高炉余压透平发电装置励磁系统优化改造与应用

陈国莹

（河钢股份有限公司承德分公司 河北省钒钛工程技术研究中心，河北 承德 067000）

1 概述

伴随着我国经济文化的发展和科学技术水平的提高，特别是中国成功加入世界贸易组织之后，钢铁企业这种传统企业得到了飞速的发展，钢铁行业的经济收入和利润也在逐步提高。自TRT 发电设备逐步被钢铁行业所广泛接受和使用以来，钢铁行业的卫生环保问题也得到了很大程度上的缓解。TRT 将高炉冶炼的副产品很好地利用了起来，并将其转化为广泛使用的电能。这种驱动发电机将不被需要的副产品中的能量转化为有用的能量，符合当代我国社会能源节能环保发展的理念，具备良好的的经济效益和社会效益，也是目前现代国际钢铁企业公认的资源节能环保型设备。由于TRT 是利用高炉冶炼的副产品发电，发电成本低，且不会对环境造成污染，这种节能环保的发电设备为钢铁企业的电力供应注入了生机勃勃的活力，做出了巨大的贡献。励磁系统是TRT 的一个非常重要的系统，TRT 的使用很大程度上受励磁系统的制约，而励磁系统的故障率又较高，因此，解决好励磁系统的故障就能使TRT 稳定运行，提高TRT 的发电量和发电效率[1]。

2 现状分析

某钢铁公司1#TRT 投入使用以来，该发电机组一直昼夜不停的工作、运转，承担着整个钢厂的发电任务。由于使用时间长、发电任务重，该设备经常出现故障，特别是当励磁系统出现故障时，严重制约和影响了1#TRT 的使用，降低了1#TRT 的发电量和发电效率。近年来，1#TRT 多次出现滑环、碳刷、刷盒等零件烧毁的现象。具体表现有例如滑环烧出缺口，绝缘筒损坏，滑环摆度超标等。经统计在近10 年内，1#TRT 累计更换滑环15个，碳刷160 只，直接经济损失达6 万元之多，而在设备出现故障不能有效运转的时间段内，发电效益也遭受了损失，这其中的损失是无法准确计算的。励磁系统故障频出这一点加大了TRT的运行成本，制约了TRT 的发电量和发电效率[2]。

3 原因分析

3.1 机组运行振动大

1#TRT 是早些年比较陈旧传统的机械设备，在那个时代，科学技术水平并不高，传统的制造工艺也并没有得到改良，因此，1#TRT 整个轴系较长，附加设备较多，所以机组运行时，振动就较大。以上几点导致了机组运行时振动难以控制到最低的现象，加之该机械设备投入使用的时间长、机器运行的时间长，1#TRT 明显呈现出疲惫、老化的态势。在某次器械检修和故障排查任务中，经振动测试仪测量，4#轴瓦水平在70um，垂直在40um，轴向在60um。为什么要特意去测量4#轴瓦呢？因为在设备机组运行中，4#轴瓦的出现振动的不良现象是最为明显的，它的振动是最大的。在机组运行的过程中，垂直和水平振动值会随时间逐渐增大，微机内显示的4#轴瓦的垂直和水平轴振值经常超过100um，一般来说，运行六个月左右时间，振动值会逐步加大至100um ～120um，瓦温也出现了升高的现象，这对于整个机组的运行来说是非常不利的。设备机组在运行过程中，振动水平超过正常标准，转矩出现不平衡的现象，机组中的轴瓦产生径向抖动，碳刷也不断跳动，这就导致碳刷与滑环在设备运转的过程中出现间断性接触不良，从而烧坏腐蚀集电环表面，导致滑环、碳刷使用寿命缩短。同时，刷柱摩擦不均、引线及弹簧松动而产生的局部火花逐渐进一步造成碳刷冒火，严重时灼伤滑环，产生环火造成跳闸事故。由此可见，机组运行时振动大的问题直接对设备内部的零件产生了连锁反应式的损坏，严重影响了发电机组工作运行的可靠性，损坏一旦出现，设备就会罢工，设备一旦罢工，就会对器械设备发电量和发电效率产生消极的影响。与此同时，设备检修的人力、物力、时间等的成本也会随之上升，致使机械设备的发电优势不能充分发挥[3]。

3.2 滑环、碳刷损坏

正如上文所述，励磁系统对于机械设备的发电机组来说是至关重要的，而滑环、碳刷是励磁系统中较为重要的两个零件，这两个零件如果损坏，将直接造成发电机组不能正常运转，在这里，我们将着重讨论滑环、碳刷损坏的原因。

3.2.1 直接原因

在机组运行的过程中，碳刷会与滑环产生摩擦，摩擦中碳刷上的碳粉落在滑环上，形成一层硬垢，这就是我们所说的熔点、麻坑。滑环中间与碳刷接触的粗糙度较大，而滑环周围与碳刷接触的粗糙度较小，这就导致了碳刷各个部位电流分布不均。碳刷在使用过程中会发生磨损，在磨损部位，碳刷变短，与滑环接触不良，在这个磨损部位电流总是断流，而在未被磨损的部位，碳刷与滑片接触良好，电阻小，电流流量大，这就使得磨损部位和未磨损部位电流分布不均。以上两点，碳刷与滑片接触好的部位，电阻小，导电率好，电流量大，这就导致该部位工作负荷大，发热严重，加速碳刷与滑环的损坏[4]。

3.2.2 间接原因

在TRT 的使用过程中，对于主轴的非负载端，励磁机转子另加接DN35*500 空心滑环小轴，在末端装配换向器，这样的一系列操作使得发电机组形成仅仅只靠单端轴承支撑的两半轴相接的悬臂结构。如果在装配过程中，操作人员出现装配失误或者在装配过程中出现偏差，就会出现悬臂结构受力不均的问题，造成甩尾现象。如果出现甩尾现象，机械设备在运行时，滑环在工作过程中会偏离中心，引起碳刷跳动，那么滑片与碳刷之间就会间断性接触不良，接触良好的区域电阻小，导电率好，电流量大，局部发热严重，很容易造成碳刷冒火，严重时灼伤滑环，造成设备故障，甚至造成安全事故。

4 技术改进

4.1 机组运行振动大的处理

改造3#瓦盖和4#瓦盖，将轴瓦瓦盖的紧力控制在规定范围之内。在瓦盖的选材改良方面，把铸铁材质改为铸钢材质，钢比铁更耐用，更结实，更耐磨损，且密度更高，重量更重。在瓦盖的厚度改良方面，把原来50mm 的厚度增加到80mm，增加瓦盖的重量，提高瓦盖的耐用度。通过这两点，瓦盖的刚性被大大提高，瓦盖的约束力被大大增强，瓦盖出现上拱变形的几率也会大大减少。这样以来，机械设备运行时机组振动的问题现象就能在很大程度上得到改善，保证了发电机组工作运行的可靠性，保证了机械设备发电量和发电效率，节约了设备检修的人力、物力、时间等的成本，充分发挥了机械设备的发电优势。

4.2 滑环、碳刷损坏的处理

4.2.1 滑环的处理

正如上面所阐述的，碳粉堆积是引起滑环与碳刷接触面积不均的原因之一，因此，假如可以避免碳粉堆积的问题，那么接触面积不均的问题就可以得到良好的改善。将螺旋沟槽的滑环更换成平面滑环，就能在很大程度上避免碳粉沉积，增大碳刷与滑环的接触面积。对于新更换的滑环，应用专用纱布进行研磨，研磨到合格的程度；对于磨损的滑环，在滑环的损伤部位经车削打磨至合格的程度。在滑环的日常维护中，例如安装滑环之前，将滑环用干净的白布擦拭干净，以保持表面光滑整洁。用亚胺薄膜和无维带将两环及对轴之间进行绝缘，以加强滑片的耐热能力。除此以外，在碳刷引出线上加套绝缘玻璃纤维软管，以加强耐温性能[5]。

4.2.2 碳刷的处理

将原来的碳刷更换为更适合机械设备工作运转和更适合发电技术条件的D172 型号碳刷，该型号的碳刷相比于之前使用的型号的碳刷机械强度更强，耐磨性更好。每更换一个碳刷之前，都要把碳刷的工作面研磨好，使之接触面弧度与配对接触的滑环相吻合，从而确保碳刷与滑环紧密接触。在安装碳刷时，要注意将碳刷中心与滑环中心对准，在刷握内，碳刷应无卡涩、摇摆，上下活动自如，以使碳刷与滑环的接触面积分布均匀。

4.2.3 检修装配的质量控制

检修装配质量的控制这个阶段主要是控制人为装配的误差。在装配励磁机转子非负载端的空心圆环小轴的过程中，可以采用塞尺测量励磁机转子与定子之间的空隙距离，以便将励磁机转子与定子之间的空隙距离调整到最佳距离，在这里建议通过调整垫片的厚度来实现励磁机转子与定子之间空隙距离的调整。按照规定来讲，最大间隙值与最小间隙值的比值不应超过1.2，下端的间隙要比上端的小0.1 ～0.15。除此之外，我们还可以通过更换空心小轴的大小来缓解检修装配过程中的滑片、碳刷的发热问题以及它们与其他零件的损坏问题，这里建议将安装集电环的DN50mm 空心小轴，改换成DN100mm，以增加励磁机转子非负载端的空心圆环小轴强度。安装完成后使用百分表测量并检查空心圆环小轴及滑环的跳动量，如有偏差可采用锤击法对其进行矫正，将其最大弯曲度控制在0.02mm 以内。

4.2.4 加强维护与保养

众所周知，任何机械设备在投入使用期间都要进行维护和保养，铁路的日常检修与维护保证了列车在铁路上的安全行驶和乘客的安全，航天飞行器飞行前的检查保证了航天飞行机器飞行程序的安全运行和宇航员的安全。同样，TRT在使用过程中每天都应该对碳刷和滑环进行检查，包括碳刷的磨损长度不超过三分之二，当碳刷的磨损程度超过三分之二时，必须立即更换新的碳刷，以保证TRT 工作运转的安全性[6]。

5 结语

综上所述，发现问题时，我们可以思考解决问题的方法。通过以上几点改进措施，TRT 在使用过程中的稳定性将得到很大的提高，发电机组工作运行的可靠性将得到保障，发电量和发电效率也将得到保障，节约了检修维护过程中的人力、物力、财力的成本消耗，从而为钢铁企业的节能环保发展继续立下汗马功劳。