張文明　張慶偉　宋貴濤

摘要：當(dāng)前鄒縣發(fā)電廠四臺(tái)燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)節(jié)任務(wù)的壓力越來越大，快速調(diào)整負(fù)荷的瓶頸問題突出。本文分析了當(dāng)前鄒縣發(fā)電廠參與調(diào)峰的四臺(tái)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行方式定、轉(zhuǎn)子典型故障，并對深度調(diào)峰時(shí)發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子熱膨脹差值進(jìn)行計(jì)算分析、評(píng)估，判斷定、轉(zhuǎn)子繞組熱膨脹差值是發(fā)電機(jī)深調(diào)的主要限制因素。本文的內(nèi)容為適應(yīng)深度調(diào)峰的燃煤汽輪發(fā)電機(jī)優(yōu)化和改進(jìn)提供了確切思路，為保證發(fā)電機(jī)參與深調(diào)的安全可靠運(yùn)行提供有益參考。

Abstract： At present， the pressure of four coal-fired steam turbine generator sets of Zouxian Power Plant to undertake grid adjustment tasks is increasing， and the bottleneck problem of rapid adjustment of load is prominent. This paper analyzes the current normal operation mode and typical rotor failure of four generators involved in peak shaving in Zouxian Power Plant， and calculates and analyzes the difference between generator stator and rotor thermal expansion during deep peak shaving， and determines the stator winding. The difference in thermal expansion is the main limiting factor for the deep regulation of the generator. The content of this paper provides a clear idea for the optimization and improvement of coal-fired turbine generators for deep peak shaving， and provides a useful reference for ensuring the safe and reliable operation of generators participating in deep adjustment.

關(guān)鍵詞：深度調(diào)峰;汽輪發(fā)電機(jī);運(yùn)行方式;故障分析;熱膨脹差值

Key words： deep peak shaving;turbo generator;operation mode;fault analysis;thermal expansion difference

中圖分類號(hào)：TM311 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）23-0161-04

0 ?引言

目前我國電力系統(tǒng)存在超高壓、遠(yuǎn)距離、交直流混合輸電的特點(diǎn)，加之風(fēng)電、太陽能等分布式電源大量介入[1]?！笆濉逼陂g能源清潔化和電力體制改革走向深入，電網(wǎng)和電站運(yùn)行長距離輸電、新能源接入、節(jié)能和超低排放、靈活性運(yùn)行、競價(jià)上網(wǎng)特點(diǎn)突出。燃煤火電機(jī)組運(yùn)行的外部環(huán)境變革，運(yùn)行方式從原來的主要承擔(dān)“基荷”運(yùn)行轉(zhuǎn)變成調(diào)峰、調(diào)壓、調(diào)頻等靈活方式運(yùn)行，新的運(yùn)行方式對在役燃煤發(fā)電機(jī)的適應(yīng)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等提出了更高的要求[2]。

在“十三五”期間，新增跨省跨區(qū)通道19條、輸電能力1.3億千瓦，新能源和可再生能源約7000萬千瓦，電力消費(fèi)增速減速換擋、煤電機(jī)組投產(chǎn)過多、煤電機(jī)組承擔(dān)高速增長的非化石能源發(fā)電深度調(diào)峰和備用等功能的原因[3] [4]，火電機(jī)組尤其是煤電機(jī)組在未來幾年持續(xù)低負(fù)荷運(yùn)行或者深度調(diào)峰將成為常態(tài)。煤電發(fā)展將從單純保障電量供應(yīng)，向更好地保障電力供應(yīng)、提供輔助服務(wù)并重轉(zhuǎn)變[5]。

1 ?深調(diào)方式簡介

深度調(diào)峰就是受電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差較大影響而導(dǎo)致各發(fā)電廠降出力、發(fā)電機(jī)組超過基本調(diào)峰范圍進(jìn)行調(diào)峰的一種運(yùn)行方式;深度調(diào)峰的負(fù)荷范圍超過該電廠鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷（一般深度調(diào)峰的調(diào)峰深度為60%-70%BMCR）。目前，燃煤火電呈現(xiàn)出參與調(diào)峰或調(diào)停機(jī)組數(shù)增多、利用小時(shí)數(shù)減少、機(jī)組負(fù)荷率低等特點(diǎn)。

鄒縣發(fā)電廠燃煤火電機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行方式變負(fù)荷運(yùn)行，且鄒縣發(fā)電廠深調(diào)超過一般調(diào)節(jié)深度負(fù)荷，負(fù)荷變化快。

過去大容量燃煤火電機(jī)組均以帶基礎(chǔ)負(fù)荷長期穩(wěn)定運(yùn)行為設(shè)計(jì)目標(biāo)，關(guān)注的重點(diǎn)在于如何優(yōu)化定轉(zhuǎn)子繞組和定子鐵心的冷卻方式，以提高滿負(fù)載工況下發(fā)電機(jī)的輸出效率和參數(shù)。但是當(dāng)前由于電網(wǎng)外部運(yùn)行環(huán)境的改變，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式與以往相比有很大的不同。調(diào)峰、調(diào)壓、進(jìn)相運(yùn)行的時(shí)間和次數(shù)都大大增加。雖然發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)之初，考慮了各種運(yùn)行環(huán)境對發(fā)電機(jī)的影響，也采取了相應(yīng)的措施加以應(yīng)對，但實(shí)際上之前很少有大容量汽輪發(fā)電機(jī)在長期的調(diào)峰、調(diào)壓包括進(jìn)相下運(yùn)行，行業(yè)內(nèi)對這些運(yùn)行方式的機(jī)理分析還不夠[4]。

2 ?正常運(yùn)行方式與深度調(diào)峰對發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組及鐵芯的影響對比分析

鄒縣發(fā)電廠在役8臺(tái)燃煤汽輪發(fā)電機(jī)，其中635MW、1000MW發(fā)電機(jī)均參與深調(diào)，針對深調(diào)可能存在的問題，在歷次大小修期間對發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子細(xì)致檢查，深調(diào)期間著重對發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵芯與線棒的熱膨脹差值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以期分析深調(diào)對電氣系統(tǒng)的影響程度，作出研究、應(yīng)對措施。

2.1 正常運(yùn)行方式發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子典型故障分析

2.1.1 定子端部松動(dòng)

2014年1000MW機(jī)組大修，檢查發(fā)電機(jī)定子端部L型支架滑銷有六處磨損，定子勵(lì)端支架與環(huán)形引線之間10、11、12、1、2、4、5點(diǎn)鐘支架有不同程度的磨損，勵(lì)端11點(diǎn)鐘引線與支撐環(huán)之間有磨損，有輕微黃粉。處理情況：清理、檢查、復(fù)位滑銷，并粘結(jié)固定滑移銷套。鏟開松動(dòng)的定子環(huán)形引線綁繩，環(huán)形引線加間隔塊，并用Φ5，浸NAZ膠的滌波繩綁扎牢固。

2.1.2 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路

檢查發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在輕微匝間短路現(xiàn)象。解體后發(fā)現(xiàn)，護(hù)環(huán)下轉(zhuǎn)子線圈頂匝在R處變形嚴(yán)重;#9槽勵(lì)側(cè)護(hù)環(huán)下1～2匝間絕緣紙破損，且有放電痕跡;#19槽的勵(lì)側(cè)護(hù)環(huán)下1～2匝間有放電痕跡。

以上為機(jī)組正常方式運(yùn)行中，發(fā)生的定轉(zhuǎn)子繞組異常情況的典型故障記錄。

2.1.3 故障分析

由于定轉(zhuǎn)子繞組、鐵芯、絕緣材料等熱膨脹系數(shù)不同，加上定子繞組本身的電磁振動(dòng)加上循環(huán)熱應(yīng)力的影響，可能會(huì)加劇類似磨損、振動(dòng)情況，甚至導(dǎo)致定子繞組出現(xiàn)端部支架斷裂等故障。轉(zhuǎn)子繞組承受高速旋轉(zhuǎn)的離心力，可能會(huì)使轉(zhuǎn)子銅線產(chǎn)生蠕變，進(jìn)而造成端部頂匝線圈的銅線因應(yīng)力蠕變而發(fā)生變形，甚至可能發(fā)展成匝間短路。發(fā)電機(jī)定子鐵芯在外部運(yùn)行方式變化引起的諧振下，存在出現(xiàn)鐵芯松動(dòng)、造成鐵芯振動(dòng)幅值加大的問題。

根據(jù)當(dāng)發(fā)電機(jī)從常規(guī)運(yùn)行轉(zhuǎn)向頻繁調(diào)峰時(shí)，應(yīng)對機(jī)組進(jìn)行全面檢查，對于以上常態(tài)運(yùn)行多發(fā)故障重點(diǎn)關(guān)注。結(jié)合深調(diào)時(shí)溫度變化速率快的特點(diǎn)，初步判斷定、轉(zhuǎn)子繞組熱膨脹差值將成為發(fā)電機(jī)深調(diào)的主要限制因素。

2.2 深調(diào)運(yùn)行方式定、轉(zhuǎn)子熱膨脹差值分析

2.2.1 發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)

鄒縣發(fā)電廠#5機(jī)組635MW，截取3月5日13：00至18：00運(yùn)行參數(shù)曲線，分析如下：

發(fā)電機(jī)有功在224MW至606MW，有功、無功均在發(fā)電機(jī)PQ曲線以內(nèi)，符合運(yùn)行要求。發(fā)電機(jī)端電壓、發(fā)電機(jī)定子電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流均不超過額定限值。

2.2.2 發(fā)電機(jī)各部溫度

截取3月5日13：00至18：00溫度曲線，分析如下：

發(fā)電機(jī)深調(diào)有功224MW時(shí)，發(fā)電機(jī)各部溫度均不超限，定子最高定子鐵芯夾2-43點(diǎn)74℃，轉(zhuǎn)子溫度66℃。

發(fā)電機(jī)有功在224MW至606MW，定子溫升最大點(diǎn)定子鐵芯夾2-53，溫升17℃，平均2.6℃/小時(shí)，轉(zhuǎn)子溫升13℃，平均2℃/小時(shí)，遠(yuǎn)低于20℃/小時(shí)的要求。

2.2.3 熱膨脹值計(jì)算

考慮發(fā)電機(jī)定子線圈及轉(zhuǎn)子線棒的物理性狀，熱膨脹值偏差主要集中在軸向方向，并近似看做一維的物體，且銅、鐵金屬均具備各向同性，其軸向長度就是衡量其體積的決定因素，這時(shí)的熱膨脹系數(shù)可簡化定義為：單位溫度改變下長度的增加量與的原長度的比值，即線膨脹系數(shù)。線脹系數(shù)是指固態(tài)物質(zhì)當(dāng)溫度改變攝氏度1度時(shí)，其長度的變化和它在0℃時(shí)的長度的比值。各物體的線脹系數(shù)不同，一般金屬的線脹系數(shù)約為度（攝氏）。

由線膨脹系數(shù)α=ΔL/（L*ΔT）

即：ΔL=α*L*ΔT

式中ΔL為所給溫度變化ΔT下物體長度的改變，L為初始長度;

測定溫度條件及單位：20℃，（單位1E-6 /K或1E-6 /℃）

查詢深調(diào)始末測溫記錄，計(jì)算相對應(yīng)的熱膨脹差值，詳見表2。

由表2可知：

①定子鐵芯最大膨脹點(diǎn)位于發(fā)電機(jī)定子鐵芯卡表面溫度2-53，熱膨脹量2.10938mm，發(fā)電機(jī)定子線棒最小膨脹點(diǎn)位于發(fā)電機(jī)定子線棒溫度1-20，熱膨脹量1.225mm;計(jì)算定子鐵芯與定子線棒熱膨脹差值：為2.10938-1.225=0.88438mm。

②轉(zhuǎn)子熱膨脹量因只有線棒溫度可供參考，轉(zhuǎn)子鐵芯使用相同參數(shù)，僅考慮不同金屬膨脹差別，計(jì)算轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)子線棒熱膨脹差值：為2.32932-1.6238688=0.7054512mm。

另：發(fā)電機(jī)由低負(fù)荷迅速增加至高負(fù)荷時(shí)銅材質(zhì)的轉(zhuǎn)子線棒溫升將快于鐵芯溫度，取鐵芯溫差經(jīng)驗(yàn)值10℃，其熱膨脹差值為2.32932-1.22=1.10932mm。

2.2.4 發(fā)電機(jī)深調(diào)定、轉(zhuǎn)子影響分析

由上可知，定子鐵芯和定子繞組之間熱膨脹系數(shù)不同，相對速率較快的負(fù)荷深度調(diào)整引起的溫度變化速率也差異較大，造成在發(fā)電機(jī)鐵芯和繞組之間的軸向膨脹和收縮量不一樣，產(chǎn)生銅鐵膨脹差。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)或負(fù)荷緩慢調(diào)整時(shí)定、轉(zhuǎn)子熱膨脹差值均在可控范圍內(nèi)，但長期、頻繁深調(diào)運(yùn)行可能會(huì)因絕緣材料與銅導(dǎo)體膨脹系數(shù)不同形成剪切應(yīng)力，造成二者間的聯(lián)接破壞，使得銅導(dǎo)體表面的環(huán)氧云母絕緣發(fā)生分層或脫殼，降低絕緣材料的性能，進(jìn)而加劇定子繞組的松動(dòng)。

長期、頻繁的脹縮會(huì)使轉(zhuǎn)子銅線，特別是轉(zhuǎn)子端部頂匝線圈的銅線容易因應(yīng)力蠕變而發(fā)生變形，進(jìn)而可能發(fā)展成匝間短路。

3 ?小結(jié)

結(jié)合正常運(yùn)行方式故障與深調(diào)方式定、轉(zhuǎn)子繞組熱膨脹差值分析，可知長期、頻繁深度調(diào)峰確會(huì)導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子繞組熱膨脹差值增大，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣松動(dòng)及轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障加劇。定、轉(zhuǎn)子繞組熱膨脹差值是發(fā)電機(jī)深調(diào)的主要限制因素。

此類故障建議通過對機(jī)組繞組、鐵芯、絕緣材料、工藝等進(jìn)行適應(yīng)性的改造，完善運(yùn)行調(diào)整措施，改進(jìn)定子槽楔結(jié)構(gòu)以提高定子線棒槽內(nèi)固定的可靠性;優(yōu)化和改進(jìn)轉(zhuǎn)子線圈端部墊塊固定結(jié)構(gòu)以限制線圈變形等，以適應(yīng)新的運(yùn)行方式需求。

下一步仍需對長期、頻繁深度調(diào)峰的發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組及鐵芯的影響程度進(jìn)行記錄觀測，以確定是否還存在其他不可控因素。應(yīng)考慮完善轉(zhuǎn)子線圈匝間短路在線監(jiān)測手段、加裝定子線棒在線監(jiān)測裝置測振、軸電壓軸電流等在線監(jiān)測裝置，隨時(shí)掌握深度調(diào)峰引發(fā)的發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)變化，以便應(yīng)對深調(diào)的變化，為機(jī)組的可靠運(yùn)行提供更好的保障。

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