廣東某抽蓄電站轉(zhuǎn)子相位不穩(wěn)原因剖析及處理

李興邦

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

廣東某抽水蓄能電站毗鄰香港特別行政區(qū)，電站地下廠房安裝4臺(tái)單級(jí)立軸可逆混流式機(jī)組，總裝機(jī)容量1 200兆瓦。在廣東電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻及緊急事故備用等任務(wù)。本公司生產(chǎn)的發(fā)電電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)型式為立軸懸式全封閉雙路自循環(huán)空氣冷卻三相凸極同步發(fā)電機(jī)。

1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機(jī)工況容量：334 MVA

電動(dòng)機(jī)工況出力：325 MW

發(fā)電機(jī)工況額定功率因數(shù)：0.9

電動(dòng)機(jī)工況額定功率因數(shù)：0.975

發(fā)電機(jī)工況旋轉(zhuǎn)方向：俯視順時(shí)針

電動(dòng)機(jī)工況旋轉(zhuǎn)方向：俯視逆時(shí)針

額定電壓UN：15.75 kV

額定頻率fN：50 Hz

額定轉(zhuǎn)速nN：428.6 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速nN：621.5 r/min

相數(shù)m：3

接線方式：7Y

定轉(zhuǎn)子繞組絕緣等級(jí)：F

推力負(fù)荷：720 T/820 T(穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài))

冷卻方式：全空冷

飛輪力矩GD2：≥6 000 t·m2

電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛結(jié)構(gòu)形式可分為三種：整圓疊片式磁軛、整圈鋼板磁軛及整鍛磁軛[1]。該蓄能電站磁軛采用整圈鋼板結(jié)構(gòu)，共9段，每段磁軛高度為300 mm；每段磁軛采用60 mm(加工后)的鋼板通過(guò)拉緊螺桿和定位銷固定，各段之間有通風(fēng)溝，高度65 mm。磁軛整體安裝后，多段磁軛通過(guò)拉緊螺桿固定，并采用通風(fēng)溝加工定位止口等方式，保證磁軛的整體性、強(qiáng)度和剛度，防止松散和變形。轉(zhuǎn)子磁軛裝配圖如圖1所示。磁軛裝配質(zhì)量的優(yōu)劣，關(guān)系到機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

圖1 轉(zhuǎn)子磁軛裝配圖紙

磁軛與轉(zhuǎn)子支架連接，采用復(fù)合鍵結(jié)構(gòu)。凸鍵與轉(zhuǎn)子支架之間設(shè)計(jì)緊量為1 mm，副鍵在磁軛側(cè)切向打緊。磁軛凸鍵與磁軛之間可加調(diào)整墊片，保證機(jī)組轉(zhuǎn)速為1.1倍額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子支架與磁軛不發(fā)生分離。轉(zhuǎn)子磁軛復(fù)合鍵結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子磁軛復(fù)合鍵結(jié)構(gòu)

抽蓄機(jī)組頻繁啟停，正反轉(zhuǎn)的特性，使得過(guò)盈配合的轉(zhuǎn)子支架及磁軛將受到較大壓縮、拉伸應(yīng)力的頻繁轉(zhuǎn)換，抗疲勞強(qiáng)度較低。該連接結(jié)構(gòu)在任何工況、轉(zhuǎn)速下能夠保證轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的圓度、同心度和氣隙均勻度，且做到不使轉(zhuǎn)子重心偏移而產(chǎn)生振動(dòng)，并有效地傳遞扭矩。磁軛鋼板選用材料：高強(qiáng)度鋼板B780CF。

2 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡過(guò)程中相位不穩(wěn)情況介紹

廣東某抽蓄電站每臺(tái)機(jī)組先后進(jìn)行了近10次動(dòng)平衡試驗(yàn)，還穿插著升壓試驗(yàn)、甩負(fù)荷、抽水工況等試驗(yàn)，時(shí)間跨度較大一般為一周左右。多次配重的主要原因是相位不穩(wěn)定，以2#機(jī)為例進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)分析。2#機(jī)甩負(fù)荷和抽水工況下振擺數(shù)據(jù)，如表1所示。相位是指鍵相信號(hào)與選頻振動(dòng)信號(hào)的相對(duì)位置，它表示轉(zhuǎn)子振型的分布方式及相對(duì)于某一標(biāo)準(zhǔn)選頻振幅的時(shí)差或位差。相位告訴我們振動(dòng)的方向，它是一個(gè)時(shí)間概念。

表1 2#機(jī)甩負(fù)荷和抽水工況下振擺數(shù)據(jù)

質(zhì)量力相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心線的對(duì)稱狀況是影響機(jī)組穩(wěn)定性的重要因素之一。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的動(dòng)不平衡較大時(shí)，軸擺度隨轉(zhuǎn)速變化而變化的趨勢(shì)很明顯，并且徑向軸承支架振動(dòng)幅值隨機(jī)組轉(zhuǎn)速增加明顯。

經(jīng)過(guò)多次動(dòng)平衡配重后，機(jī)組的振擺情況有了較大改善，已經(jīng)達(dá)到滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的要求。配重結(jié)束之后，上導(dǎo)擺度一倍頻在甩100%負(fù)荷試驗(yàn)后減小了約70 μm，而在做水泵斷電試驗(yàn)后又出現(xiàn)了較大的增加，這說(shuō)明有不穩(wěn)定因素存在。

3 分析問(wèn)題及建議

廣東某抽蓄發(fā)電電動(dòng)機(jī)的分離轉(zhuǎn)速為471.46 r/min。過(guò)速試驗(yàn)時(shí)最高轉(zhuǎn)速為473 r/min；甩50%負(fù)荷后，機(jī)組轉(zhuǎn)速能達(dá)到497.1 r/min(超過(guò)分離轉(zhuǎn)速)；甩100%負(fù)荷后，機(jī)組轉(zhuǎn)速能達(dá)到568.7 r/min。機(jī)組在甩100%負(fù)荷后上導(dǎo)擺度減小，證明轉(zhuǎn)子存在不穩(wěn)定因素。而水泵斷電試驗(yàn)后上導(dǎo)擺度又增加這一反?，F(xiàn)象，更加印證確有不穩(wěn)定因素。

從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，超過(guò)分離轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子支架和磁軛會(huì)發(fā)生分離。傳統(tǒng)的疊片式磁軛被環(huán)形磁軛代替，如圖3所示，此種設(shè)計(jì)理念盡管減少了工地磁軛疊裝工序及工作量，但是對(duì)環(huán)形磁軛的加工精度要求高，對(duì)磁軛安裝工作也要求更高(段與段之前的調(diào)整整形就顯得至關(guān)重要)。

圖3 厚鋼板剛性磁軛結(jié)構(gòu)三維示意圖

利用ANSYS有限元軟件對(duì)磁軛變形情況進(jìn)行了分析，如圖4所示，可以看出轉(zhuǎn)子磁軛組合鍵處徑向位移為1.15 mm。因此各個(gè)磁軛段安裝質(zhì)量很關(guān)鍵，工藝文件要求：磁軛外圓的偏心值應(yīng)小于0.1 mm；磁軛段與主立筋徑向間隙相對(duì)值不大于0.05 mm；磁極T尾鍵槽槽底、鍵槽兩側(cè)錯(cuò)牙不大于0.02 mm。

圖4 額定工況磁軛沖片徑向位移分布

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，磁軛副鍵有松動(dòng)現(xiàn)象，繼而引起磁軛圓盤微量蠕動(dòng)。磁軛圓盤微量蠕動(dòng)造成振擺數(shù)據(jù)變化。

3.1 原因分析

(1) 相位不穩(wěn)定和甩100%負(fù)荷、水泵斷電等試驗(yàn)上導(dǎo)振動(dòng)擺度異常的根本原因在于轉(zhuǎn)子磁軛裝配質(zhì)量不佳，進(jìn)而引起的磁軛熱加墊的厚度未能滿足設(shè)計(jì)緊量要求。磁軛疊裝及熱打鍵后，各段磁軛鍵槽位置切向存在一定量的錯(cuò)牙，磁軛副鍵切向打鍵后，磁軛副鍵與磁軛鍵槽接觸面?zhèn)€別磁軛段未能與磁軛副鍵貼緊。

當(dāng)機(jī)組進(jìn)行甩50%以上負(fù)荷時(shí)，機(jī)組的轉(zhuǎn)速已超過(guò)了徑向緊量的機(jī)組轉(zhuǎn)速(1.1倍額定轉(zhuǎn)速)，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分振動(dòng)，各段磁軛沿切向方向發(fā)生微量移動(dòng)，造成磁軛鍵松動(dòng)。

(2) 磁軛副鍵的斜面應(yīng)進(jìn)行研磨，但研磨后發(fā)現(xiàn)接觸面研磨未能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，虛接觸面積偏大。像日本的發(fā)電電動(dòng)機(jī)常采用的浮動(dòng)磁軛結(jié)構(gòu)，即使磁軛凸鍵的墊厚度不夠，緊量偏小，磁軛副鍵如果達(dá)到緊度要求，也不會(huì)出問(wèn)題。

3.2 建議

(1) 磁軛段與段之前的調(diào)整嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行。磁軛凸鍵熱加墊的厚度考慮到磁軛段與段之間疊裝過(guò)程的誤差累積，δ設(shè)計(jì)預(yù)緊在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上應(yīng)再加20%，即1.2 mm。墊片厚度計(jì)算方法：

H=δ+A-B

式中：H為應(yīng)加墊片厚度(mm)；δ為原設(shè)計(jì)預(yù)緊量(1 mm)；A為實(shí)測(cè)磁軛鍵與鍵槽的徑向間隙；B為圓度或同心度實(shí)測(cè)半徑與實(shí)測(cè)平均半徑之差。磁軛熱加墊前加熱，如圖5所示。

圖5 磁軛熱加墊前加熱圖

(2) 磁軛副鍵要進(jìn)行研磨，接觸面積達(dá)70%以上。打緊磁軛副鍵的大錘應(yīng)該在3 kg左右。(根據(jù)DL/T 5230—2009《水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)裝配工藝導(dǎo)則》[3]要求7.12.7，磁軛熱打緊鍵后，打緊磁軛副鍵。等磁軛自然冷卻后，再拔出副鍵，檢查、修理其接觸面應(yīng)達(dá)70%以上；在其各工作面涂二硫化鉬潤(rùn)滑脂后，再用大錘在凸鍵兩側(cè)對(duì)稱打緊。)

4 解決問(wèn)題

因?yàn)闄C(jī)組已安裝完畢，磁軛段精細(xì)調(diào)整和磁軛凸鍵熱加墊的厚度加大已不可能，只能對(duì)磁軛副鍵用大錘(3 kg左右)進(jìn)行打緊。DL/T 507—2014《水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程》[4]6.5.5，過(guò)速試驗(yàn)停機(jī)后應(yīng)進(jìn)行如下檢查：全面檢查發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分，如轉(zhuǎn)子磁軛鍵、磁極鍵、阻尼環(huán)及磁極引線、磁軛壓緊螺桿等有無(wú)松動(dòng)或移位。

只要超過(guò)分離轉(zhuǎn)速，就要對(duì)磁軛副鍵進(jìn)行打緊。在過(guò)速試驗(yàn)、甩50%、75%、100%負(fù)荷試驗(yàn)之后都要打緊磁軛副鍵(熱態(tài)下)。磁軛凸鍵的作用減弱了，副鍵要頂上去。

工地對(duì)磁軛副鍵再次打緊后，因?yàn)榇蛉肷疃容^大，采取了焊接擋塊的防松處理。打緊磁軛副鍵后焊接擋塊，如圖6所示。為了改善機(jī)組上導(dǎo)的擺度，結(jié)合機(jī)組發(fā)電和抽水兩種工況又對(duì)機(jī)組進(jìn)行了配重，最終數(shù)據(jù)滿足合同要求。

圖6 打緊磁軛副鍵后焊接擋塊

5 結(jié)語(yǔ)

廣東某抽蓄電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)相位常出現(xiàn)變化的主要原因是轉(zhuǎn)子磁軛裝配質(zhì)量不佳、磁軛凸鍵的墊厚度不夠、磁軛副鍵松動(dòng)造成的。情況與巴基斯坦某電站4#機(jī)甩負(fù)荷后振擺不能恢復(fù)類似[5]。本文通過(guò)對(duì)廣東某抽水蓄能電站轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡過(guò)程中相位不穩(wěn)問(wèn)題的處理，對(duì)原因進(jìn)行分析，并提出解決方案。對(duì)其它抽蓄及常規(guī)高轉(zhuǎn)速電站轉(zhuǎn)子配重工作，具有一定的參考和借鑒作用。