汽轮发电机运行故障诊断与预防探讨

2023-01-02闫玉龙

中国设备工程 2022年14期

闫玉龙

（中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江七台 154100）

目前，我国仍以煤炭为主，装机容量在8亿千瓦左右。随着大规模、高参数发电厂的持续运行，我国的火力发电达到了一个新的水平。汽轮发电机组是火力发电系统的核心，是保证其正常运行的重要设备。特别是大型汽轮发电机并网后，汽轮发电机的故障和运行事故一直是火力发电系统发展中的主要问题之一。在系统的运行安全和维护方面不断发现新问题。运行监控等严重事故造成设备损坏和大规模停电，给经济造成巨大的经济损失，甚至严重危及电网的安全运行。鉴于此，一方面有必要引进和吸收国际先进技术，以不断改进发电机的设计和生产技术。另一方面，认真总结经验教训，严格按照发电机的技术条件和要求进行日常运行和维护，确保发电系统安全可靠、经济运行。

1 汽轮发电机故障诊断概述

随着现代机械化科学技术的发展和进步，现代机械系统的结构正变得更快、更精确、自动化程度更高。作为现代连续生产过程的重要组成部分，发电机组在发生故障时将严重影响其机械效率。这将导致发电中断，并将造成不良社会影响和经济损失。由于许多不可避免的因素，设备经常出现不同的故障，导致其自身功能的丧失或减少，从而导致大面积停电。目前，国内外电厂经常发生事故，造成损失和严重的社会后果。即使发生轻微事故，也可能因生产过程中机械设备损坏或操作不及时、不正常而造成经济损失。因此，为了保证发电装置的安全可靠运行，及时排除发电机故障显得尤为迫切。发电通常由发电厂转换成不同的一次能源或其他能源。目前，世界上的大多数能源形式是地热能、风能、光伏、水电和核能。核能和热能是通过蒸汽涡轮发电机将机械能转换成电能来使用的。

近年来，电力行业发展迅速，汽轮发电机装机容量迅速增加，厂房结构日趋复杂。机组故障的可能因素也相应增加。在安全可靠运行中，发电机故障带来的影响越来越大，因此应当越来越多地考虑设备故障对汽轮发电机的安全可靠运行带来的影响。

2 汽轮发电机故障诊断的目的与意义

2．1 故障诊断的目的

故障诊断的目的是根据从设备监测中获得的信息确定设备的状况，以确保设备在给定的工作环境和时间内可靠高效地运行。在维护、减少和消除事故方面提供指导和协助。如果可以通过分析相应参数的波动状况，可以避免许多事故。现代生产设备正在向大型、快速、连续和自动化生产方向发展，降低成本，提高生产效率，节约能源是企业发展非常重要的一个方面。另一方面，设备故障造成的经济损失也大大增加了维护成本。创新高科技技术的使用对现代工厂的可靠性和安全性提出了越来越高的要求。为了加强对现有老化生产设施的安全监测和故障诊断，许多旧设备都在接近使用寿命的状况下工作，并进入故障多发阶段。如果有完整的故障监测系统，旧设备的使用寿命也可以得到相应的延长。

2．2 故障诊断的意义

故障诊断的任务是监测设备的运行状态，包括结合历史数据和诊断系统状态的各种测量、分析和判别方法。包括考虑环境因素，以评估其是否处于正常状态。及时记录和显示状态和警报，为设备性能评估、故障分析、安全工作和有效使用提供基础数据和信息。能正确及时地纠正和诊断各种故障或异常情况，及时预防或排除故障，准确观察设备运行状态，提高设备的可靠性和效率，以最大限度地减少故障损失。同时确保设备具有最大的运行能力，制定合理的维护制度，充分发挥设备的潜力，延长设备的使用寿命。近几十年来，故障分析和诊断技术发展迅速。从传统的手工故障诊断到智能故障诊断，智能故障诊断可以快速准确地找到故障的原因和位置，从而快速解决问题，减少故障，提高机组运行的经济性和可靠性。

3 汽轮发电机运行过程中主要故障及相关诊断

3．1 定子绕组故障及诊断

汽轮发电机在我国应用的过程中，目前主要的冷却方式是“空气冷却”。但是，这种设计方式经常出现过程质量管理问题，例如在检查、维护及过程控制方面。如果发电机出现短路故障或者定子接地故障时，发电机将会出现过热现象，尤其是热应力或者机械应力。一旦出现上述情况将会对发电机的运行产生非常大的影响。通常情况下，绕组末端故障通常分为以下几类：（1）冷却回路在定子运转过程中出现堵塞情况。（2）铜导线出现断裂，通常发生在定子引线及线棒之间，影响正常运行。（3）接头焊接质量不满足要求，在短期运行过程中，经常会出现接头损坏，对设备的正常运行产生影响。（4）紧固件在绕组运行中出现绕组端部磨损情况。

3．2 转子绕组故障及诊断

转子缺陷通常包括接地绝缘缺陷、短路缺陷、热变形和集电环电刷烧损。此类转子绕组故障和短路故障通常由以下原因引起：转子过热导致绝缘损坏；冷却器泄漏、导电灰尘、异物和焊渣进入转子；制造工艺和局部缺陷；热应力和机械应力对绝缘造成的损坏；冷流道绕组被水堵塞，导致局部过热和旋转绝缘损坏。汽轮发电机绕组因热膨胀和机械作用(即残余变形或热变形而产生塑性变形。残余变形时，转子绕组和最终绝缘损坏，进而导致短路或接地缺陷以及严重的绕组故障。对于汽轮发电机而言，集电环与电刷的可靠接触是保证发电机正常运行的关键。如果电刷环烧损严重，电刷手柄和电刷架会烧损集电环的绝缘层，导致接地故障。

3．3 定子铁芯故障及诊断

定子铁芯故障的主要原因是生产和装配问题。定子铁芯绝缘层厚度和分离的生产偏差、铁芯负载的冷热压力、定子铁芯的修边和钻孔过程以及定子铁芯的高度偏差。此外，在长期可变电磁力的作用下，定子发动机的铁芯层往往会选择局部或整体，铁芯绝缘损坏，局部过热和铁芯间短路。在这种现象的影响下，发电机容易受到安全风险的影响。

3．4 负序电流绕损转子故障及诊断

一般而言，汽轮发电机制造商在三相对称负载条件下运行。但是，不同的电源或发电系统没有短路电源。例如，单级接地、两相短路、单重叠或控制阀不能同时中断三相负载，以保证稳定运行和避免事故。如果生产设备失效，除定子绕组的负序电压和零序电流电压外。负序电流形成的反向磁场在阻尼、励磁和转子电路中形成双频电流，导致铜和铁的消耗。这导致发电机设备运行缓慢，转子温度升高。转子质量严重受损，负电荷电流会导致转矩和定子振动。即使工作时间短，也可能导致转子损坏和继电器设备故障。

3．5 励磁机的电压电流跳动达不到额定值故障及诊断

当交流励磁机的励磁电流加载到额定励磁电流时，而汽轮发电机转子励磁电流还远达不到额定励磁电流时或汽轮发电机定子电压还远达不到额定值，应首先检查旋转整流电路，也有可能是交流励磁机出现故障。

3．6 励磁机绝缘电阻不合格故障诊断及分析

对于励磁机的稳定运行其绝缘的好坏起到至关重要的作用，通常在励磁机运输及存放过程中铁芯和线圈都可能吸潮，所以启机停机、检修前后都要对励磁机的绝缘电阻进行测量，以满足标准后才能正常启机运行。励磁机不论是转子定子或者二次回路都属于低压回路，使用的测量工具是500V的绝缘测试仪，测量其铁芯、线圈及二次回路的绝缘合格，通常要大于1MΩ，对于绝缘电阻不合格的情况应及时处理切不可带病开机运行。

4 汽轮发电机运行过程中主要故障的预防措施

对于汽轮发电机运行中的上述故障，需要进行精确的测试、生产和安装，考虑相关技术要点并采取预防措施。为了确保汽轮机系统的正常运行和安全，尤其是运行了多年后的汽轮发电机应对其进行识别和评估，以确保其质量。提前采取预防措施，并尽快实施。这可以减少事故和损失。针对发电机装置的故障，提出以下解决方案。

4．1 定子绕组故障预防措施

改进定子绕组的橡胶缠绕工艺，加强端部开口线的切向和径向固定；螺纹和塑料加工，确保连接平稳过渡；检查定子是否被堵塞。在定期维护的情况下，检查定子端部线圈和连接元件的连接和磨损情况，绝缘是否松动和磨损，以便采取有针对性的连接措施或更换零件；改进接头结构，保证焊接质量，保证定子线圈的稳定性和强度，加强铜空心管的质量检测，改进定子隔离输送管的布置；严格检查定子端部绕组与上下梯度杆之间的间隙是否正确，防止安装和维护时将锯、螺钉、螺母等金属体留在定子内；通过测量局部放电监测和诊断定子绕组的绝缘性能。

4．2 转子绕组故障预防措施

转子绕组发生故障时，应当对其整体运行状况进行仔细观察。重点关注其通风结构，通过设计转子及重新改进的方式进行改善。对通风孔堵塞和移位进行重点关注，有效解决类似问题。对转子绕组上的铜线进行重新缠绕，并且定期清洗杂物，及时检查绕组老化的情况。定期清洁转子环周围的碳粉，及时更换滑动电机的正负极性。并联运行时，在电刷和集电环之间滑动时，必须及时处理气垫，以确保电刷电流的均匀分布。转子绕组需要利用差动控制线圈进行在线监测，对短路报警应当做到及时显示。

4．3 定子铁芯故障预防措施

严格监控生产、检修回转过程。小心地移除冲压硅钢片边缘的毛刺。为了避免叠放过程中绝缘损坏，必须严格控制压紧电阻，以确保定子铁芯的压紧质量。在维护期间，检查螺母和螺钉，以确保定子铁芯拔出。通过铁芯损耗和加热试验验证铁心的失效，并用红外热像仪测量定子铁芯的表面温度分布。

4．4 负序电流绕损转子故障预防措施

采取负序保护装置对稳态负序电流进行实时监测。配备报警设备，同时还要检测断路器在运行过程中的三相状态，采取相应的保护措施。当断路器出现三相异常情况时，能够针对问题做到及时处理。通常可以采用降低负序电流的办法，降低发电机励磁电流，减小汽轮机输出功率。

4．5 励磁机电流电压跳动达不到额定值预防措施

通常情况如发现励磁机内有积灰油泥等应清理吹净；检查部件有无不正常现象，紧固件有无松动；接线有无变形和断裂绝缘是否损坏和断开现象；旋转二极管是否损坏且旋转整流盘每个整流元件的正反向电阻是否正常。一般情况是整流盘出现问题，需要检查旋转整流是否存在故障。首先将交流励磁机转子电枢绕组的三个出U、V、W从整流盘上拆卸掉，再将旋转整流器的输出端与同步发电机转子绕组的连线拆开。此时用万用表电阻档测量电机励磁绕组直流电阻值，若与计算值一致，则说明发电机励磁绕组完好。

4．6 励磁机绝缘电阻不合格故障预防措施

对于励磁机绝缘不合格通常采用外部加热干燥和短路电流干燥的方法。外部加热干燥法是采用电炉和蒸汽管作热源，使用鼓风机吹风，但是热空气温度不能超过90℃，为了使电机干燥均匀和防止久热变形，应不断转动转子。

短路电流法相对复杂，是将整流环的整流元件正负极短路，小心地在励磁机回路中加入励磁电流不大于额定短路励磁电流的40%，运行3～4h后再升高励磁电流至55%额定短路励磁电流。干燥的注意事项有过分潮湿的不宜采用线圈通电加热法；加热过程应防止局部过热现象；绝缘电阻在干燥过程中，应每隔半小时测量一次，当其值稳定3h后可判断为干燥完成。