引进型国产1000MW汽轮发电机定子绕组端部模态及运行效果分析

仇 明，詹伟芹，葛祥飞

（1. 神华国华（北京）电力研究院有限公司，北京 100025；2. 神华广东国华粤电台山发电有限责任公司，广东 台山 529228；3. 神华国华绥中发电有限责任公司，辽宁 绥中 125222）

前言

发电机在运行过程中，定子将受到转子磁拉力作用，产生两倍系统频率的强迫振动，发电机定子绕组端部不但要承受正常运行时的交变电磁力，还要承受出口或内部短路时产生的巨大的瞬态电磁力作用。随着发电机单机容量的逐步增大，定子绕组端部在机械上的可靠固定和防止两倍频电磁振动造成的危害已成为一个重要课题。多年实际运行经验表明：倘若定子端部线棒的椭圆模态固有频率等于或接近 100Hz，就可能发生共振，即使较小的激振力也会诱发较大的振动，往往在机组投运后不久就会出现端部松动、磨损现象。

现行GB/T 20140-2006《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》总结了这方面的经验，并对发电机定子绕组端部振动特性有明确的要求。近几年，发现按引进技术制造的1000MW汽轮发电机端部振动特性测试结果不能满足标准要求，但机组运行后检查未见松动磨损的现象。为此，我们在不同制造厂的1000MW汽轮发电机安装了在线振动测量装置，以观察机组运行中实际振动数据。下面从1000MW 汽轮发电机绕组端部模态测试数据、运行后端部检查情况、在线振动测量三方面对此问题进行阐述。

1 引进型国产 1000MW 汽轮发电机端部固定结构

目前，国内制造的1000MW汽轮发电机有三种，分别为东方电机有限公司（引进日立技术）、哈尔滨电机厂有限责任公司（引进东芝技术）、上海汽轮发电机有限公司（引进西门子技术）。由于日立和东芝1000MW汽轮发电机制造技术来源于GE，因此两者很接近，它的定子绕组端部为绑扎结构，如图2。而西门子定子绕组端部为锥环加压板结构如图1。上述制造厂1000MW 汽轮发电机与定子振动有关的结构工艺如表1。

表1 三个制造厂1000MW汽轮发电机与定子振动有关的结构工艺对比表

2 现行国标对发电机定子绕组端部动态特性的有关规定

现行GB/T 20140-2006《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》中对发电机定子绕组端部振动特性的有关要求如下：

（1）定子绕组端部整体的椭圆固有频率应避开95Hz ～110Hz 的范围；

（2）定子绕组引线的固有频率应避开95Hz ～106 Hz的范围；

（3）发电机正常运行时若装有在线监测装置，定子绕组端部的振动幅值应小于 250μm。若振动幅值大于250μm，应发报警信号。若振动幅值大于400μm，发电机应尽快停机检查、处理；

（4）发电机正常运行时，定子端部倍频振动位移峰一峰值的变化大于100μm时应发报警信号，并加强监视；

（5）发电机型式试验时空载或短路状态下的振动位移峰一峰值应小于 100μm。这些规定对避开共振，控制振幅，提高发电机运行可靠性是很有效的，并在200～600MW发电机制造和运行中积累了丰富的经验。

图1 上海电机厂1000MW汽轮发电机定子绕组支撑结构

图2 东方、哈尔滨电机厂1000MW汽轮发电机定子绕组支撑结构

3 引进型1000MW汽轮发电机端部模态现状

从目前掌握的端部模态技术数据来看，引进型国内制造的1000MW汽轮发电机端部模态绝大多数均不能符合上述国标中的相关规定，主要表现为：

（1）汽端未避开94Hz～115Hz范围的固有频率且振型为椭圆形；

（2）励端未避开94Hz～115Hz范围的固有频率且振型为椭圆形；

（3）汽励两端均未避开94Hz～115Hz的范围。例如东方电机厂制造的某电厂4号机数据，如表2和表3所示，上海电机厂制造的某电厂6号机模态数据，如图3所示。

表2 东方电机厂制造某电厂整体模态

表3 东方电机厂制造某电厂引线频率

图3 上海电机厂制造的某电厂6号机模态数据

因外方未进行技术转让，国内制造厂均不能提供本型机型式试验技术数据，咨询国外制造商后均回复机型成熟、未有端部磨损案例报告。

4 引进型 1000MW 汽轮发电机运行状况及端部振动实测数据

据不完全统计，目前国内投运的1000MW汽轮发电机已有三十余台，最长运行时间已近10年。其中有上海电机厂（引进西门子技术）、东方电机厂（引进日立技术）和哈尔滨电机厂（引进东芝技术）。从目前国内在役的百万汽轮发电机实际振动磨损检查情况看，虽然发电机端部模态绝大多数均不能符合国标要求，但总体运行状况是好的，未见有端部松动、磨损案例的报告。

（1）百万机组汽轮发电机端部振动实测情况

为掌握模态试验不符合国标的1000MW发电机端部实际振动数据，分别在东方电机厂和上海电机厂制造的1000MW汽轮发电机上安装了端部振动在线监测装置，实时监测数据如表4和表5所示。

表4 东方电机厂制造的某电厂4号百万汽轮发电机在线振动监测数据 单位：μm

表5 上海电机厂制造的某电厂6号百万汽轮发电机在线振动监测数据 单位：μm

从实时监测数据来看，检测数据满足国标“发电机正常运行时，定子绕组端部的振动幅值应小于250um”的要求。东方电机厂制造的百万发电机在线振动数据符合常理，即振动数据随负荷增加而增长；上海电机厂制造的百万发电机在线振动数据却不符常理，即振动数据随负荷增加而减小，检查探头安装及测量数据均无误（用标准表校核数据），对此现象进一步跟踪分析；发电机端部固有频率是由其端部质量和固定结构刚度所决定的。对于同一设计结构、同一施工工艺的发电机，在排除工艺分散性造成的影响后，端部固有频率是相对固定的。上述三公司端部固定结构均采用刚柔固定结构，此结构能有效吸收或缓解端部振动能量，是目前经实践证明较为成熟的端部设计结构，虽模态试验不能满足国标的要求，但实际监测振动数据和多台机组实际检查未见异常。

（2）发电机端部振动

经了解，发电机定子绕组端部振动在线监测目前无统一的国际标准，几个著名制造商和部分国家关于汽轮发电机振动监测标准见表6。

表6 有关汽轮发电机定子绕组端部振动测试标准单位μm

模态试验不合格只是预测发电机运行中可能会发生共振，由于实际运行中受温度变化和共振峰带宽的影响并不一定共振，同时由于振动阻尼的影响，振动幅值是否超标也与共振与否无必然联系，上世纪九十年代初，我国引进的原苏联500MW及800MW汽轮发电机虽端部模态符合国标要求，但因其端部固定结构的先天性缺陷，导致松动、磨损事故频发，以至于不得不改变端部固定结构。

5 结论

（1）判定发电机定子绕组端部是否存在影响安全运行的振动问题，唯一和最终判据是实际运行时的振幅值。由于模态试验属于静态试验，仅是间接预测发电机是否可能在运行中产生共振，不能肯定振动幅值一定超标。因此，也就不能把模态试验结果作为发电机能否投运的决定性判据。实际上，是否共振还与定子绕组结构、运行温度等有关。

（2）只要制造厂严格按引进技术施工，同时做好端部结构紧固件的防松措施，即使1000MW汽轮发电机端部模态不能完全符合现行GB/T 20140-2006《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》中对发电机定子绕组端部振动特性的有关要求，只要监测运行中发电机端部实际振动数值不超过国标要求，由于阻尼较强，即使存在危险的固有频率和椭圆振形，发电机安全运行还是有保障的。相同结构的发电机完全具有可借鉴性。

（3）鉴于百万千瓦级汽轮发电机在这方面出现的新情况，建议及时修订GB/T 20140-2006《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》。

[1]GB/T 20140-2006, 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[S].

[2]畅雅平, 郑宝珍, 等. 国产200MW汽轮发电机定子绕组端部在线振动监测的试验研究[J]. 大电机技术. 2002 (6).

[3]白亚民, 葛海滨, 曾芳, 等. 两台进口 600MW 汽轮发电机防止定子绕组端部损坏的技术改造措施[J]. 大电机技术. 2004(7).