600MW發(fā)電機(jī)定子環(huán)形引線燒毀故障分析與處理

殷豪

摘 要：本文介紹了廣東省某電廠2×600MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，#2發(fā)電機(jī)定子線圈環(huán)形引線過熱燒毀的故障機(jī)理和防范措施。故障起因是由于#2發(fā)電機(jī)小匯流管連通管上錯(cuò)誤安裝內(nèi)徑為Φ15mm的流量孔板，積聚的氣體減小了流過該環(huán)形引線內(nèi)部管路的水流量，由開始的“氣阻”逐步惡化形成“汽堵”，造成7根定子下層線棒因電流倍增過熱而燒損。對比國內(nèi)相似案例，本次事件發(fā)生時(shí)機(jī)組投運(yùn)時(shí)間更長。從現(xiàn)場檢修工藝著手，總結(jié)此類故障的檢修最優(yōu)工期為45至50天。

關(guān)鍵詞：600MW機(jī)組;環(huán)形引線;“汽堵”;流量孔板;故障原因

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.153

1 引言

國內(nèi)自1997年至今，600MW等級發(fā)電機(jī)共發(fā)生過數(shù)十起定子繞組環(huán)形引線因“汽堵”造成的過熱燒毀事故。事故的情況基本上如出一轍，幾乎全部集中在2W2引線，引線燒斷，還引起發(fā)電機(jī)其他部位故障。造成的損失是相當(dāng)嚴(yán)重的，有的整臺(tái)定子需要在工地重新嵌線，工期也長達(dá)數(shù)月之久[1]。

大型汽輪發(fā)電機(jī)多采用水氫氫冷卻方式，定子線棒由銅耗和附加損耗產(chǎn)生的熱量通過冷卻水對流散熱。定子繞組水路故障主要原因有：①雜質(zhì)、異物進(jìn)入水路形成堵塞;②水路發(fā)生“氣堵”;③環(huán)形引線“氣堵—汽堵”故障[2]。本文重點(diǎn)介紹了廣東某電廠2×600MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組#2發(fā)電機(jī)定子線圈環(huán)形引線“氣堵——汽堵”的故障機(jī)理并提出防范措施。事故分析證明#2發(fā)電機(jī)小匯流管連通管上錯(cuò)誤安裝內(nèi)徑為Φ15mm的流量孔板，對內(nèi)部冷卻水起到限流作用，最終造成環(huán)形引線過熱燒毀，是本次故障的主要起因。比較國內(nèi)發(fā)電機(jī)定子線圈環(huán)形引線過熱燒毀類似事件情況，發(fā)現(xiàn)絕大部分定子環(huán)形引線過熱燒毀事故一般發(fā)生在新機(jī)投運(yùn)后的2000h內(nèi)，而本次故障是在該機(jī)組投運(yùn)4年后才發(fā)生。并從定子現(xiàn)場檢修工藝著手，總結(jié)出此類故障的檢修最優(yōu)工期為45～50天。

2 設(shè)備概況

該2×600MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，配置QFSN4-600-2型三相交流隱極式同步發(fā)電機(jī)（靜止勵(lì)磁），發(fā)電機(jī)采用整體全封閉、內(nèi)部氫氣循環(huán)、定子繞組水內(nèi)冷、定子鐵芯及端部結(jié)構(gòu)件氫氣表面冷卻、轉(zhuǎn)子繞組氣隙取氣氫內(nèi)冷的冷卻方式，600MW汽輪發(fā)電機(jī)水電聯(lián)接方式見圖1。發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組均采用F級絕緣，發(fā)電機(jī)配有機(jī)端勵(lì)磁變靜止勵(lì)磁控制系統(tǒng)。額定容量705MVA，額定功率600MW，額定電壓20kV，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，相數(shù)3，極數(shù)2，額定氫壓0.4MPa，漏氫量≤10Nm?/24h。

從美國Westinghouse Electric公司引進(jìn)的該型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈采用雙Y形接法，兩路并聯(lián)，上下層各42槽，共計(jì)84根定子線棒，發(fā)電機(jī)定子每根線棒的水路都是獨(dú)立的，內(nèi)部冷卻水從勵(lì)端流向汽端，出水口的水接頭上裝有用于監(jiān)測出水溫度的測溫裝置。

3 事件經(jīng)過

發(fā)生本次事件當(dāng)日14時(shí)10分，#2機(jī)組升負(fù)荷至600MW，正常運(yùn)行。

16時(shí)55分36秒，#5軸承軸向振動(dòng)（Y向）突增至129μm，DCS發(fā)#5軸承軸向振動(dòng)（Y向）高一值報(bào)警（聲光報(bào)警，定值125μm）。

運(yùn)行操作員緊急減負(fù)荷，手動(dòng)打閘F磨煤機(jī)，減負(fù)荷至500MW;并立即安排人員到就地查看發(fā)電機(jī)振動(dòng)情況。F磨停運(yùn)后，振動(dòng)值略有下降，但隨后又開始增大。

16時(shí)59分44秒，#5軸承軸向振動(dòng)（Y向）增至251μm（高二值，定值為250μm），由于相鄰的#6軸承軸向振動(dòng)（Y向）也已達(dá)到高一值，觸發(fā)“#2機(jī)組軸振大”保護(hù)，汽輪機(jī)跳閘，發(fā)變組程跳逆功率保護(hù)動(dòng)作跳開#2主變高壓側(cè)2202開關(guān)、#2發(fā)電機(jī)滅磁;運(yùn)行人員按緊急停機(jī)程序操作。

16時(shí)59分52秒，機(jī)組停機(jī)。

4 停機(jī)排查

停機(jī)現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)：#2發(fā)電機(jī)定子繞組勵(lì)端B相上層環(huán)形引線燒斷（如圖2），電弧造成大量燒熔的銅渣散布在發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)端部;B相另一分支的7根下層線棒（對應(yīng)定子30～36槽）靠汽端的出槽口拐彎處有嚴(yán)重的過熱燒損、主絕緣爆裂、流出黑膠碳化等現(xiàn)象;同時(shí)，由于大量銅渣、銅粉末等雜質(zhì)在機(jī)內(nèi)高速流動(dòng)氫氣的影響下，通過轉(zhuǎn)子端部的護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)、或轉(zhuǎn)子表面的通風(fēng)孔等侵入到轉(zhuǎn)子內(nèi)部，對轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部的絕緣也造成了一定的污染。制定修復(fù)方案如下：上層拆除全部線棒，下層拆除B相7根線棒;更換燒損的B相并連環(huán)引線。

5 故障檢修

本次定子檢修工藝計(jì)劃工期為34天，主要內(nèi)容包括：拆除并連環(huán)引線;拆上層線圈;拆下層線圈;嵌下層7根線棒;嵌上層線棒;回裝并聯(lián)環(huán)引線;電氣試驗(yàn);對定子線圈水路系統(tǒng)做氣密試驗(yàn);對線圈全部接頭包絕緣;打槽楔，裝風(fēng)區(qū)隔板;進(jìn)行絕緣電氣試驗(yàn)等。實(shí)際工期從事故日到修復(fù)后并網(wǎng)發(fā)電共計(jì)67天。其中：7月23日至30日，召開專家會(huì)討論修復(fù)方案，汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)冷卻，抽轉(zhuǎn)子準(zhǔn)備，施工隊(duì)到位;8月3日轉(zhuǎn)子抽出后，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)汽端B相定子下層線棒（對應(yīng)定子30～36槽）主絕緣損傷，需要廠家人員到現(xiàn)場處理缺陷;8月4日開始修復(fù)定子線圈;9月19日下午16點(diǎn)，具備穿轉(zhuǎn)子條件;9月20日至27日穿轉(zhuǎn)子，外觀檢查以及試驗(yàn)和啟機(jī);9月27日16點(diǎn)，#2發(fā)電機(jī)并網(wǎng)成功。

工期延誤原因分析如下：8月8日，討論決定更改修復(fù)工藝，需要抬出定子全部上層42根線棒，推遲工期6天;8月31日，開始進(jìn)行定子線棒水路系統(tǒng)氣密試驗(yàn)，計(jì)劃工期2天。施工隊(duì)拆除線棒時(shí)人員疏忽導(dǎo)致出水盒焊縫局部滲漏，新、舊焊縫滲漏共計(jì)71處。反復(fù)處理線棒端部水盒焊縫滲漏，反復(fù)試驗(yàn)，推遲工期7天;9月12日，開始進(jìn)行定子線棒端部手包絕緣直流泄漏電流測量。由于手包絕緣受潮，較多線棒泄露電流不合格，經(jīng)過烘干或重包絕緣處理，至9月15日全部手包絕緣直流泄漏電流測量合格，推遲工期3天;9月16日，開始進(jìn)行定子繞組絕緣電阻、直流耐壓試驗(yàn)、電暈、交流耐壓等試驗(yàn)，計(jì)劃工期2天。因電科院兩臺(tái)試驗(yàn)儀器損壞、電機(jī)受潮、端部及出線未清理干凈等原因，導(dǎo)致延誤工期2天。

#2發(fā)電機(jī)采用自然降溫和滑參數(shù)停機(jī)耗費(fèi)了大量時(shí)間，為了縮短工期，有必要采用一種可行的方法對汽輪機(jī)進(jìn)行快速的降溫處理，所謂汽輪機(jī)快速冷卻技術(shù)就是當(dāng)汽輪機(jī)停止運(yùn)行后，通過向汽輪機(jī)內(nèi)部通入合適的冷卻介質(zhì)，從而使汽輪機(jī)產(chǎn)生熱交換，進(jìn)而起到快速降低汽輪機(jī)溫度的目的。經(jīng)過十幾年的探索，汽輪機(jī)快速冷卻技術(shù)已經(jīng)基本成熟，達(dá)到了可以實(shí)用的程度[3]。如果#2發(fā)電機(jī)安裝快速冷卻裝置，可縮短檢修工期約3至4天[4];同時(shí)扣除上述因?yàn)槭┕り?duì)和調(diào)試單位原因造成的延誤天數(shù)，那么從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，600MW定子線圈現(xiàn)場檢修的最優(yōu)工期可壓縮為45至50天。

6 故障原因分析

6.1 本次故障原因

07月22日16：50分左右，#2發(fā)電機(jī)定子線棒33b、36b上層線棒溫度逐步升高，最高到達(dá)110℃;16：55分，35b線棒溫度陡增至110℃，負(fù)序電流增至990A，線棒絕緣擊穿的電氣故障引起發(fā)電機(jī)振動(dòng)過大;16：59分緊急停機(jī)。DCS記錄證實(shí)：線棒溫度升高到軸振高一值報(bào)警、緊急停機(jī)，前后時(shí)間小于10分鐘，故障發(fā)生十分突然。

#2發(fā)電機(jī)定子環(huán)形引線燒損事故的直接原因，是由于B相上層環(huán)形引線內(nèi)部冷卻水管路發(fā)生了“氣阻——汽堵”現(xiàn)象，這可以從環(huán)形引線內(nèi)部管路兩端均被熔銅堵死得到印證。“氣阻”現(xiàn)象主要是由于環(huán)形引線內(nèi)部冷卻水管路的水流量低造成的，技術(shù)人員檢查發(fā)現(xiàn)在發(fā)電機(jī)底部回流管的外接連通管上，安裝有節(jié)流孔板。由于該孔板的內(nèi)徑僅為Φ15mm，小于內(nèi)徑為Φ38mm的外接連接管，對環(huán)形引線內(nèi)部冷卻水起到限流作用。

在該機(jī)組負(fù)荷由300MW上調(diào)至600MW時(shí)，這種限流作用造成環(huán)形引線內(nèi)部冷卻條件迅速惡化，水溫快速升高，從而導(dǎo)致水中氣體析出，并逐漸積聚在B相上次環(huán)形引線的頂部。積聚的氣體減小了流過該環(huán)形引線內(nèi)部管路的水流量，使環(huán)形引線的溫度進(jìn)一步升高，加速水中氣體的析出，流過環(huán)形引線的內(nèi)冷水溫度不斷升高甚至沸騰汽化，由開始的“氣阻”逐步惡化形成“汽堵”。直至該環(huán)形引線因?yàn)閮?nèi)部汽壓升高溫度升高而發(fā)生爆裂，導(dǎo)致B相該分支的電流全部轉(zhuǎn)移到與之并聯(lián)的另一分支，造成另一分支的7根定子下層線棒因電流倍增過熱而燒損。本次事件的故障機(jī)理如圖3。

同時(shí)，發(fā)電機(jī)廠家出廠圖中僅有該節(jié)流孔板的圖示而無其他任何參數(shù)，實(shí)際供貨出現(xiàn)內(nèi)徑尺寸錯(cuò)誤，為本次事件埋下了重大隱患。在基建期間，安裝單位在實(shí)際供貨與設(shè)計(jì)圖紙存在差異的情況下，僅簡單地將流量孔板上的取樣管焊死，未向業(yè)主方提交該差異的報(bào)告，暴露出現(xiàn)場安裝管理存在漏洞。

6.2 國內(nèi)同類案例對比

大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈環(huán)形引線汽堵過熱燒毀的主要特征是新機(jī)組投運(yùn)才幾百小時(shí)，國內(nèi)幾次相類似事故證明因?yàn)槔鋮s水管路異常，流量降低造成汽堵現(xiàn)象，最終導(dǎo)致環(huán)形引線燒毀，是新機(jī)組剛投運(yùn)時(shí)容易出現(xiàn)的事故[1]。國內(nèi)同類案例對比如表1。

本次事故#2發(fā)電機(jī)從投運(yùn)至今已有四年時(shí)間，以往的大小修檢查中未發(fā)現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均亦合格。發(fā)生本次故障時(shí)，定子冷卻水流量88t/h，在額定流量87t/h～93t/h范圍內(nèi);溫度監(jiān)測異常、軸振超標(biāo)和緊急停機(jī)發(fā)生在10分鐘內(nèi)，十分突然。這是因?yàn)椋?00MW汽輪發(fā)電機(jī)雖然在絕緣引水管出水的水接頭上裝設(shè)有測溫元件，監(jiān)測出水溫度，但是在環(huán)形引線局部過熱甚至燒損過程中，由于環(huán)形引線的冷卻水路中既有并聯(lián)又有串聯(lián)，且測溫元件只能監(jiān)測兩個(gè)環(huán)形引線冷卻水合并后的水溫，因此出水溫度并不能準(zhǔn)確地反應(yīng)出單個(gè)環(huán)形引線的異常，多次事故表明，即便其中一根引線堵塞燒毀，出水口處監(jiān)測的溫度仍然沒有明顯變化[2]。

7 整改和預(yù)防措施

8 結(jié)語

600MW汽輪發(fā)電機(jī)定子環(huán)形引線是發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要組成部件，如果環(huán)形引線有故障，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)被迫停運(yùn)，檢修工期較長、損失較大。因此在發(fā)電機(jī)日常運(yùn)行中要注意出線套管出水溫度、絕緣過熱監(jiān)測裝置等參數(shù)的跟蹤，確保發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

#2發(fā)電機(jī)經(jīng)過本次停機(jī)排查和故障處理，確認(rèn)環(huán)形引線內(nèi)部冷卻水管路的水流量低，是由于發(fā)電機(jī)底部小匯流管的外接連通管上節(jié)流孔板的內(nèi)徑過小，對環(huán)形引線內(nèi)部冷卻水起到限流作用造成的。采取“取消該錯(cuò)誤安裝的節(jié)流孔板”的整改措施后，電廠針對#1、#2發(fā)電機(jī)實(shí)施了相關(guān)預(yù)防措施，增加日常維護(hù)和檢修內(nèi)容，兩臺(tái)機(jī)組一直正常運(yùn)行，再未發(fā)生過類似事件。

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