汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行故障診斷與預(yù)防探討

閆玉龍

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 七臺 154100）

目前，我國仍以煤炭為主，裝機(jī)容量在8億千瓦左右。隨著大規(guī)模、高參數(shù)發(fā)電廠的持續(xù)運(yùn)行，我國的火力發(fā)電達(dá)到了一個新的水平。汽輪發(fā)電機(jī)組是火力發(fā)電系統(tǒng)的核心，是保證其正常運(yùn)行的重要設(shè)備。特別是大型汽輪發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，汽輪發(fā)電機(jī)的故障和運(yùn)行事故一直是火力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展中的主要問題之一。在系統(tǒng)的運(yùn)行安全和維護(hù)方面不斷發(fā)現(xiàn)新問題。運(yùn)行監(jiān)控等嚴(yán)重事故造成設(shè)備損壞和大規(guī)模停電，給經(jīng)濟(jì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至嚴(yán)重危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行。鑒于此，一方面有必要引進(jìn)和吸收國際先進(jìn)技術(shù)，以不斷改進(jìn)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)。另一方面，認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，嚴(yán)格按照發(fā)電機(jī)的技術(shù)條件和要求進(jìn)行日常運(yùn)行和維護(hù)，確保發(fā)電系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 汽輪發(fā)電機(jī)故障診斷概述

隨著現(xiàn)代機(jī)械化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)正變得更快、更精確、自動化程度更高。作為現(xiàn)代連續(xù)生產(chǎn)過程的重要組成部分，發(fā)電機(jī)組在發(fā)生故障時將嚴(yán)重影響其機(jī)械效率。這將導(dǎo)致發(fā)電中斷，并將造成不良社會影響和經(jīng)濟(jì)損失。由于許多不可避免的因素，設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)不同的故障，導(dǎo)致其自身功能的喪失或減少，從而導(dǎo)致大面積停電。目前，國內(nèi)外電廠經(jīng)常發(fā)生事故，造成損失和嚴(yán)重的社會后果。即使發(fā)生輕微事故，也可能因生產(chǎn)過程中機(jī)械設(shè)備損壞或操作不及時、不正常而造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了保證發(fā)電裝置的安全可靠運(yùn)行，及時排除發(fā)電機(jī)故障顯得尤為迫切。發(fā)電通常由發(fā)電廠轉(zhuǎn)換成不同的一次能源或其他能源。目前，世界上的大多數(shù)能源形式是地?zé)崮堋L(fēng)能、光伏、水電和核能。核能和熱能是通過蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能來使用的。

近年來，電力行業(yè)發(fā)展迅速，汽輪發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量迅速增加，廠房結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜。機(jī)組故障的可能因素也相應(yīng)增加。在安全可靠運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)故障帶來的影響越來越大，因此應(yīng)當(dāng)越來越多地考慮設(shè)備故障對汽輪發(fā)電機(jī)的安全可靠運(yùn)行帶來的影響。

2 汽輪發(fā)電機(jī)故障診斷的目的與意義

2．1 故障診斷的目的

故障診斷的目的是根據(jù)從設(shè)備監(jiān)測中獲得的信息確定設(shè)備的狀況，以確保設(shè)備在給定的工作環(huán)境和時間內(nèi)可靠高效地運(yùn)行。在維護(hù)、減少和消除事故方面提供指導(dǎo)和協(xié)助。如果可以通過分析相應(yīng)參數(shù)的波動狀況，可以避免許多事故?，F(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備正在向大型、快速、連續(xù)和自動化生產(chǎn)方向發(fā)展，降低成本，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源是企業(yè)發(fā)展非常重要的一個方面。另一方面，設(shè)備故障造成的經(jīng)濟(jì)損失也大大增加了維護(hù)成本。創(chuàng)新高科技技術(shù)的使用對現(xiàn)代工廠的可靠性和安全性提出了越來越高的要求。為了加強(qiáng)對現(xiàn)有老化生產(chǎn)設(shè)施的安全監(jiān)測和故障診斷，許多舊設(shè)備都在接近使用壽命的狀況下工作，并進(jìn)入故障多發(fā)階段。如果有完整的故障監(jiān)測系統(tǒng)，舊設(shè)備的使用壽命也可以得到相應(yīng)的延長。

2．2 故障診斷的意義

故障診斷的任務(wù)是監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和診斷系統(tǒng)狀態(tài)的各種測量、分析和判別方法。包括考慮環(huán)境因素，以評估其是否處于正常狀態(tài)。及時記錄和顯示狀態(tài)和警報(bào)，為設(shè)備性能評估、故障分析、安全工作和有效使用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息。能正確及時地糾正和診斷各種故障或異常情況，及時預(yù)防或排除故障，準(zhǔn)確觀察設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提高設(shè)備的可靠性和效率，以最大限度地減少故障損失。同時確保設(shè)備具有最大的運(yùn)行能力，制定合理的維護(hù)制度，充分發(fā)揮設(shè)備的潛力，延長設(shè)備的使用壽命。近幾十年來，故障分析和診斷技術(shù)發(fā)展迅速。從傳統(tǒng)的手工故障診斷到智能故障診斷，智能故障診斷可以快速準(zhǔn)確地找到故障的原因和位置，從而快速解決問題，減少故障，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

3 汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中主要故障及相關(guān)診斷

3．1 定子繞組故障及診斷

汽輪發(fā)電機(jī)在我國應(yīng)用的過程中，目前主要的冷卻方式是“空氣冷卻”。但是，這種設(shè)計(jì)方式經(jīng)常出現(xiàn)過程質(zhì)量管理問題，例如在檢查、維護(hù)及過程控制方面。如果發(fā)電機(jī)出現(xiàn)短路故障或者定子接地故障時，發(fā)電機(jī)將會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，尤其是熱應(yīng)力或者機(jī)械應(yīng)力。一旦出現(xiàn)上述情況將會對發(fā)電機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生非常大的影響。通常情況下，繞組末端故障通常分為以下幾類：（1）冷卻回路在定子運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)堵塞情況。（2）銅導(dǎo)線出現(xiàn)斷裂，通常發(fā)生在定子引線及線棒之間，影響正常運(yùn)行。（3）接頭焊接質(zhì)量不滿足要求，在短期運(yùn)行過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)接頭損壞，對設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。（4）緊固件在繞組運(yùn)行中出現(xiàn)繞組端部磨損情況。

3．2 轉(zhuǎn)子繞組故障及診斷

轉(zhuǎn)子缺陷通常包括接地絕緣缺陷、短路缺陷、熱變形和集電環(huán)電刷燒損。此類轉(zhuǎn)子繞組故障和短路故障通常由以下原因引起：轉(zhuǎn)子過熱導(dǎo)致絕緣損壞；冷卻器泄漏、導(dǎo)電灰塵、異物和焊渣進(jìn)入轉(zhuǎn)子；制造工藝和局部缺陷；熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力對絕緣造成的損壞；冷流道繞組被水堵塞，導(dǎo)致局部過熱和旋轉(zhuǎn)絕緣損壞。汽輪發(fā)電機(jī)繞組因熱膨脹和機(jī)械作用(即殘余變形或熱變形而產(chǎn)生塑性變形。殘余變形時，轉(zhuǎn)子繞組和最終絕緣損壞，進(jìn)而導(dǎo)致短路或接地缺陷以及嚴(yán)重的繞組故障。對于汽輪發(fā)電機(jī)而言，集電環(huán)與電刷的可靠接觸是保證發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。如果電刷環(huán)燒損嚴(yán)重，電刷手柄和電刷架會燒損集電環(huán)的絕緣層，導(dǎo)致接地故障。

3．3 定子鐵芯故障及診斷

定子鐵芯故障的主要原因是生產(chǎn)和裝配問題。定子鐵芯絕緣層厚度和分離的生產(chǎn)偏差、鐵芯負(fù)載的冷熱壓力、定子鐵芯的修邊和鉆孔過程以及定子鐵芯的高度偏差。此外，在長期可變電磁力的作用下，定子發(fā)動機(jī)的鐵芯層往往會選擇局部或整體，鐵芯絕緣損壞，局部過熱和鐵芯間短路。在這種現(xiàn)象的影響下，發(fā)電機(jī)容易受到安全風(fēng)險的影響。

3．4 負(fù)序電流繞損轉(zhuǎn)子故障及診斷

一般而言，汽輪發(fā)電機(jī)制造商在三相對稱負(fù)載條件下運(yùn)行。但是，不同的電源或發(fā)電系統(tǒng)沒有短路電源。例如，單級接地、兩相短路、單重疊或控制閥不能同時中斷三相負(fù)載，以保證穩(wěn)定運(yùn)行和避免事故。如果生產(chǎn)設(shè)備失效，除定子繞組的負(fù)序電壓和零序電流電壓外。負(fù)序電流形成的反向磁場在阻尼、勵磁和轉(zhuǎn)子電路中形成雙頻電流，導(dǎo)致銅和鐵的消耗。這導(dǎo)致發(fā)電機(jī)設(shè)備運(yùn)行緩慢，轉(zhuǎn)子溫度升高。轉(zhuǎn)子質(zhì)量嚴(yán)重受損，負(fù)電荷電流會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩和定子振動。即使工作時間短，也可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損壞和繼電器設(shè)備故障。

3．5 勵磁機(jī)的電壓電流跳動達(dá)不到額定值故障及診斷

當(dāng)交流勵磁機(jī)的勵磁電流加載到額定勵磁電流時，而汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流還遠(yuǎn)達(dá)不到額定勵磁電流時或汽輪發(fā)電機(jī)定子電壓還遠(yuǎn)達(dá)不到額定值，應(yīng)首先檢查旋轉(zhuǎn)整流電路，也有可能是交流勵磁機(jī)出現(xiàn)故障。

3．6 勵磁機(jī)絕緣電阻不合格故障診斷及分析

對于勵磁機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行其絕緣的好壞起到至關(guān)重要的作用，通常在勵磁機(jī)運(yùn)輸及存放過程中鐵芯和線圈都可能吸潮，所以啟機(jī)停機(jī)、檢修前后都要對勵磁機(jī)的絕緣電阻進(jìn)行測量，以滿足標(biāo)準(zhǔn)后才能正常啟機(jī)運(yùn)行。勵磁機(jī)不論是轉(zhuǎn)子定子或者二次回路都屬于低壓回路，使用的測量工具是500V的絕緣測試儀，測量其鐵芯、線圈及二次回路的絕緣合格，通常要大于1MΩ，對于絕緣電阻不合格的情況應(yīng)及時處理切不可帶病開機(jī)運(yùn)行。

4 汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中主要故障的預(yù)防措施

對于汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的上述故障，需要進(jìn)行精確的測試、生產(chǎn)和安裝，考慮相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)并采取預(yù)防措施。為了確保汽輪機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全，尤其是運(yùn)行了多年后的汽輪發(fā)電機(jī)應(yīng)對其進(jìn)行識別和評估，以確保其質(zhì)量。提前采取預(yù)防措施，并盡快實(shí)施。這可以減少事故和損失。針對發(fā)電機(jī)裝置的故障，提出以下解決方案。

4．1 定子繞組故障預(yù)防措施

改進(jìn)定子繞組的橡膠纏繞工藝，加強(qiáng)端部開口線的切向和徑向固定；螺紋和塑料加工，確保連接平穩(wěn)過渡；檢查定子是否被堵塞。在定期維護(hù)的情況下，檢查定子端部線圈和連接元件的連接和磨損情況，絕緣是否松動和磨損，以便采取有針對性的連接措施或更換零件；改進(jìn)接頭結(jié)構(gòu)，保證焊接質(zhì)量，保證定子線圈的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，加強(qiáng)銅空心管的質(zhì)量檢測，改進(jìn)定子隔離輸送管的布置；嚴(yán)格檢查定子端部繞組與上下梯度桿之間的間隙是否正確，防止安裝和維護(hù)時將鋸、螺釘、螺母等金屬體留在定子內(nèi)；通過測量局部放電監(jiān)測和診斷定子繞組的絕緣性能。

4．2 轉(zhuǎn)子繞組故障預(yù)防措施

轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生故障時，應(yīng)當(dāng)對其整體運(yùn)行狀況進(jìn)行仔細(xì)觀察。重點(diǎn)關(guān)注其通風(fēng)結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子及重新改進(jìn)的方式進(jìn)行改善。對通風(fēng)孔堵塞和移位進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，有效解決類似問題。對轉(zhuǎn)子繞組上的銅線進(jìn)行重新纏繞，并且定期清洗雜物，及時檢查繞組老化的情況。定期清潔轉(zhuǎn)子環(huán)周圍的碳粉，及時更換滑動電機(jī)的正負(fù)極性。并聯(lián)運(yùn)行時，在電刷和集電環(huán)之間滑動時，必須及時處理氣墊，以確保電刷電流的均勻分布。轉(zhuǎn)子繞組需要利用差動控制線圈進(jìn)行在線監(jiān)測，對短路報(bào)警應(yīng)當(dāng)做到及時顯示。

4．3 定子鐵芯故障預(yù)防措施

嚴(yán)格監(jiān)控生產(chǎn)、檢修回轉(zhuǎn)過程。小心地移除沖壓硅鋼片邊緣的毛刺。為了避免疊放過程中絕緣損壞，必須嚴(yán)格控制壓緊電阻，以確保定子鐵芯的壓緊質(zhì)量。在維護(hù)期間，檢查螺母和螺釘，以確保定子鐵芯拔出。通過鐵芯損耗和加熱試驗(yàn)驗(yàn)證鐵心的失效，并用紅外熱像儀測量定子鐵芯的表面溫度分布。

4．4 負(fù)序電流繞損轉(zhuǎn)子故障預(yù)防措施

采取負(fù)序保護(hù)裝置對穩(wěn)態(tài)負(fù)序電流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。配備報(bào)警設(shè)備，同時還要檢測斷路器在運(yùn)行過程中的三相狀態(tài)，采取相應(yīng)的保護(hù)措施。當(dāng)斷路器出現(xiàn)三相異常情況時，能夠針對問題做到及時處理。通?？梢圆捎媒档拓?fù)序電流的辦法，降低發(fā)電機(jī)勵磁電流，減小汽輪機(jī)輸出功率。

4．5 勵磁機(jī)電流電壓跳動達(dá)不到額定值預(yù)防措施

通常情況如發(fā)現(xiàn)勵磁機(jī)內(nèi)有積灰油泥等應(yīng)清理吹凈；檢查部件有無不正常現(xiàn)象，緊固件有無松動；接線有無變形和斷裂絕緣是否損壞和斷開現(xiàn)象；旋轉(zhuǎn)二極管是否損壞且旋轉(zhuǎn)整流盤每個整流元件的正反向電阻是否正常。一般情況是整流盤出現(xiàn)問題，需要檢查旋轉(zhuǎn)整流是否存在故障。首先將交流勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞繞組的三個出U、V、W從整流盤上拆卸掉，再將旋轉(zhuǎn)整流器的輸出端與同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的連線拆開。此時用萬用表電阻檔測量電機(jī)勵磁繞組直流電阻值，若與計(jì)算值一致，則說明發(fā)電機(jī)勵磁繞組完好。

4．6 勵磁機(jī)絕緣電阻不合格故障預(yù)防措施

對于勵磁機(jī)絕緣不合格通常采用外部加熱干燥和短路電流干燥的方法。外部加熱干燥法是采用電爐和蒸汽管作熱源，使用鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)，但是熱空氣溫度不能超過90℃，為了使電機(jī)干燥均勻和防止久熱變形，應(yīng)不斷轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子。

短路電流法相對復(fù)雜，是將整流環(huán)的整流元件正負(fù)極短路，小心地在勵磁機(jī)回路中加入勵磁電流不大于額定短路勵磁電流的40%，運(yùn)行3～4h后再升高勵磁電流至55%額定短路勵磁電流。干燥的注意事項(xiàng)有過分潮濕的不宜采用線圈通電加熱法；加熱過程應(yīng)防止局部過熱現(xiàn)象；絕緣電阻在干燥過程中，應(yīng)每隔半小時測量一次，當(dāng)其值穩(wěn)定3h后可判斷為干燥完成。

5 結(jié)語

火力發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)備的正確使用和維護(hù)非常重要，如果維護(hù)不當(dāng)將會嚴(yán)重影響火電廠的正常運(yùn)行。認(rèn)真記錄維修過程，積累維修經(jīng)驗(yàn)，使故障及時得到解決。保障電力企業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，保障企業(yè)供電用電，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。