引進型國產1000MW汽輪發電機定子繞組端部模態及運行效果分析

仇 明，詹偉芹，葛祥飛

（1. 神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025；2. 神華廣東國華粵電臺山發電有限責任公司，廣東 臺山 529228；3. 神華國華綏中發電有限責任公司，遼寧 綏中 125222）

前言

發電機在運行過程中，定子將受到轉子磁拉力作用，產生兩倍系統頻率的強迫振動，發電機定子繞組端部不但要承受正常運行時的交變電磁力，還要承受出口或內部短路時產生的巨大的瞬態電磁力作用。隨著發電機單機容量的逐步增大，定子繞組端部在機械上的可靠固定和防止兩倍頻電磁振動造成的危害已成為一個重要課題。多年實際運行經驗表明：倘若定子端部線棒的橢圓模態固有頻率等于或接近 100Hz，就可能發生共振，即使較小的激振力也會誘發較大的振動，往往在機組投運后不久就會出現端部松動、磨損現象。

現行GB/T 20140-2006《透平型發電機定子繞組端部動態特性和振動試驗方法及評定》總結了這方面的經驗，并對發電機定子繞組端部振動特性有明確的要求。近幾年，發現按引進技術制造的1000MW汽輪發電機端部振動特性測試結果不能滿足標準要求，但機組運行后檢查未見松動磨損的現象。為此，我們在不同制造廠的1000MW汽輪發電機安裝了在線振動測量裝置，以觀察機組運行中實際振動數據。下面從1000MW 汽輪發電機繞組端部模態測試數據、運行后端部檢查情況、在線振動測量三方面對此問題進行闡述。

1 引進型國產 1000MW 汽輪發電機端部固定結構

目前，國內制造的1000MW汽輪發電機有三種，分別為東方電機有限公司（引進日立技術）、哈爾濱電機廠有限責任公司（引進東芝技術）、上海汽輪發電機有限公司（引進西門子技術）。由于日立和東芝1000MW汽輪發電機制造技術來源于GE，因此兩者很接近，它的定子繞組端部為綁扎結構，如圖2。而西門子定子繞組端部為錐環加壓板結構如圖1。上述制造廠1000MW 汽輪發電機與定子振動有關的結構工藝如表1。

表1 三個制造廠1000MW汽輪發電機與定子振動有關的結構工藝對比表

2 現行國標對發電機定子繞組端部動態特性的有關規定

現行GB/T 20140-2006《透平型發電機定子繞組端部動態特性和振動試驗方法及評定》中對發電機定子繞組端部振動特性的有關要求如下：

（1）定子繞組端部整體的橢圓固有頻率應避開95Hz ～110Hz 的范圍；

（2）定子繞組引線的固有頻率應避開95Hz ～106 Hz的范圍；

（3）發電機正常運行時若裝有在線監測裝置，定子繞組端部的振動幅值應小于 250μm。若振動幅值大于250μm，應發報警信號。若振動幅值大于400μm，發電機應盡快停機檢查、處理；

（4）發電機正常運行時，定子端部倍頻振動位移峰一峰值的變化大于100μm時應發報警信號，并加強監視；

（5）發電機型式試驗時空載或短路狀態下的振動位移峰一峰值應小于 100μm。這些規定對避開共振，控制振幅，提高發電機運行可靠性是很有效的，并在200～600MW發電機制造和運行中積累了豐富的經驗。

圖1 上海電機廠1000MW汽輪發電機定子繞組支撐結構

圖2 東方、哈爾濱電機廠1000MW汽輪發電機定子繞組支撐結構

3 引進型1000MW汽輪發電機端部模態現狀

從目前掌握的端部模態技術數據來看，引進型國內制造的1000MW汽輪發電機端部模態絕大多數均不能符合上述國標中的相關規定，主要表現為：

（1）汽端未避開94Hz～115Hz范圍的固有頻率且振型為橢圓形；

（2）勵端未避開94Hz～115Hz范圍的固有頻率且振型為橢圓形；

（3）汽勵兩端均未避開94Hz～115Hz的范圍。例如東方電機廠制造的某電廠4號機數據，如表2和表3所示，上海電機廠制造的某電廠6號機模態數據，如圖3所示。

表2 東方電機廠制造某電廠整體模態

表3 東方電機廠制造某電廠引線頻率

圖3 上海電機廠制造的某電廠6號機模態數據

因外方未進行技術轉讓，國內制造廠均不能提供本型機型式試驗技術數據，咨詢國外制造商后均回復機型成熟、未有端部磨損案例報告。

4 引進型 1000MW 汽輪發電機運行狀況及端部振動實測數據

據不完全統計，目前國內投運的1000MW汽輪發電機已有三十余臺，最長運行時間已近10年。其中有上海電機廠（引進西門子技術）、東方電機廠（引進日立技術）和哈爾濱電機廠（引進東芝技術）。從目前國內在役的百萬汽輪發電機實際振動磨損檢查情況看，雖然發電機端部模態絕大多數均不能符合國標要求，但總體運行狀況是好的，未見有端部松動、磨損案例的報告。

（1）百萬機組汽輪發電機端部振動實測情況

為掌握模態試驗不符合國標的1000MW發電機端部實際振動數據，分別在東方電機廠和上海電機廠制造的1000MW汽輪發電機上安裝了端部振動在線監測裝置，實時監測數據如表4和表5所示。

表4 東方電機廠制造的某電廠4號百萬汽輪發電機在線振動監測數據 單位：μm

表5 上海電機廠制造的某電廠6號百萬汽輪發電機在線振動監測數據 單位：μm

從實時監測數據來看，檢測數據滿足國標“發電機正常運行時，定子繞組端部的振動幅值應小于250um”的要求。東方電機廠制造的百萬發電機在線振動數據符合常理，即振動數據隨負荷增加而增長；上海電機廠制造的百萬發電機在線振動數據卻不符常理，即振動數據隨負荷增加而減小，檢查探頭安裝及測量數據均無誤（用標準表校核數據），對此現象進一步跟蹤分析；發電機端部固有頻率是由其端部質量和固定結構剛度所決定的。對于同一設計結構、同一施工工藝的發電機，在排除工藝分散性造成的影響后，端部固有頻率是相對固定的。上述三公司端部固定結構均采用剛柔固定結構，此結構能有效吸收或緩解端部振動能量，是目前經實踐證明較為成熟的端部設計結構，雖模態試驗不能滿足國標的要求，但實際監測振動數據和多臺機組實際檢查未見異常。

（2）發電機端部振動

經了解，發電機定子繞組端部振動在線監測目前無統一的國際標準，幾個著名制造商和部分國家關于汽輪發電機振動監測標準見表6。

表6 有關汽輪發電機定子繞組端部振動測試標準單位μm

模態試驗不合格只是預測發電機運行中可能會發生共振，由于實際運行中受溫度變化和共振峰帶寬的影響并不一定共振，同時由于振動阻尼的影響，振動幅值是否超標也與共振與否無必然聯系，上世紀九十年代初，我國引進的原蘇聯500MW及800MW汽輪發電機雖端部模態符合國標要求，但因其端部固定結構的先天性缺陷，導致松動、磨損事故頻發，以至于不得不改變端部固定結構。

5 結論

（1）判定發電機定子繞組端部是否存在影響安全運行的振動問題，唯一和最終判據是實際運行時的振幅值。由于模態試驗屬于靜態試驗，僅是間接預測發電機是否可能在運行中產生共振，不能肯定振動幅值一定超標。因此，也就不能把模態試驗結果作為發電機能否投運的決定性判據。實際上，是否共振還與定子繞組結構、運行溫度等有關。

（2）只要制造廠嚴格按引進技術施工，同時做好端部結構緊固件的防松措施，即使1000MW汽輪發電機端部模態不能完全符合現行GB/T 20140-2006《透平型發電機定子繞組端部動態特性和振動試驗方法及評定》中對發電機定子繞組端部振動特性的有關要求，只要監測運行中發電機端部實際振動數值不超過國標要求，由于阻尼較強，即使存在危險的固有頻率和橢圓振形，發電機安全運行還是有保障的。相同結構的發電機完全具有可借鑒性。

（3）鑒于百萬千瓦級汽輪發電機在這方面出現的新情況，建議及時修訂GB/T 20140-2006《透平型發電機定子繞組端部動態特性和振動試驗方法及評定》。

[1]GB/T 20140-2006, 透平型發電機定子繞組端部動態特性和振動試驗方法及評定[S].

[2]暢雅平, 鄭寶珍, 等. 國產200MW汽輪發電機定子繞組端部在線振動監測的試驗研究[J]. 大電機技術. 2002 (6).

[3]白亞民, 葛海濱, 曾芳, 等. 兩臺進口 600MW 汽輪發電機防止定子繞組端部損壞的技術改造措施[J]. 大電機技術. 2004(7).