某燃氣機組發電機集電環燒損事故分析

崔 鵬,陳 帥

(1.華能河南中原燃氣發電有限公司，河南 駐馬店 463000;2.池州學院，安徽 池州 247100)

在發電廠中，發電機集電環是勵磁電流匯聚的關鍵設備，和燃煤機組不同的是，燃氣機組出于結構設計和用地的限制，機組布置以單軸布置居多，其集電環處于發電機和汽輪機之間，是機組大軸系的中心，因此其受軸系的影響也較大[1]。本文介紹了某燃機電廠一起發電機集電環燒損事故，詳細闡述了檢查過程和分析思路，重點分析了軸系振動對集電環的影響，并提出了改進措施。

1 設備概況

某燃機電廠采用西門子V94.3A型燃氣輪機，發電機型號THDF 108/53，汽輪機型號TCF-1，出口電壓21 kV，額定功率390 MW，主接線采用擴大型單元接線。機組采用燃機-發電機-汽輪機單軸布置，軸系由燃氣輪機轉子、發電機轉子、汽輪機高壓轉子、中低壓轉子以及8個支持軸承組成，燃氣輪機和發電機采用雙支撐結構，汽輪機采用三支撐結構，汽輪機和發電機轉子之間采用SSS離合器連接。機組軸系如圖1所示。

機組自西向東布置依次為汽輪機中低壓缸、高壓缸、SSS離合器、集電環、發電機、中間軸、燃氣輪機，軸承排列為L8、L7、L6、L5、L4、L3、L2、L1，轉子排列為汽輪機中低壓轉子、高壓轉子、集電環短軸、發電機轉子、燃機和發電機中間軸、燃氣輪機轉子，SSS離合器兩側軸承為L6、L5，將整個軸系分為2段，集電環處于軸承L5、L4之間。

勵磁系統采用他勵可控硅微機靜態勵磁，滿載勵磁電壓388 V，滿載勵磁電流3422 A，勵磁集電環正負極各配置摩根NCC634型碳刷36支。

2 事故經過

某日，2號機組調峰運行中，共發電機有功功率380 MW，無功功率50 Mvar，發電機氫壓0.49 MPa，機組AGC控制方式，勵磁系統自動調節模式，勵磁電流1644 A ，勵磁電壓236 V。機組運行工況穩定，無重大操作。13：25左右，巡檢人員發現2號發電機集電環小室下方有火星，隨即報告運行值長，運行值長通知檢修人員進行就地檢查，檢查中發電機集電環出現環火，檢修人員遂通知運行人員降低機組負荷，在機組緊急降負荷過程中，集電環小室刷架(材質為絕緣板)過熱冒出黑煙，同時環火造成進線電纜絕緣層老化，造成轉子回路一點接地，13：32，2號發電機轉子接地保護動作，機組停機。

機組停機后，檢修人員迅速打開勵磁滑環小室，使用滅火器對勵磁刷架進行滅火，同時降低發電機氫壓。滅火后，對發電機勵磁刷架、碳刷及滑環短軸進行檢查，發現集電環正極側的刷架燒損，其中靠近發電機側，編號為2、3的2組碳刷受損最為嚴重(見圖2)，2-4、2-5、3-4、3-5等4支碳刷刷架熔損，刷握掉落至地面，同時集電環正極表面被熔化的碳粉、刷架覆蓋成黑色。集電環負極除刷握顏色變深外無其他受損現象。

從現場檢查中可以確認刷架正極已經損壞，集電環正極表面附著有熔化的碳粉，很難清除，且對應編號為2、3的2組碳刷位置的集電環表面有明顯凹痕，集電環軸無明顯損害跡象。經電廠綜合評估，決定更換刷架和正極集電環，由于集電環生產周期較長，后緊急從同類型電廠借到1根集電環短軸和刷架，更換完成后，機組于6日后恢復備用。

3 原因分析

發電機集電環主要包括勵磁刷架、碳刷及滑環短軸等幾部分，碳刷與集電環接觸電阻大、集電環通風不良、軸系振動大、設計和制造缺陷都可能引起碳刷打火[2]。事故發生后，電廠對當時使用的摩根NCC634型碳刷、刷握、集電環濾網進行了檢查，基本可以排除碳刷質量不良、刷握壓緊彈簧彈力不足、通風濾網堵塞、通風不暢等原因。由于電廠集電環處于機組軸系的中心，受軸系兩側影響，考慮到當時2號發電機的軸振值一直保持在100 μm左右，超過了83 μm的報警值，因此考慮軸系振動對集電環的影響。

一方面滑環固定在發電機轉子軸上，碳刷安裝在刷架上，碳刷靠壓緊彈簧的壓力貼在滑環上，軸系振動大可以造成碳刷壓緊彈簧壓力降低；另一方面，發電機3000 r/min同步轉速時，其運行時的振動頻率即使是半倍頻，碳刷在刷握中的跳動頻率也是無法跟蹤上的，所以軸系振動大時，碳刷就像浮在滑環表面，造成二者接觸不良，振動越大，對接觸電阻的影響越大。機組運行時軸系振動情況如圖3所示。

由圖3可以看出，事故發生前72 h，機組運行時，機組軸振一直在100 μm左右，L4軸瓦瓦振達到了200 μm左右，已顯著超過了正常運行范圍。從運行曲線中，有理由判斷長期的機組軸振超標導致L4軸瓦瓦振嚴重超標，加之SSS離合器的頻繁動作，最終導致應力傳至集電環正負極，造成正極部分碳刷和滑環接觸不良，另一部分碳刷承擔的電流變大，造成局部過熱，最終造成環火。

從全國同類型機組看，鄭州燃機、廈門燃機和蕭山燃機都曾發生過集電環燒損情況，燒損部位都是集電環正極，并且靠近發電機側的部位，可見該型集電環可能在設計和制造上就存在缺陷[3]，具體體現在以下方面。

a.刷架布局設計和安裝方式不合理。由于汽輪機、發電機、燃機同軸布置，滑環軸內需要穿過汽機聯軸器，滑環直徑不得不加大，常規火電廠滑環軸直徑一般為350 mm，單軸燃機為500 mm，這就導致滑環線速度變高，更容易使碳刷發熱打火。同時這種刷架設計，碳刷被絕緣板封閉在刷架內，觀察不到碳刷和滑環結合面的情況，無法發現早期碳刷的打火，只有等范圍擴大時才能發現。

b.碳刷電流密度過大。該電廠發電機額定勵磁電流3422 A，平均每只碳刷分攤電流95.1 A，NCC634型碳刷通過電流一般不要超過100 A，加上碳刷負溫度系數導電特效影響，導致機組高負荷時，碳刷分擔電流大，當部分碳刷接觸不良時，其他碳刷有可能因為過流導致超溫。

c.刷握壓簧設計不合理。刷握壓簧采用非恒壓彈簧，在碳刷磨短過程中碳刷壓力變化較小，造成電刷與滑環接觸不穩定，接觸壓降增大，碳刷過熱，同時由于碳刷批次不同，造成刷握壓簧壓力不均勻，致使各電刷電流分布不均。

d.刷架和刷握制造工藝粗糙。刷握和刷架上的刷盒采用卡式固定，二者之間無緊固裝置，僅靠接觸導電，所以對其接觸面的加工工藝要求很高，目前國內生產的刷握和刷架的加工工藝較差，運行中存在碳刷卡澀可能，加劇了電刷電流的不均勻及電刷發熱。

4 暴露問題及改進措施

a.設計和制造存在缺陷，主要體現在刷架和刷握結構設計不合理，制造工藝粗糙，運行中存在卡澀可能；刷握壓簧采用非恒壓彈簧，碳刷設計電流密度偏大；刷架安裝和固定方式不合理等方面。后期一方面與廠家商討刷架、刷握改進方案，從根本上消除隱患，防止類似事件的再次發生，另一方面增加在線監測措施，在集電環罩殼內和進出風道處安裝溫度測點，送至DCS進行溫度監視，增加發電機滑環溫度高報警信號(轉子溫度大于90 ℃)，保證運行人員能在第一時間發現故障信號，并采取處理措施，防止事故擴大。

b.機組軸系振動超標，該電廠2號機組軸系振動超標問題已存在多時，主要由高壓缸引起，在軸系振動超標未得到徹底解決前，需要強化風險管控措施，當振動有持續增大趨勢時，及時調整頂軸油壓將振動控制在正常范圍內，同時建立軸系振動、發電機L4、L5軸承振動、滑環溫度的復合評估體系[4]，當三者都超過一定值時，應果斷降低機組負荷。

c.設備維護巡查不到位，電廠人員日常維護質量不高、巡檢頻次不夠，未能有效監測集電環表面及刷握的溫度變化情況，導致設備異常未能及時發現、處理。應加強對電刷及滑環的日常維護巡查，每班次對電刷及滑環進行檢查，用紅外熱成像儀監測碳刷(刷握)、刷辮及滑環的表面溫度，測量碳刷長度，并作好分析記錄；每周對電刷接觸、磨損、彈簧壓力及電刷的卡阻情況進行檢查調整，當電刷磨損至小于1/2時及時更換[5]；每半月定期清理滑環罩殼風道濾網、滑環、刷架及刷握內的碳粉和灰塵等，保持滑環系統清潔，通風良好。

5 結語

本文對某燃機電廠一起發電機集電環燒損事故分析進行了分析，詳細闡述了檢查過程和分析思路，并根據暴露出的問題，提出了改進措施，對采用相同形式集電環的燃氣機組具有借鑒意義。