390H型发电机空气冷却启动方法

童祥

(望亭发电厂，江苏 苏州 215155)

1 发电机故障概况

望亭发电厂现有2台GE 9F级燃气-蒸汽联合循环机组，采用美国GE公司的PG9351FA型燃气轮机，汽轮机为高/中压合缸，低压缸为双流程向下排汽形式，三压、中间再热、单轴、无抽汽纯凝式汽轮机，型号为D10。发电机型号为390H，全氢冷、数字静态励磁。余热锅炉采用杭州锅炉厂生产的NG-901FA-R型三压、再热、无补燃、卧式自然循环锅炉。

1.1 #1发电机故障情况

2010年10月，望亭发电厂#1机组进行中修，停机后在测量转子的直流电阻时，发现在不同位置时的偏差较大，检修前该机组的运行情况正常，各参数均在标准范围内。故障的主要原因是发电机转子导电螺杆磨损，导致接触电阻增加，使得导电螺杆与铜芯之间电流缺乏连续性。转子末端导电螺杆与铜芯的接触磨损是由于低转速时期铜芯与导电螺杆之间关联运动引起的，而铜芯的运动取决于机组特定的铜芯与转子的间隙及导电螺杆的装配间隙。将发电机转子送至哈尔滨电机厂进行修理，更换导电螺杆。GE公司的专家认为机组在盘车1000h或800次启、停后就不会有导电螺杆磨损现象并能稳定运行。

1.2 #2发电机故障情况

2011-03-19，利用压气机孔探的机会对#2发电机的转子直流电阻进行了测量，数据正常。2011-06-30 T 00:19，#2机组按计划调停消缺，进行压气机离线水洗及孔探工作。2011-07-03 T 08:30，开始进行压气机离线水洗，机组先升速至540 r/min，然后再降至435 r/min，最后降至盘车转速4 r/min，执行加药程序，在此过程中，机组各参数均正常。09:40，机组加速至435 r/min执行压气机漂洗程序，11:00，发现发电机的励磁电流在360～530 A之间大幅晃动，晃动频率较高。同时发现励磁变压器2高压侧电流有间隙性波动(74～93 A)，在此期间，发电机转子电压基本不变，机组转速未出现晃动，就地检查励磁变压器本体有间隙性电磁响声，励磁变压器本体温度正常。同时对发电机、EX2100多桥励磁控制器、静态变频启动器 LCI(Load Commutated Inverter)等设备进行检查，未发现其他异常情况。2011-07-03 T 20:30—04 T 02:30，漂洗程序结束，励磁变压器2高压侧电流稳定，励磁电流晃动较小，为30 A。水洗结束后，对发电机转子的直流电阻进行了测量，发现不同角度下变化较大，其故障情况与2010年年底#1机组中修时发电机的故障情况一致，笔者初步判断发电机的导电螺杆出现问题。2011-03-19—06-30，#2机组分别启、停机12次，共运行1 965 h，盘车运行了459 h，在此期间，发电机的励磁电流、励磁电压、定子温度等参数均正常，未出现过异常情况。

此时恰逢迎峰度夏，为了加快检修进度，尽早将#2发电机组投入运行，决定联系生产厂家修理人员在现场进行抽转子修理，更换导电杆和连接螺栓，而不返厂处理。这样就带来一个问题，处理结束后只能在现场进行发电机的动平衡试验，而以往这项工作都是在生产厂家进行的。在现场采用常规方法是将机组进行氢气置换合格后进行启动，如果数据不正常，待发电机气体置换合格后进行处理。处理结束后，再进行气体置换，然后再次启动机组进行动平衡试验，动平衡试验时间不长(2 h左右)，但气体置换的时间较长(通常要16～24 h)。为了节省时间，加快进度，故决定发电机不进行气体置换，直接充压缩空气启动机组至全速进行动平衡试验，万一动平衡结果不正常，可不进行气体置换而直接处理，这样就节约了进行气体置换的时间。国内的9F燃机机组从未进行过发电机的空气冷却启动，无任何经验，这对于9F机组发动机启动是一次大胆的尝试。

2 9F机组的启动过程

9F机组在启动阶段是通过静态变频启动器和EX2100多桥励磁控制器将发电机变为同步电动机来启动机组的，整个机组的启动过程分为启动、清吹、点火、暖机和加速5个阶段。

静态变频启动器在启动过程中，实际上是起到一个变频器的作用，以6 kV厂用电为电源，通过整流、逆变过程，控制输出电流的大小和频率，供给发电机的定子，定子电流和励磁磁场作用产生电磁转矩拖动发电机作同步电动机升速。

EX2100多桥励磁控制器是一种数字式静态励磁系统，其用途是向发电机转子绕组提供直流电流来激励发电机转子绕组磁场，产生控制发电机端电压和无功的励磁电流。EX2100多桥励磁控制器的基本配置是由冗余的控制器M1，M2，C和与之相连的多个整流桥所组成，发电机电压和电流的测量信号都被连接到每个控制器内。

静态变频启动器和EX2100多桥励磁控制器以及机组控制系统(MARK VI)是一个完整的控制系统。MARK VI提供力矩和转速设定信号给静态变频启动器，静态变频启动器根据这些信号提供一个变频的电能给发电机的定子，EX2100多桥励磁控制器受到静态变频启动器的控制，在启动期间，调节励磁电流，通过控制励磁电流和定子电流，从而达到发电机调节转速之目的。

3 390H型发电机通风冷却系统

390H型发电机是全氢冷发电机组。由于9F机组的启动特点决定了发电机在机组的启动阶段是作为同步电动机使用的，其定子、转子上必须有电流流过。由于发电机定子、转子线圈内产生了很大的电流，发电机内有很强的交变磁场，存在铁损和铜损等各种损耗。由于发电机转子以3000r/min的转速高速旋转，所以，在发电机运行时，会使发电机发热，温度升高，若温度超过允许值，绝缘材料将加速老化，发电机的使用寿命将减少。故发电机在启动阶段必须要进行冷却，通常做法是采用氢气进行冷却并通过发电机通风冷却系统把热能传递给外循环的闭冷水排出。

3.1 采用氢气冷却的优点

(1)氢气的绝缘性能好，电离现象微弱，可以延长线圈的使用寿命。

(2)纯氢的密度仅为空气密度的1/14，导热系数为空气的7倍，冷却效率是空气的6倍，在同一温度和流速下，放热系数为空气的14～15倍。这些特点决定了氢气传热系数大、导热能力强，可提高发电机的单机容量和缩小发电机的体积。

(3)由于氢气密度小，因此，在相同气压下氢气冷却的通风损耗、风的摩擦损耗均为空气的1/10，大大降低了发电机风扇和通风系统的摩擦损耗，提高了发电机的效率，采用密闭循环系统后，可使机组噪声大大减小。

3.2 采用氢气冷却的缺点

(1)氢气是一种比空气轻且渗透性很强的气体，容易从设备中泄漏出来，所以，对发电机的严密性要求很高，以防氢气向外泄漏。由于氢气与氧气混合后的爆炸范围广，空气中含氢4.1% ～74.2%有爆炸危险，因此，要特别注意防火、防爆，在有氢气的场所应悬挂醒目的警示牌。

(2)在发电机检修时，需要进行发电机的氢气置换工作，充氢、排氢过程很繁琐，时间较长，过程也很缓慢，技术要求很严格。

3.3 发电机定子冷却

发电机通风冷却系统主要包括氢冷器和转子风扇，转子风扇为轴流式，风扇叶片安装在发电机转子两端的风扇叶轮上，通过转子风扇的作用，冷氢从氢冷器流出，强迫进入气隙内和静子线圈周围。静子由腹板轴向分成若干部分，在一些分段，冷气体通过铁芯中径向风道从铁芯的外侧进入气隙;在另外一些分段，冷气体则从气隙进入铁芯风道再从外侧流出。冷却气体通过管道或通道进入相应分段，热气体直接进入冷却器冷却，冷却后的氢气返回到转子风扇进行再循环。静子铁芯内部轴向多路进风方式使铁心和绕组的轴向温度均匀分布，冷却均匀，通风损失小，避免了温差过大引起的局部过热和热应力。发电机定子的通风冷却系统如图1所示。

图1 发电机定子通风冷却系统图

3.4 发电机转子冷却

390H发电机转子总长约12 m，绕组段长约5 m，转子风扇提供发电机的轴向冷却风，一部分气流沿着转子表面的气隙对转子外部进行冷却;内部则被通过转子和绕组下的通风槽气流冷却，然后流进转子槽，通过励磁线圈和槽楔内的小孔径向排到气隙，发电机转子结构如图2所示。

3.5 390H发电机在线监测

3.5.1 铁芯检测

探测线圈装在发电机汽测定子槽10点钟方向第52槽，探测线圈的感应电动势是由气隙转子槽部漏磁通微分产生，再将电动势波形导入分析仪进行分析。当发电机某部位超温时，如果高温使得含有这种热解物微粒的气体进入分析仪，会提高电场电动势下降值(从正常的90%降至60%的报警值)，可准确判断转子绕组有无匝间短路、开路以及所在槽的位置。

3.5.2 发电机过热监视

发电机绝缘材料主要为有机聚合物、聚酯和环氧树脂等，发电机绝缘材料在温度超过180℃时，聚合物开始分解，形成烃类分解物蒸汽。冷却气体离开热区后便形成液滴，其他绝缘材料(木、纸、云母和玻璃纤维等)在高温400℃开始劣化及炭化，同时形成微小粒子(0.001～0.010 mm)，监测冷却气体中的微粒及绝缘热劣化后的气体成分，可实现发电机过热诊断，匝间短路，铁芯短路，局部放电等异常情况的监视。

3.5.3 发电机温度监测

主要通过测温元件对发电机的进/出口风温、定子铁芯、线圈、磁屏蔽环的温度进行监测。

4 发电机空气冷却启动

4.1 发电机各运行阶段的参数

发电机启动各阶段及正常运行时的参数对比见表1。

4.2 空气压力的选择

由于空气的密度是氢气的14倍，如果采用相同气体压力的话，一方面发电机转子风扇的差压会比氢气状态下要高出好多倍，这就使得氢气流动的动力不够，从而使得发电机的定子和转子各部分不能均匀冷却，降低了设备的绝缘水平;另一方面，发电机转子风扇差压过高的话也有可能使得密封油容易进入到发电机内，故空气的压力选择肯定不能过高，而过低则不能满足发电机冷却的需要，所以，选择一个合适的空气压力是一个需要重点考虑的问题。

表1 发电机启动各阶段及正常运行时的参数对比

在机组满负荷运行时，发电机内氢气的压力是400 kPa，氢气的冷却效率是空气的6倍，机组从启动到全速空载阶段时间在22 min左右，其中清吹时间11 min，全速状态下进行动平衡试验的时间在2 h左右，再加上机组启动各阶段及满负荷时的各参数对比分析，综合以上的相关条件最后定出发电机内充入70 kPa压力的空气。

4.3 具体操作及注意事项

(1)在向发电机充空气前，应对各控制气储气筒进行疏水，将水放尽。检查发电机空间电加热及发电机集电端电加热是否送电，确保压缩空气是干燥的。

(2)在机组启动进行动平衡试验前，停用氢干燥器，关闭氢干燥器进、出口，关闭发电机/风扇差压高进口、发电机/风扇差压低进口。动平衡试验结束后，恢复相关阀门的原有状态，投用氢干燥器。

(3)在对发电机进行充压时，应控制好升压速度，缓慢升压至70 kPa。在充压期间，应密切注意发电机密封油油压、油氢差压、密封油回油箱油位和发电机内露点温度是否正常。

(4)在机组启动后，检查静态变频启动器和励磁系统运行是否正常，在启动过程中，应密切监视发电机转子线圈、定子线圈、定子铁芯、发电机透平端、集电端的冷氢/热氢温度。

(5)在机组启动后，应密切监视油氢压差、密封油回油箱油位、发电机检漏仪有无液体、铁芯监视器和发电机过热监视有无报警的情况。

(6)在全速空载下，应维持机组冷却蒸汽的压力和温度，确保汽轮机低压缸末级叶片温度不超限。

4.4 发电机空气冷却启动后发电机温度变化情况

发电机空气冷却启动后发电机温度变化情况见表2。

表2 发电机空气冷却启动后发电机温度变化情况(2011－07－21) ℃

从整个试验结果来看，发电机各部分温度均正常上升，温度均在标准范围内，这次发电机空气冷却启动是非常成功的。

5 结束语

390H型发电机的导电螺杆出现故障已不是偶然现象，机组在启动过程中的清吹阶段进行压气机的离线水洗时，应高度重视发电机励磁参数的变化情况，发现异常应及时停机并测量发电机直流电阻的变化情况，特别要重视不同角度下的发电机直流电阻变化情况，建议每45°测量1次。另外，故障发生后，若在现场进行发电机的动平衡试验，可以不置换氢气，直接向发电机内充入70 kPa的压缩空气，然后启动机组进行试验，万一动平衡试验不正常需加平衡块时，这种操作方法可节省大量的处理时间。

［1］中国华电集团公司.大型燃气-蒸汽联合循环发电技术丛书设备及系统分册［M］.北京:中国电力出版社，2009.