè)磁極之間設(shè)有上下兩個(gè)極間支撐，將磁極連接為一整體。

2 高磁軛水輪發(fā)電機(jī)存在的主要問題及原因分析

2.1 磁軛錯(cuò)位

2015年拆除1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極后，發(fā)現(xiàn)磁軛沖片存在錯(cuò)位現(xiàn)象，最大錯(cuò)位達(dá)2 mm，37個(gè)C片在距磁極底部100～250 mm范圍內(nèi)斷裂，5個(gè)D片斷裂，部分墊片呈不規(guī)則麻花狀，磁極背面?zhèn)€別A、B片點(diǎn)焊位置開裂。小灣發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極墊片布置見圖2，磁軛沖片錯(cuò)位現(xiàn)象見圖3，磁極調(diào)整墊片斷裂情況見圖4。

圖2 小灣發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極墊片布置圖

圖3 磁軛沖片出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子6號(hào)磁極調(diào)整墊片斷裂

2.2 磁軛熱打緊余量不夠

在1號(hào)機(jī)組檢修過程中對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛上壓板進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)磁軛在主立筋處徑向位移達(dá)3 mm，機(jī)組過速前后在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的記錄顯示過速后磁軛徑向變形達(dá)3 mm。

修后首次開機(jī)到停機(jī)過程中轉(zhuǎn)子相關(guān)參數(shù)變化過程見圖5。圖中可以清楚地看到：轉(zhuǎn)子上部圓度隨轉(zhuǎn)速升高而增大，停機(jī)降速過程中轉(zhuǎn)子圓度沒有回復(fù)；轉(zhuǎn)子下部圓度也隨轉(zhuǎn)速升高而增大，停機(jī)降速過程中轉(zhuǎn)子圓度略有減小，但仍沒有回復(fù)。

圖5 小灣1號(hào)發(fā)電機(jī)從開機(jī)到停機(jī)轉(zhuǎn)子相關(guān)參數(shù)變化過程

1號(hào)機(jī)組開機(jī)過程中平均氣隙隨機(jī)組轉(zhuǎn)速變化情況見圖6，可見，1號(hào)發(fā)電機(jī)平均氣隙在100%轉(zhuǎn)速前有突變，這屬于異?，F(xiàn)象，說(shuō)明磁軛相對(duì)轉(zhuǎn)子支架開始浮動(dòng)。

圖6 小灣1號(hào)機(jī)組開機(jī)過程中平均氣隙隨機(jī)組轉(zhuǎn)速變化情況

2.3 磁極鍵虛打緊

發(fā)電機(jī)磁極鍵采用鴿尾打鏈條鍵結(jié)構(gòu)，見圖7，采用斜向打緊固定，易造成磁極鍵虛打緊、產(chǎn)生松動(dòng)。機(jī)組過速后，磁軛存在殘余變形，沖片切向產(chǎn)生錯(cuò)牙，也易造成磁極鍵松動(dòng)。因此該磁極鍵在安裝時(shí)，需要嚴(yán)格保證安裝質(zhì)量，否則易造成磁極鍵松動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)不圓度增大。

小灣2015年度1號(hào)機(jī)組檢修前后轉(zhuǎn)子圓度對(duì)比見表2，可見，轉(zhuǎn)子絕對(duì)半徑最大值與最小值之差由修前的1.92 mm優(yōu)化至修后的0.68 mm，轉(zhuǎn)子上、中、下部圓度情況也均有明顯改善，靜態(tài)圓度較好。

圖7 小灣發(fā)電機(jī)磁極鍵裝配圖

表2 小灣2015年度1號(hào)機(jī)組檢修前后轉(zhuǎn)子圓度對(duì)比/mm

該次機(jī)組檢修后首次開機(jī)空轉(zhuǎn)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子上部測(cè)點(diǎn)磁極氣隙形貌見圖8，可見，有5個(gè)磁極（2號(hào)、7號(hào)、22號(hào)、31號(hào)、40號(hào)）變化突出，0.8～1.0 mm，表明磁極鍵存在較大的虛空。

圖8 小灣1號(hào)發(fā)電機(jī)修后轉(zhuǎn)子上部

2.4 轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)不圓引起定子機(jī)座低頻振動(dòng)

轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)不圓會(huì)引起發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子氣隙不均，機(jī)組運(yùn)行過程中在勵(lì)磁磁勢(shì)作用下，氣隙中會(huì)產(chǎn)生一系列的低次諧波磁場(chǎng)，這些諧波磁場(chǎng)與主波磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生力波，這些變化的力作用在定子鐵芯上，從而引發(fā)定子低頻電磁振動(dòng)。2015年10月21日，壩前水位為1 234 m時(shí)，各機(jī)組在700 MW有功負(fù)荷下定子機(jī)座與鐵芯的振動(dòng)值見表3。

表3 小灣電廠2015年10月21日各機(jī)組在700 MW有功負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)定子振動(dòng)值 /μm

根據(jù)GB/T 7894-2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》及其2015年7月1日起實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)第1號(hào)修改單規(guī)定，小灣機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行期間定子鐵芯處定子機(jī)座最大水平振動(dòng)峰-峰值在120 μm以下時(shí)可以無(wú)限制的長(zhǎng)期運(yùn)行，認(rèn)為振動(dòng)值介于120～160 μm之間運(yùn)行的機(jī)組不宜長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行、如有適當(dāng)機(jī)會(huì)應(yīng)采取補(bǔ)救措施；定子鐵芯水平振動(dòng)100 Hz雙振幅值要求不大于30μm。

小灣機(jī)組定子鐵芯水平振動(dòng)100 Hz雙振幅值滿足要求。由表2可見，小灣機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行期間，1、5號(hào)機(jī)定子機(jī)架振動(dòng)值已接近長(zhǎng)期運(yùn)行區(qū)間上限，3號(hào)機(jī)定子機(jī)架振動(dòng)值處于需要采取補(bǔ)救措施的范圍。

經(jīng)解析法和有限元法對(duì)定轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻引起的低頻電磁力的大小進(jìn)行計(jì)算和分析，結(jié)果表明：低頻電磁力的大小隨氣隙偏差增加而增大，隨圓度的增加而增大。小灣機(jī)組如果一個(gè)磁極比平均半徑凸出1 mm，則由此產(chǎn)生局部磁拉力將增大21.7 kN（2.1 t），會(huì)加劇發(fā)電機(jī)的電磁振動(dòng)。

2.5 磁極鏈條鍵后墊片滑脫，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地頻繁報(bào)警

磁極調(diào)整墊片還會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸外移，過長(zhǎng)的調(diào)整墊片在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)離心力和磁力作用下，貼在磁極繞組內(nèi)側(cè)造成轉(zhuǎn)子接地，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大危害。該情況在小灣電廠出現(xiàn)過兩次：2014年4月16日，4號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子9號(hào)磁極調(diào)整墊片過長(zhǎng)造成轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警；2014年7月14日，1號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子39號(hào)、2號(hào)磁極調(diào)整墊片過長(zhǎng)造成轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警。磁極調(diào)整墊片現(xiàn)場(chǎng)照片見圖9。

圖9 伸出長(zhǎng)度過長(zhǎng)的發(fā)電機(jī)磁極調(diào)整墊片

2.6 磁極采用極間支撐結(jié)構(gòu)，不利于現(xiàn)場(chǎng)缺陷處理

小灣發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用了極間支撐形式，若不起吊轉(zhuǎn)子，將無(wú)法對(duì)極間支撐存在缺陷進(jìn)行處理，也不能在發(fā)電機(jī)機(jī)坑內(nèi)拆裝磁極。小灣發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極極間支撐部位的圖紙見圖10、圖11中圈內(nèi)所示。

圖10 極間支撐部位圖紙

圖11 脫落的極間支撐部位

3 針對(duì)相關(guān)問題的應(yīng)對(duì)措施

通過以上問題的原因分析，現(xiàn)提出設(shè)計(jì)優(yōu)化、安裝及檢修工藝調(diào)整及運(yùn)行管控建議。

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）立筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化。選用工地配刨副立筋結(jié)構(gòu)（見圖12），由于筋鍵槽的精度相對(duì)較高，磁軛疊片難度低，磁軛與轉(zhuǎn)子支架之間熱打鍵加墊片調(diào)整也較為容易，安裝工藝比較成熟?？山鉀Q工地焊接主立筋帶來(lái)的焊接變形量較大，磁軛與轉(zhuǎn)子支架之間熱打鍵時(shí)需加階梯墊片調(diào)整，熱打鍵質(zhì)量不好控制等一系列問題。

圖12 配刨副立筋結(jié)構(gòu)

（2）磁軛設(shè)計(jì)優(yōu)化。磁軛采取分段結(jié)構(gòu)與全通風(fēng)隙結(jié)構(gòu)（見圖13），可減小螺桿與孔之間的間隙，降低磁軛的殘余變形；磁軛分段壓緊，疊壓系數(shù)將提高，孔桿間發(fā)生摩擦發(fā)卡影響降低，提高實(shí)際的片間壓力?？捎行Ы鉀Q整段磁軛結(jié)構(gòu)帶來(lái)的裝壓后磁軛軸向剛度不均勻問題。

圖13 分段磁軛加磁軛通風(fēng)隙結(jié)構(gòu)

（3）鏈條鍵設(shè)計(jì)優(yōu)化。采用多T尾打半長(zhǎng)鍵結(jié)構(gòu)（見圖14），由于磁極鍵徑向打緊，打緊后不易松動(dòng)，避免鴿尾鏈條鍵結(jié)構(gòu)虛打緊問題，也能加強(qiáng)磁極與磁軛連接的緊密性，運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子圓度變化小。

圖14 磁極鍵的多T尾打半長(zhǎng)鍵結(jié)構(gòu)

（4）磁極極間固定方式優(yōu)化。建議采用圍帶包護(hù)型極間固定結(jié)構(gòu)，可在不吊轉(zhuǎn)子的情況下對(duì)極間固定部件存在的缺陷進(jìn)行及時(shí)處理，避免因部件脫落不能及時(shí)檢查處理引起發(fā)電機(jī)掃膛事故。

3.2 提高安裝及檢修工藝

根據(jù)《立式水輪發(fā)電機(jī)檢修技術(shù)規(guī)程》（DL/T 817-2014）要求，小灣電廠轉(zhuǎn)子磁極圓度各半徑與平均半徑之差應(yīng)在±1.36 mm以內(nèi)；原小灣電廠檢修調(diào)試驗(yàn)收質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，轉(zhuǎn)子各半徑與平均半徑之差在±1.36 mm以內(nèi)時(shí)達(dá)到轉(zhuǎn)子圓度合格標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)子各半徑與平均半徑之差在±1.02 mm以內(nèi)時(shí)達(dá)到轉(zhuǎn)子圓度優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。

由于按照上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整時(shí)，就算滿足合格標(biāo)準(zhǔn)要求，可能磁極圓度的最大最小半徑之差會(huì)接近2.72 mm；滿足優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，磁極圓度的最大最小半徑之差也可能會(huì)接近2.04 mm。以上偏差仍會(huì)導(dǎo)致偏大的局部磁拉力，造成定子振動(dòng)增大。

建議各電廠嚴(yán)控安裝工藝，在機(jī)組安裝及檢修過程中最大限度減小轉(zhuǎn)子的不圓度，將轉(zhuǎn)子半徑的最大值與最小值之差控制在0.6 mm以內(nèi)。

利用檢修機(jī)會(huì)，根據(jù)運(yùn)行中的轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)圓度數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)圓數(shù)值對(duì)轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行處理；對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛變形情況進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，確保磁軛鍵熱打鍵緊量，以抵消離心力引起的變形，必要時(shí)對(duì)磁軛重新進(jìn)行壓緊；對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極鏈條鍵進(jìn)行抽出檢查或更換，研發(fā)磁極掛裝鍵槽的銑槽專用工具，通過銑槽避免機(jī)組運(yùn)行中對(duì)磁極調(diào)整墊片造成的剪切。

3.3 加強(qiáng)運(yùn)行過程管控

機(jī)組運(yùn)行過程中利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)氣隙、轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)圓度變化情況進(jìn)行監(jiān)視，重點(diǎn)需要關(guān)注轉(zhuǎn)子磁極分離現(xiàn)象，若存在磁極分離跡象，需要利用檢修機(jī)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行重新熱打緊。

若發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極極間固定使用極間支撐方式時(shí)，機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)期間，建議使用工業(yè)內(nèi)窺鏡對(duì)磁極極間支撐螺桿、螺母、墊片等部件的完好情況進(jìn)行全面檢查。

若機(jī)組報(bào)出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警信號(hào)后，除例行檢查外，建議做好磁極鍵調(diào)整墊片的檢查，防止磁極墊片突出刮傷磁極表面絕緣部分引起動(dòng)態(tài)接地。

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TK730.8

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1672-5387（2016）07-0045-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.015

2016-05-02

喬進(jìn)國(guó)（1970-），男，高級(jí)工程師，從事水電站管理工作。