丹江口大壩加高工程電廠機(jī)組設(shè)備改造項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

齊耀華，王 煒

（南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司，442700，丹江口）

一、項(xiàng)目背景

1958年9月丹江口工程開工時，大壩設(shè)計(jì)高程為176.6 m。由于受當(dāng)時技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件限制，工程實(shí)際按照初期工程建設(shè)，即壩頂高程162 m、正常蓄水位157 m。布置于壩后的電廠共安裝6臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量15萬kW，總裝機(jī)容量90萬kW。機(jī)組投產(chǎn)后，丹江口水電廠成為華中電網(wǎng)主力調(diào)頻、調(diào)峰廠，擔(dān)負(fù)電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用任務(wù)，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定、華中地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高作出了重大貢獻(xiàn)。

21世紀(jì)初，國家確定實(shí)施南水北調(diào)中線工程，其中丹江口水利樞紐大壩將按原規(guī)劃實(shí)施二期工程，即大壩加高至176.6m，正常蓄水位提高至170m，滿足近期向北方調(diào)水量95億m3，遠(yuǎn)期調(diào)水量120億～130億m3的需求。

按照丹江口大壩加高初步設(shè)計(jì)規(guī)劃，大壩加高后由于正常蓄水位發(fā)生變化,電廠機(jī)組運(yùn)行的主要設(shè)計(jì)參數(shù)也發(fā)生了變化，詳見表1。

表1 丹江口水電廠初期及大壩加高后水能參數(shù)表

基于二期工程實(shí)施后，電站運(yùn)行水頭發(fā)生較大變化，結(jié)合多年機(jī)組運(yùn)行存在問題的實(shí)際情況，南水北調(diào)中線水源丹江口大壩加高工程中對部分老設(shè)備進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)。

截至2012年10月，隨著大壩加高工程建設(shè)進(jìn)展，多數(shù)電廠改造內(nèi)容已實(shí)施，改造過程中出現(xiàn)并解決了許多實(shí)際問題，其經(jīng)驗(yàn)值得總結(jié)和借鑒。

二、機(jī)組改造內(nèi)容的確定

1.改造前的機(jī)組狀態(tài)

丹江口水電廠6臺機(jī)組均為20世紀(jì)60—70年代產(chǎn)品，除1、2號機(jī)組為蘇聯(lián)進(jìn)口產(chǎn)品外，其他均為國產(chǎn)仿蘇聯(lián)產(chǎn)品。由于受當(dāng)代國內(nèi)工業(yè)水平和材料品質(zhì)所限，運(yùn)行后水輪機(jī)出現(xiàn)較嚴(yán)重的空蝕、葉片裂紋等問題。為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，20世紀(jì)90年代初丹江口水電廠陸續(xù)對4臺機(jī)組進(jìn)行了改造，改造后機(jī)組仍存在水輪機(jī)空蝕、裂紋嚴(yán)重（除3號機(jī)外）、減壓板焊縫開裂、尾水管錐管鋼襯大面積脫落等現(xiàn)象。在4號、5號發(fā)電機(jī)定子繞組部分定子絕緣分層干裂，線棒端部防暈層大面積脫落，泄露電流大大超過規(guī)定值，在機(jī)組大修定子試驗(yàn)中多次有線棒擊穿現(xiàn)象發(fā)生。

3號機(jī)組性能優(yōu)于其他的原因主要是采用了上海伏伊特西門子水電設(shè)備有限公司提供的HL695轉(zhuǎn)輪，并且水輪機(jī)部分改造中首次考慮了南水北調(diào)后水頭增加問題，按適應(yīng)水庫正常蓄水位提高至170 m后的運(yùn)行條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，將轉(zhuǎn)輪最大水頭定為81 m。

2.改造方案的確定

為使大壩加高后的電廠機(jī)組能夠在新水頭下安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時最大限度節(jié)省建設(shè)投資，聘請?jiān)O(shè)計(jì)公司校核了水輪發(fā)電機(jī)組的主要部件（如轉(zhuǎn)輪、主軸、導(dǎo)葉、頂蓋、蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)軸承、推力軸承、轉(zhuǎn)子等）的強(qiáng)度和剛度，確定了可利用的原部件，提出了機(jī)組改造范圍。其中：①水輪機(jī)部分，更換1號、2號、4號、5號、6號水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、頂蓋、底環(huán)、活動導(dǎo)葉、主軸密封、檢修密封、調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械柜、電器柜、分段關(guān)閉閥等，并對固定導(dǎo)葉進(jìn)行相應(yīng)的修形處理，其余部件如水輪機(jī)水導(dǎo)軸承、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、主軸、埋設(shè)部件等均保留使用；②發(fā)電機(jī)部分，對自投運(yùn)以來從未進(jìn)行過更新改造的4號、5號水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造，改造范圍為發(fā)電機(jī)定子鐵芯、定位筋、線棒、引出線、轉(zhuǎn)子磁極線圈、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、制動柜、電加熱器及其相關(guān)附件等。

三、改造實(shí)施過程中的主要經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)

1.重視招標(biāo)文件的編審，選擇良好的設(shè)備供應(yīng)商

①項(xiàng)目業(yè)主單位委托設(shè)計(jì)公司對水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等分別編制了招標(biāo)書，文件中結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)提出了較高的性能指標(biāo)，對水輪機(jī)承包商提出必須進(jìn)行模型試驗(yàn)和驗(yàn)收等條件。

②在全面了解國內(nèi)設(shè)備供應(yīng)商制造能力和業(yè)績的情況下，合理設(shè)定投標(biāo)人資格條件、評標(biāo)辦法，保證了有實(shí)力的投標(biāo)人充分競爭。

③招標(biāo)文件的內(nèi)容充分征求了原運(yùn)行管理單位意見，并組織專家進(jìn)行審查后確定。

2.作好溝通協(xié)調(diào)，確保設(shè)備制造的高質(zhì)量和順利進(jìn)行

①設(shè)備制造合同簽訂后，項(xiàng)目業(yè)主積極協(xié)調(diào)電廠、安裝項(xiàng)目部、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位等相關(guān)方與廠家進(jìn)行溝通，充分利用三次設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會、專題會議的時機(jī)向廠家介紹現(xiàn)場情況，盡可能提供老設(shè)備部件制造及安裝相關(guān)圖紙，為廠家全面了解情況進(jìn)而制造出高質(zhì)量產(chǎn)品創(chuàng)造條件。

②建立了工程監(jiān)理駐廠監(jiān)造設(shè)備制度，始終掌握生產(chǎn)中的第一手情況。

③認(rèn)真開展水輪機(jī)模型試驗(yàn)和驗(yàn)收工作。在水輪機(jī)正式制造前，賣方按照合同在位于法國格林諾貝爾市的阿爾斯通試驗(yàn)室先后進(jìn)行了三次模型試驗(yàn)，第三次獲得成功并經(jīng)過驗(yàn)收后才開展對水輪機(jī)真機(jī)的制造。

④在機(jī)組埋件的復(fù)測、返廠修改部件的拆卸和運(yùn)輸方面，給予廠家最大配合，為部件的按時安裝提供條件。

⑤由于水輪機(jī)控制環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)均為返廠改造部件，為銜接好機(jī)組停機(jī)、拆卸、返廠改造、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)廠內(nèi)聯(lián)調(diào)后出廠及滿足安裝工期，項(xiàng)目業(yè)主新購兩套導(dǎo)水機(jī)構(gòu)控制環(huán)、聯(lián)桿聯(lián)臂（分別適用1號、2號機(jī)1套，其他機(jī)組1套），滿足了水輪機(jī)各部件的協(xié)調(diào)生產(chǎn)和成套按時交貨。

3.精心安裝調(diào)試

鑒于電廠機(jī)組改造安裝不同于新電廠機(jī)組安裝工程，在機(jī)組改造過程中，還要兼顧其他機(jī)組的運(yùn)行和檢修等，受電廠廠房內(nèi)只有一個安裝場、兩臺起重行車等資源限制，經(jīng)報(bào)請國務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會辦公室批準(zhǔn)，指定由漢江集團(tuán)公司承擔(dān)項(xiàng)目的施工工作。為此，漢江集團(tuán)公司以丹江口水電廠為主體成立了機(jī)組設(shè)備改造安裝工程項(xiàng)目部（以下簡稱“機(jī)組改造項(xiàng)目部”），具體負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的技術(shù)準(zhǔn)備、施工組織、質(zhì)量控制、安全管理和資料整編等工作。

作為改造設(shè)備的安裝方及投運(yùn)后的運(yùn)行管理方，機(jī)組改造項(xiàng)目部在機(jī)組改造施工中進(jìn)行了精心組織，堅(jiān)持“安全、質(zhì)量、進(jìn)度、文明、低耗”五統(tǒng)一的原則，在確保高效率完成機(jī)組改造任務(wù)的基礎(chǔ)上，還針對改造、調(diào)試中暴露出的各種不利于設(shè)備運(yùn)行及檢修的問題，提出了許多改進(jìn)意見，收到了良好效果。

（1）老水輪機(jī)圖紙尺寸不可信問題

由于在招標(biāo)期間提供的圖紙均為人工手繪藍(lán)圖，在進(jìn)行水輪機(jī)設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)其中某些圖紙的關(guān)鍵部位存在互相矛盾的地方，特別是水輪機(jī)底環(huán)與座環(huán)的接合面處，無法確認(rèn)其結(jié)構(gòu)。這些部件在水輪機(jī)安裝完畢后均無法觀察或測量到具體結(jié)構(gòu)尺寸，若無法確定此結(jié)構(gòu)與具體尺寸，水輪機(jī)底環(huán)將無法正常設(shè)計(jì)。為保證水輪機(jī)設(shè)計(jì)制造的順利進(jìn)行，經(jīng)各方共同商議后決定對每臺改造機(jī)組進(jìn)行復(fù)測，實(shí)際共拆卸復(fù)測5臺機(jī)組。

（2）水輪機(jī)基礎(chǔ)環(huán)水平超差問題

丹江口水電廠機(jī)組于20世紀(jì)60年代末開始安裝，當(dāng)時國家對此沒有一個正式的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，僅按廠家設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝，實(shí)際施工中標(biāo)準(zhǔn)要求較低。水輪機(jī)改造安裝工程中，水輪機(jī)埋件不進(jìn)行改造更換，但經(jīng)現(xiàn)場測量基礎(chǔ)環(huán)水平發(fā)現(xiàn)，個別機(jī)組水平最大偏差超過1 mm。現(xiàn)行國標(biāo)GB/T 8564—2003中要求基礎(chǔ)環(huán)、座環(huán)安裝的允許偏差為：徑向0.05 mm/m，最大不超過0.60 mm；周向0.40 mm。經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、廠家與施工方多次討論協(xié)商，決定調(diào)整現(xiàn)場施工工序，對水輪機(jī)基礎(chǔ)環(huán)進(jìn)行人工打磨，最終確保機(jī)組水平符合國標(biāo)要求。

（3）水輪機(jī)新底環(huán)偏孔問題

2011年1月，在5號水輪機(jī)新底環(huán)預(yù)裝中發(fā)現(xiàn)，底環(huán)固定螺栓孔偏孔約0.2°，導(dǎo)致新底環(huán)就位后X、Y線與座環(huán)X、Y線偏差約12 mm。

為解決此問題，對所有24個固定螺栓孔進(jìn)行現(xiàn)場擴(kuò)孔處理，將Φ48 mm圓孔擴(kuò)成橢圓孔，偏移12 mm，增加橢圓墊片的受力面積。

（4）其他問題

首臺調(diào)速器安裝后接力器全關(guān)時存在偏開現(xiàn)象。項(xiàng)目部與制造廠家一起研究分析問題原因，提出改造意見，配合廠家對閥組進(jìn)行了調(diào)整解決。

在定子線棒下線前的耐壓試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)有部分線棒在試驗(yàn)中端部部位有冒煙或擊穿現(xiàn)象，說明部分線棒的防暈層及主絕緣存在問題。問題出現(xiàn)后，立即安排專人到現(xiàn)場對問題線棒的防暈層進(jìn)行了處理，部分擊穿線棒返廠處理，徹底解決了此問題。

4.建設(shè)協(xié)調(diào)問題

南水北調(diào)電廠機(jī)組改造安裝工程在實(shí)施過程中存在大量的協(xié)調(diào)問題，主要有制造廠家交貨時間、改造機(jī)組停機(jī)安排、電廠日常檢修、大壩加高土建配合、電網(wǎng)調(diào)度臨時要求、丹江110 kV系統(tǒng)穩(wěn)措等。

（1）廠家交貨延期問題

2007年5號發(fā)電機(jī)改造過程中，由于生產(chǎn)廠家部分改造設(shè)備及工裝工具未到貨，發(fā)電機(jī)中心測量工作一直無法進(jìn)行。直到2008年1月27日才完成測定工作，開始進(jìn)行發(fā)電機(jī)鐵芯的拆除，此時整個工程進(jìn)度已延遲73天。

在此期間，電廠項(xiàng)目部主動與生產(chǎn)廠家溝通，安排人員前往催貨，并在后期的發(fā)電機(jī)定子改造過程中優(yōu)化工期，合理調(diào)度，加班加點(diǎn)，努力把耽誤的工期搶回來。

（2）改造機(jī)組停機(jī)安排

電廠需改造的機(jī)組在改造前均為在運(yùn)行的機(jī)組，為進(jìn)行設(shè)備改造，必須向電網(wǎng)申請停機(jī)計(jì)劃。由于南水北調(diào)工程工期緊，有時為確保改造進(jìn)度，只能申請機(jī)組在汛期停機(jī)，協(xié)調(diào)難度很大。

2011年6月，漢江流域已進(jìn)入汛期，但為了確保工程進(jìn)度，需要1號機(jī)組停機(jī)進(jìn)行水輪機(jī)改造。為此，漢江集團(tuán)公司、丹江口水電廠多次向湖北電力調(diào)度通信中心申請解釋，協(xié)調(diào)停機(jī)安排，最終確保了1號水輪機(jī)改造工程于6月22日開工。

（3）兼顧在運(yùn)機(jī)組日常檢修

按照相關(guān)檢修規(guī)定，電廠在運(yùn)機(jī)組需進(jìn)行每年二次的例行檢修、三年一次大修等。自2006年改造工程開始以來，機(jī)組改造項(xiàng)目部在電廠的領(lǐng)導(dǎo)下很好地協(xié)調(diào)解決了檢修場地、人員、設(shè)備交叉等問題，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組改造與發(fā)電運(yùn)行兩不誤的優(yōu)良結(jié)果。

（4）兼顧與大壩加高土建、金屬結(jié)構(gòu)施工的配合

廠房壩段土建施工中，機(jī)組原有的液壓啟閉機(jī)及油泵等在運(yùn)設(shè)備均被壩體預(yù)留空腔包圍，不僅影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也給設(shè)備巡檢、檢修帶來很多不便。電廠協(xié)調(diào)土建施工單位，對關(guān)鍵部件提前進(jìn)行安全防護(hù)處理，并作好事故應(yīng)急預(yù)案及備品備件的準(zhǔn)備工作，保證了施工期間設(shè)備的安全運(yùn)行。

廠房壩段金屬結(jié)構(gòu)施工中，多次需要相關(guān)機(jī)組停機(jī)配合進(jìn)行壩體水下裂縫檢查處理、檢修門槽檢查處理、取水口封堵等工作，最多時要求電廠同時停臨3臺機(jī)組配合施工。電廠結(jié)合機(jī)組改造、檢修停機(jī)計(jì)劃安排，多次向湖北電力調(diào)度通信中心解釋申請，圓滿完成了停機(jī)任務(wù)。

（5）滿足電網(wǎng)調(diào)度臨時要求

丹江口水電廠6臺機(jī)組均受湖北電力調(diào)度通信中心調(diào)度，并受國家電力監(jiān)管委員會華中監(jiān)管局監(jiān)管，在重大社會活動、節(jié)假日期間均需進(jìn)行保電工作，確保電力安全可靠供應(yīng)。

2012年6月初，由于29、30壩段裂縫處理，電廠1、2、3號機(jī)組同時停運(yùn)配合。但由于高考保電需要，省調(diào)要求丹江口水電廠確保負(fù)荷穩(wěn)定。經(jīng)協(xié)調(diào)后，電廠利用處理間隙將機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)，確保了電力供應(yīng)。

表2 3號、4號、5號機(jī)組出力參數(shù)

（6）搞好丹江110 kV系統(tǒng)的穩(wěn)措

丹江110 kV系統(tǒng)僅有丹江口水電廠1個電源點(diǎn)，因此電廠需負(fù)責(zé)系統(tǒng)的穩(wěn)措。由于 1、2、3號機(jī)組可向110 kV系統(tǒng)供電，因此這3臺機(jī)組的停機(jī)安排與110 kV系統(tǒng)的負(fù)荷及運(yùn)行情況有很大關(guān)聯(lián)。

為保證110 kV系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，電廠在1、2號水輪機(jī)改造期間盡力控制110 kV系統(tǒng)負(fù)荷，做好事故預(yù)想與應(yīng)急預(yù)案準(zhǔn)備工作，嚴(yán)密監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

5.機(jī)組改造結(jié)果

截至目前，電廠機(jī)組改造工程已完成2臺發(fā)電機(jī)、4臺水輪機(jī)、1臺主變壓器及大部分輔助設(shè)備的現(xiàn)場改造安裝工作，最后1臺水輪機(jī)改造正在進(jìn)行中。

改造后的機(jī)組經(jīng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)證明，機(jī)組穩(wěn)定性、效率、出力均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。如2010年7月，大壩開啟6個深孔棄水，此時水庫上游水位154.67 m，下游水位93.55 m，水輪機(jī)水頭為61.12 m，3號、4號、5號機(jī)組均為滿負(fù)荷出力，實(shí)測數(shù)據(jù)如表2所示。

在相同工況下，4號機(jī)組經(jīng)過徹底改造后，與3號、5號機(jī)組相比，機(jī)組最大出力顯著增加。觀察測量3號、4號、5號機(jī)組各部位的溫度和擺度，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。其機(jī)組各部溫度與擺度數(shù)值與3號、5號機(jī)組相近，均在合格范圍內(nèi)。5號機(jī)組雖然進(jìn)行了發(fā)電機(jī)改造，機(jī)組各部溫度與改造前相比有明顯降低，但由于水輪機(jī)未改造，最大出力明顯小于4號機(jī)組。

四、結(jié) 語

南水北調(diào)機(jī)組改造過程中采用了大量新技術(shù)、新工藝、新材料，收到了良好的效果。與以往機(jī)組改造相比，此次南水北調(diào)機(jī)組改造雖然仍是局部改造，但消除了因設(shè)備老化而對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的威脅和隱患，另一方面也為下一步大壩加高完成后提高蓄水位、增強(qiáng)機(jī)組性能打好了基礎(chǔ)。經(jīng)機(jī)組啟動試驗(yàn)與試運(yùn)行證實(shí)，機(jī)組改造后在目前的水頭下運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)值。待南水北調(diào)大壩加高完成，水庫提高蓄水位至170 m后，將徹底驗(yàn)證機(jī)組改造效果，確保機(jī)組在高水位下安全穩(wěn)定運(yùn)行。