H燃气轮发电机缺陷问题分析与对策.docx
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H燃气轮发电机缺陷问题分析与对策
390H燃气轮发电机缺陷问题分析与对策
俞华峰吴棣庆杨俊
江苏华电戚墅堰发电有限公司江苏常州213011
390HGTGdefectproblemanalysisandsolution
JuHwaven，WuDiqing,Yangjun
JiangsuHuadianQishuyanPowerCo.,Jiangsuprv.,Changzhou,213011
摘要390H发电机是美国GE公司配套S109FA级燃气-蒸气单轴联合循环机组用390MW等级燃机发电机，采用全氢冷、单流环密封的中型汽轮发电机，随西气东输工程捆绑招标方式进入国内，自2005年投入商业运行后，陆续出现问题，如转子匝间短路、接地，定子端部松动、磨损等，笔者通过参与现场检修、事故鉴定等工作，对该型发电机的维护提出一点想法和建议。
关键词频繁启停390H发电机缺陷对策
ABSTRACT:
the390HgeneratorisAmericanGECorporationnecessaryS109FAlevelfuelgas-vaporsingleaxlecombined-cycleunitburnsmachinethegeneratorwiththe390MWrank,usestheentirehydrogentobecold,theuniflowlinksealsthemediumturbogenerator,entersthehomealongwiththetransportthenaturalgasfromthewesttotheeastprojectbundletenderway,putsthecommercialoperationafter2005,hastheproblemoneafteranother,liketherotorturn-to-turnshortcircuit,meetstheplace,thestatornosebecomeslesscrowded,theattritionandsoon,theauthorthroughparticipatesinworkandsoonsceneoverhaul,accidentsurvey,proposesanideaandthesuggestiontothisgenerator'smaintenance.
KEYWORD:
StartupandshutdownFrequently390HGGeneratorDefectCountermeasure
1.390H发电机的技术特点
戚墅堰电厂发电机采用全氢冷方式，单流环密封，转子结构比较简单，转子线圈采用辅槽通风冷却，与常见的气隙取气斜流通风方式不同，转子端部线圈铣通风沟进风沿线圈至径向通风孔排出，定子氢外冷，铁心及其他构件氢外冷，发电机出线为上下布置，中性点在发电机顶部，套管冷却采用氢内冷方式，导电杆内热风由绝缘风管排出至发电机冷风区，定子线圈及铁芯也采用氢外冷方式，在定子壳内专门导风管形成冷热风区，使发电机内各个区域的温度保持可接受的范围。
采用天然气单燃料，一般每天启停一次，为典型的调峰运行方式，而一般国外燃气发电机组为变负荷方式满足调峰要求，因此频繁冷启动的运行方式是否对发电机产生影响值得商榷。
燃气轮机组启动速度快、负荷调节迅速、经济环保的特点，通用电气公司在设计该型发电机时充分考虑了调峰运行的特点。
转子每极有9组线圈，每圈12匝，线圈形式为“C”型线圈，通过中频焊焊接形成一匝，端部线圈匝间采用NOMEX绝缘纸强化，转子采用全阻尼结构，在转子槽楔下有阻尼片，阻尼片在转子两端有阻尼器连为整体阻尼笼，提高正常运行及机组启动时发电机作电动机
运行时由变频器驱动的抗负序电流能力。
发电机具备一定进相运行能力，定子铁心端部采用铜屏蔽，在铁心及铜屏蔽均装有测温热电偶，其他氢温、定子线圈测温采用铂电阻，转子温度由EX2100装置内部模块通过测量转子线圈铜电阻折算成温度值监测转子运行温度。
定子部分采用3支路Y型连接，72槽，由于采用全氢冷方式，定子端部出线、环形引线等结构相对复杂，也对其端部的整体强度等产生不利影响。
由于9FA重型燃机机组初次引入国内，所以一般专业人员把重点都放在燃气透平，对D10汽轮机、390H发电机等认为是传统技术比较成熟，因而对390H全氢冷发电机的运行检查维护等工作相对比较薄弱，实际这些机组在运行1~3年内，均出现了一系列问题和故障。
其中转子的问题比较集中，而定子部分主要问题是端部绑扎松动及磨损问题，以及定子铁芯的端部磨损问题。
2.390发电机缺陷问题及分析
2.1转子部分
处于技术封锁的目的，390H发电机维护在GE公司提供的维护手册中没有有效信息，但从几次故障中可以了解一些GE发电机的技术特点和工艺，以及用户方的维护检查重点。
案例一：
焊接不良引起转子匝间短路
WT电厂#2机组（发电机出厂编号290T567）在运行中发电机#7、#8瓦有振动增大趋势，直至发电机振动大跳机，现场检查转子线圈铜电阻为0.2519Ω（25℃），出厂值0.2724Ω（25℃），用直流压降法检查发现180°极（正极）集电环的电压比0°极（负极）集电环低，打开发电机端盖用内窥镜检查发现转子180°极集电环侧端部#8线圈匝间绝缘烧焦，由转子轴向外第2及第3匝铜线烧熔，检查主引线、导电螺钉、通风孔、平衡螺钉、线圈隔块等未见异常，如下图：
该转子是由韩国斗山公司制造的，8号线棒整组（共12层）拆出检查，发现励侧端部靠内侧第2、3层接头焊缝烧熔严重，已整体断裂。
第4层接头焊缝也已整体断裂，在断裂断面有明显的受热发黑的现象；励侧端部8、9号线圈及7、8号线圈间堆积了大量熔化的铜质物质，主要为靠内侧第2、3层线棒的熔化物。
整个#8线圈由GE公司采用机械切割方式取下（保留所有焊接点），以及其他6，7号线圈等，GE公司通过拉伸试验、超声波探伤不合格，这样在运行中由于机组频繁启停热应力可能导致焊接部位出现损伤导致过热使绝缘损坏。
GE公司的工艺规范要求采用中频焊接后做超声波探伤，半匝线圈对接口的间隙控制在0.05mm以下，使用HLAgCu80-5合金片插入后夹紧，焊接温度控制在717℃，超声波探伤接合面积不小于85%，过程是非常严格的。
本身C型线圈平面对接方式有效接触面相对较小，而国内看到的
一些发电机转子两半匝线圈接合面采用燕尾楔形增加了有效接合面。
390H发电机C线圈半匝对接面
案例二：
转子匝间绝缘位移产生匝间短路
JL电厂＃2机组自2007年3月5日投产以来，发电机组运行状况良好。
但最近在机组启动过程中，当转子升速过发电机一阶临界转速时（约800rpm），发电机前轴承7X轴振有明显增大，最大达到192μm。
查阅历史站振动数据：
机组正常运行时7瓦轴振水平基本稳定在70μm，但启动过一阶临界时的振动数据自09年3月份以来呈逐渐上升趋势。
现场第1次试验情况：
在启动升速过程中，轴振7X过临界时的振动峰值突变达到6.32mils（161μm），过临界后振动迅速下降，直至定速3000rpm，7瓦振动均属良好范围；在机组降速过一阶临界转速时，7瓦轴振始终正常，未出现尖峰波形。
现场第2次试验情况：
紧接进行第二次升速试验，主要验证振动的重复特性及振动与加减励磁的关联性（燃机在启动升速过程中，发电机必须先加励当同步电机用）。
轴振7X过临界时的振动峰值突变达到7.13mils（181μm），当转速升至1000rpm后迅速打闸停机（发电机自动去励），该振动从120μm瞬间陡降至30μm，说明发电机异常振动与加载励磁相关。
振动跳闸录波
日期
转速（rpm）
轴振（μm）
09年01月06日
880
91
09年01月10日
811
98
09年03月01日
897
123
09年03月02日
869
134
09年03月15日
789
151
09年03月17日
808
123
09年03月21日
805
177
09年03月24日
794
161
09年03月31日
782
166
盘车状态下转子的交流阻抗值变化率17%（150VAC，与交接试验值对比），3000转/分时交流阻抗值变化率38%（150VAC,与交接试验值对比），显示转子有明显的匝间短路现象。
转子抽出后，用压降法检查转子缺失存在匝间短路问题，现场用内窥镜检查发现转子端部线圈转角部位匝间绝缘均存在比较严重的位移问题，其中短路点的上线线匝间绝缘已经大部移出，而且通过各匝电位测量可以找到多个短路点。
匝间绝缘脱落位移
正常匝间绝缘用环氧树脂板胶粘，并在R角部位有增加一层绝缘层，可见胶粘的工艺或胶水质量问题可能导致匝间绝缘不能承受频繁启动导致线圈膨胀位移冷缩、环氧树脂板脱落，导致转子重新返厂线圈重新安装，用于粘贴匝间绝缘的GE公司环氧胶黏剂，工艺规范中所使用时间限制是45分钟。
案例三：
导电螺钉过热引起转子接地
390H发电机转子接地探测方式采用单点方式，在励磁机（EX2100）中有接地探测模块，采用单独的信号注入法测量转子对地电阻，分为报警和保护跳闸二个阈值。
BS电厂#1机（国内第一台投产的9FA重型燃机）
在2007年4月运行中发生发电机转子接地而跳闸，检查转子线圈对地绝缘电阻为0，经测量接地位置位于负极末端（用直流电压法测得该处电压为0），用内窥镜检查转子内部主引线、出槽口等未见异常，确认问题可能出现在导电杆与主引线、导电螺钉连接部位，以下为现场检查图片：
导电杆对比（右边已损坏）
螺纹已烧熔（局部放大）
导电螺钉烧熔部位
导电螺杆螺纹部位及导电杆连接螺纹在正常安装时精度要求较高（扭矩90~110Nm），螺纹部位应无绝缘物、氧化物，镀银层应完好，螺纹连接应咬合良好，因此出现上述问题的原因可能性最大为螺纹连接不良或螺纹损坏（其中导电杆部分螺纹损坏与集电环下绝缘套筒上加工导电螺钉穿孔时有关），螺纹丝扣中存在环氧胶残留物，以及导电杆松动在运行中振动等，而这在检修时是很难判断的，因为螺钉密封结构为双密封，螺钉与导电压板的螺母均用环氧胶胶粘拆卸后基本上需要更换新螺钉及密封组件，因此在转子抽出后用直流电阻测量时可用木锤或胶锤击打导电螺钉看看直流电阻有无变化也是一个简单的办法。
案例四：
转子通风孔阻塞导致振动
该案例发生ZH电力公司的燃气发电机上，机组运行时同样产生发电机7号瓦瓦振7X一直到165μm，并显示出振动值与发电机无功功率的关联性（励磁电流），表现出与转子绕组匝间短路时的类似特性，但实际现场检测并没有找到匝间短路的依据，转子抽出后发现转子汽侧25%的通风孔被堵塞，发生堵塞的部位均是槽楔下面的阻尼条堵塞了通风孔，导致发电机转子发生温度差异敏感局部微变形引起振动加大。
390H发电机转子槽楔下面为阻尼条，槽楔与阻尼条之间有弹簧片，阻尼条下面为环氧树脂板材料的楔下垫条，楔下垫条没有滑移涂层，阻尼条的位移与燃机机组频繁启停存在关联，以及弹簧片弹性下降或阻尼条往汽侧方向位移，导致通风孔堵塞，因此正常情况下转子槽楔应该是压紧的，如果有松动的迹象可能就是楔下的弹簧片弹性不足或失效，这样弹簧片也可能发生位移导致通风孔堵塞。
案例五：
金属异物引起转子接地
QSY电厂#2机在2007年7日17日早上启机升速过程中（转速1550rpm）励磁机跳闸，励磁机发接地报警，检查励磁机、转子线圈、电缆等绝缘正常，转子对地绝缘值200MΩ/500VDC,转子交流阻抗正常，MarkVI中显示接地位置为0.425752，由于未查到有效故障判据，决定再次启机。
下午14点再次启机（350rpm）又跳闸，变频器脱扣，励磁机报接地报警，在盘车状态检查发电机转子对地绝缘为100MΩ/500VDC，但转过约90°后绝缘电阻跳到0，反复如此。
GE公司390H发电机转子接地保护为一点方式，定值为4.9KΩ，在绝缘电阻为0时停盘车，用万用表测得集电环与转子本体电阻为3.5Ω，基本判断为转子确实存在接地现象，用直流电压法进行检查，当集电环间电压为14.82VDC时，集电环内外环分别为6.46V和8.36V，故障点距内环（负极）43.6%位置，经折算故障点位置在负极#8、#9号槽之间，与MarkVI显示位置FGD-LOCATION＝0.425基本相符，该故障点在转子内部，检查转子交流阻抗值正常，由于燃机机组在热态，盘车再次投入时齿轮啮合时轴系发生2次振动，再次检查绝缘为0位置的绝缘电阻时发现接地点消失（绝缘上升至50MΩ/1000VDC）。
现场的证据可以充分证明转子内部存在不稳定的接地现象，此时判断主要可能为金属异物（位置不定），以及负极#8、#9号槽位置护环内阻尼环与绕组存在短路或绝缘异常。
转子抽出后，用内窥镜检查槽衬没有位移迹象，线圈无变形，主引线处、极间连板无异常发热迹象，在出槽口、护环底部、心环部位均未发现打弧点及导电物。
为了确认接地点，将转子转至#8、#9号线圈至5点钟位置（即发现绝缘为0的位置）采取打高压方式，在试验过程中检查有无电压、电流不正常跳动及转子内部有无打火或声响，但整个升压过程中均未见异常（电压按照GE标准升至4680VAC）。
现场工作已经面临障碍，最终决定转子运至哈尔滨电机厂解体，在转子内找到一定数量的金属异物：
#8线圈槽内阻尼条与转子本体之间的金属片（材质与转子本体相同）
金属片实物
#8线圈汽端往励端第51孔铜粒
#8线圈励端槽衬内放电痕迹离槽口位置
#8线圈槽衬未见异常
在转子内主要发现的异物为金属铜屑和明显的机加工产生的铁屑、铜屑，因此可能性最大的原因是铜屑或铁屑在转子内不断移动，导致接地产生，暴露出转子制造过程中的质量工艺不良，同时也给发电机检修过程中的质量工艺提出更高的要求。
随之我们加强发电机转子的现场检查工作，并在#1发电机转子励侧端部线匝内发现铝质铆钉头，从来源分析可能为转子线圈端部隔块固定铆钉脱落，避免了一次可能的事故。
检修时转子内发现金属异物（1#发电机）
2.2发电机定子部分
案例一：
定子线圈端部松动、磨损
在WT、BS、QSY等对390H发电机进行大修性检查时，均发现定子励侧端部环形引线绑扎部位出线黄粉，主要问题是绑扎工艺不良，GE公司对不严重的粉末迹象采用常规环氧胶补强处理，但从运行一年后的检查发现基本上没有效果，而且存在着在环形引线之间隔块内部松动而导致主绝缘磨损问题，这是比较危险的，因此现场还是需要重新绑扎处理，这是GE公司390H发电机的端部存在的通病，而且这些磨损现象是不断发展的，产生的绝缘“尘埃”又会随气体管路进入一些发电机在线监测装置，如发电机过热监测装置（由于微量尘进入离子腔）误报警。
引线与绝缘支架之间垫毡磨损（QSY#1发电机）
隔块内部松动（QSY#1发电机）
绑扎带上的粉末（续上图，QSY#1发电机）
红色环氧胶刷涂为GE处理方法，证实是无效的（QSY#2发电机）
表面上粉末严重，内部隔块已经松脱与引线棒磨损（QSY#2发电机）
引线棒已经松动（戚墅堰#2发电机）
从现场解体分析，松动、磨损的主因主要与GE公司的施工工艺有关，隔块外面包裹的浸胶涤纶毡压缩量不够，外部浸胶玻璃绑扎带没有紧绑或匝数不够，当绝缘发生热缩时因振动助长了隔块、绑扎带、引线棒之间的撕裂，因此先开始出线裂纹，随之振动松脱继而发生磨损，损伤主绝缘。
引线与绝缘支架垫毡之间的压缩量不够，有些还存在间隙。
在现场对产生粉末迹象、裂纹的部位绑扎、隔块均重新处理，对浸胶毡的压缩量进行严格处理（30%），绑扎玻璃带充分浸胶8股并绕（GE公司要求绑扎5道）。
重新处理后的情况
案例二：
定子端部引线、并联环的固有频率不合格
390H发电机为全氢冷3支路结构，因此出线侧的端部结构比较复杂，对整体的振型和固有频率的控制困难，下图为典型的390H发电机定子端部结构：
390H发电机端部结构
由于发电机端部绑扎的修理会影响振型和固有频率，因此戚墅堰#1、#2发电机处理前后均参照GB/T20140-2006《透平型发电机定子绕组端部动态特性和振动试验方法及评定》进行了现场测试，均发现了不合格点，重新绑扎处理后的整体频率均上升，#1发电机从62Hz升高到69Hz，#2发电机从39Hz提高到89Hz，显示处理后端部的刚性提高，但均存在部分引线环的固有频率落在共振危险频率范围（95~108Hz）、并联环形线棒固有频率落在（95~108Hz）的情况，而且从现场数据分析，频率不合格的并联环、引线环的绑扎部位均有松动、磨损的迹象，而且黄粉比较严重，比较让人担心的是线圈引出线部位、线棒之间隔块出现的环氧泥（环氧粉末与油气的混合物，如下图），下图显示2点钟方向的三个引出线在线棒根部明显出线胶泥物（此处为绑扎处），因此如何避开危险频率是个值得研究的问题。
线圈引出线（环氧泥）
线棒隔块（环氧泥）
GE公司对390H发电机的线圈端部的固有频率没有特殊要求，查戚墅堰#1、#2发电机的出厂试验报告也没有模态试验、频率测定等问题，为了避免技术风险，在#2发电机定子线圈励侧端部复杂引线的过渡部位用类似绑扎方法进行加固，是否能满足长期运行要求有待时间鉴定。
日本东芝公司也引进了GE公司390H发电机的生产工艺，在处理定子线圈端部绑扎时也出线同样的危险频率问题，东芝公司采用响应比测定法来判断定子引线、并联环的固有频率的影响，对固有频率落在95~110Hz危险频率内的引线、并联环进行测试响应比，参考值切向<2.2m/s2/N，轴向<4.4m/s2/N。
在发电机定子端部的绑扎重新处理后，我们利用EN800智能频率分析仪、CRASV7.0软件和Analyzer硬件分析计算采集系统进行了现场测试，
通过数据统计计算固有频率在危险频率内的引线的响应比最大值为1.6m/s2/N，应该说处理还是比较成功的。
典型响应比测试图
案例三：
发电机定子端部铁芯松动问题
WT电厂在2007年12月10日对1号发电机定子进行检查时发现汽侧铁芯阶梯段铁芯有多处松动迹象，伴随红色粉末，在发现汽侧槽口铁心附近发现有黑色油泥物（对磁性敏感），检查定子铁芯轭部定位筋拉杆螺母无松动，同时阶梯段铁芯也无变形、倒伏等迹象，GE最终采用灌环氧胶的办法处理。
汽侧端部的红粉、黑色油泥（WT#1号机）
QSY电厂1号机在2009年3月份大修性检查中，也在阶梯段铁芯发现了黑色油泥物，状况与望亭类似，最后采用加塞云母片方式，由中试所用ELCID铁芯测试仪进行测试无异常，由于定子铁芯端部采用指压板结构，阶梯段铁芯不容易压紧，而且伴随着铁芯边缘与定子线棒的轻微磨损迹象，由于390H发电机定子线棒在槽内的侧部
也采用半导体弹性防磨波纹垫，现场也发现铁芯与波纹垫之间有轻微磨损迹象，但主要不过于发展，说明侧部弹性垫还没有劣化，这些地方可以清理后刷涂环氧胶有一定效果。
汽侧黑色油泥（QSY电厂1号机）
3.390H发电机维护对策
频繁启停方式运行对于390H发电机是否适合有待时间鉴定，由于发电机存在电磁材料、绝缘材料，因此不同材料之间温胀系数不同，其产生的热应力长期积累肯定会对发电机产生影响，以戚电厂1台主力发电机组为例，一般早上6：
00开始机组启动，至晚上22：
00左右停机，这样每年的正常启停次数达250次以上，而一般大型燃煤火力发电机组不可能采用这种运行方式，实际经验标明对于正常运行发电机的结构产生主要影响的是由于绝缘材料热缩、热应力导致的问题，原来通过结构强化材料、环氧树脂胶整合成一体的绝缘结构会受到影响。
3.1以“检”为核心，丰富设备监测手段
设备缺陷故障的发生总归又一个积累、变化的过程，因此平时的检查变得尤为重要，在目前390H发电机技术还没有掌握之前，正确、细致的检查是化为被动为主动的重要方式。
现在的电气测试手段越来越多，但是最基本的望、闻、摸的人工检查仍是最简便、快速的检查手段，但是往往需要检查者高度的责任心和一定程度的技术、经验才能真正达到合格检查的水平，不然检查如同走过场，不能及时有效反应一些比较重要的变化：
如转子槽楔的位移、定子线圈绑扎部位的磨损迹象、一些不正常的颜色变化等。
现代设备管理的核心是状态检修，以减少不必要的检修和检修可能引发的设备损坏风险
。
对于潜在和发展中的缺陷，需要及时跟踪和记录，一般检查人员会录取图像信息，并在发电机内疑似位置做标记，便于发现一些潜在性发展的缺陷。
390H发电机也在用波性垫结构将线棒固定在槽内，以往只能采用敲击听音的方式比较粗略地了解定子槽楔的整体情况，弹性垫无法判断其劣化程度，GE公司以往一般经验为定子端部最后1个及相邻的第2个槽楔不能松动（定子线圈的端部应力最大，如果槽口附近的槽楔有松动迹象易引发线圈的振动继而磨损），对于定子内中间部分的比较宽松允许不超过3个连续槽楔有松动迹象，由于波形槽楔的弹性与其松紧度直接相关，也有单位如哈尔滨电机厂使用普通里氏硬度计来测量硬度值（实际是利用里氏回弹原理来间接反应槽楔松紧度），但实际普通的硬度计受到槽楔表面粗糙度影响存在一定的误差，现在也有GE公司等采用瑞士proceq公司的专用发电机定子线圈松紧度测量仪SVP40，操作方便，数据比较准确，因此开始在市场上有了一定应用前景。
由于发电机转子是辅槽通风方式，通风孔可以通过强光电筒照射通风孔检查，但对于转子危险最大的还是进入的异物，尤其进入线圈两端护环位置，这是只能借助内窥镜来检查了，我曾用内窥镜成功的发现了掉落在2号、3号线圈之间的铝铆钉头，以及在线圈R角处的nomex绝缘纸的杂物，消除了接地、匝间短路、通风孔堵塞等隐患。
当然内窥镜也要有个积累经验的过程，在一些复杂空间位置的检查工作实用的效率还是很高的，比如我曾用内窥镜取出了引发励磁变铁芯接地的异物，避免变压器解体的大量工作。
内窥镜也可以方便的用在空间较为复杂的发电机定子端部的检查。
390H一般也安装有定子线圈在线局放检测装置、转子匝间短路微分线圈，但是这些装置都没有完整的专家支持系统，GE公司的服务费用非常昂贵，因此国内一捆、二捆的这类装置基本处于摆设状态，中试所应该重视这项工作的展开，如果发电单位单独搞过于浪费。
3.2强化过程管理，避免检修作业风险
一般发电机检修对于涉及膛内作业的操作规范是相当严格的，但是不可避免生产、安装单位在制造、施工过程中的异常问题发生，如我在现场曾用内窥镜生产厂家遗留在发电机定子内的木质枕板（可能是铁芯叠装时用的）；在定子铁芯顶部发现有运输保险螺栓没有拆除（有的螺栓已经松脱），如果掉在定子端部绕组上是非常危险的。
在检修作业中，涉及转子本体（防止异物进入通风孔）、定子线圈端部（异物进入造成“电蛀虫”），这些在检修过程中应做好专职监护人的职责，用保护膜及时保护好转子并使用临时电热带防止转子内部受潮气导致锈蚀，我在现场看到的390H转子解体后，可以发现在转子本体槽、中心孔内部、高强度螺栓等均有比较严重的锈蚀现象，外表是看不出来的。
我在发电机内层发现石墨颗粒及带状物，检查发现为人孔门及手孔门的不锈钢石墨密封垫掉落物，这种东西如果进入转子后果不堪设想，因此在后续的检修作业中均更换为橡胶纤维垫。
3.3390H发电机常规的试验、检查、处理
考虑频繁带来的问题，一般绝缘系统直需要检查绝缘电阻和极化指数（定子线圈用5KV或10KV绝缘表，PI≥3；转子
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