葛洲壩水電站170MW軸流式水電機(jī)組運(yùn)行狀況評(píng)估

胡定輝　桂紹波　鄭濤平　章勛

摘要：超期服役或長時(shí)間偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)組會(huì)存在安全隱患，必須對(duì)其開展試驗(yàn)評(píng)估。葛洲壩水電站2臺(tái)170 MW軸流式水電機(jī)組投運(yùn)近40 a，受當(dāng)時(shí)制造水平限制，23 m水頭以上為限制運(yùn)行區(qū)，而自三峽水電站投運(yùn)以來，2臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)增加并頻繁在23 m水頭以上區(qū)域運(yùn)行，所以亟需對(duì)這2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行狀況進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)評(píng)估，以保證機(jī)組安全運(yùn)行。

機(jī)組試驗(yàn)檢測(cè)分為水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)2個(gè)部分進(jìn)行，采取的方法包括綜合性能試驗(yàn)和關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)檢測(cè)。水輪機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容包括開停機(jī)狀態(tài)性能檢測(cè)、穩(wěn)定性試驗(yàn)檢測(cè)、關(guān)鍵部件應(yīng)力檢測(cè)與分析、關(guān)鍵部件無損探傷檢測(cè)與分析等;發(fā)電機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容包括主要參數(shù)檢測(cè)分析、發(fā)電機(jī)通風(fēng)試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、關(guān)鍵部件應(yīng)力檢測(cè)與分析、關(guān)鍵部件無損探傷檢測(cè)與分析等。根據(jù)分析試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，并結(jié)合機(jī)組運(yùn)行日志、維修記錄、技改資料等，對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀況及安全穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明：主要檢測(cè)參數(shù)指標(biāo)基本在規(guī)范規(guī)定的合理范圍內(nèi)，但同時(shí)機(jī)組也存在剛強(qiáng)度偏低、穩(wěn)定性較差、定子絕緣電阻降低等不利于機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行的問題 。提出了相應(yīng)機(jī)組應(yīng)盡快對(duì)其更新改造，并在改造之前應(yīng)密切關(guān)注機(jī)組各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)的建議。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)組; 安全穩(wěn)定性; 試驗(yàn)檢測(cè); 葛洲壩水電站

中圖法分類號(hào)： TV734.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.036

0引 言

葛洲壩水電站裝設(shè)有2臺(tái)170 MW和19臺(tái)125 MW軸流式水輪發(fā)電機(jī)組，于20世紀(jì)80年代正式投運(yùn)。目前，19臺(tái)125 MW機(jī)組的增容改造工程已基本完成[1-2]。

葛洲壩水電站170 MW機(jī)組是當(dāng)時(shí)國內(nèi)單機(jī)尺寸最大的軸流式水電機(jī)組[3]，作為試驗(yàn)性機(jī)組，自投產(chǎn)以來已連續(xù)運(yùn)行近40 a，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)均在6 000 h以上。同時(shí)，自三峽水電站運(yùn)行以來，葛洲壩水電站170 MW機(jī)組頻繁在23 m水頭以上限制運(yùn)行區(qū)域運(yùn)行。而且，170 MW機(jī)組至今未開展過相關(guān)改造，且距上次大修時(shí)間也已歷經(jīng)10多年。機(jī)組關(guān)鍵部件在經(jīng)數(shù)萬小時(shí)的運(yùn)行后，材料老化、疲勞破壞、絕緣介質(zhì)損耗、定子絕緣性能下降、局部放電量增大等問題日益突出，并且存在高水頭運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、振動(dòng)值超標(biāo)、葉片裂紋及磨蝕、轉(zhuǎn)輪室磨蝕和裂紋等安全隱患影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-6]。為此，亟需針對(duì)170 MW水輪發(fā)電機(jī)組開展試驗(yàn)檢測(cè)等有關(guān)工作，以分析機(jī)組整體性能是否良好、關(guān)鍵部件是否存在裂紋或其他缺陷、受力工作狀態(tài)是否正常，進(jìn)而對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)一步保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[7-9]。

1試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目

葛洲壩水電站170 MW機(jī)組試驗(yàn)檢測(cè)主要是針對(duì)1號(hào)機(jī)組開展試驗(yàn)檢測(cè)工作。試驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容包括水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)2個(gè)部分，由綜合性能試驗(yàn)和關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)檢測(cè)2個(gè)部分組成。

水輪機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)包括：開停機(jī)狀態(tài)性能檢測(cè)、穩(wěn)定性試驗(yàn)檢測(cè)、關(guān)鍵部件應(yīng)力檢測(cè)與分析、關(guān)鍵部件無損探傷檢測(cè)與分析等[10]。

發(fā)電機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)包括：主要參數(shù)檢測(cè)分析、通風(fēng)試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、關(guān)鍵部件應(yīng)力檢測(cè)與分析、關(guān)鍵部件無損探傷檢測(cè)與分析等[11-12]。

2水輪機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)

2.1開停機(jī)狀態(tài)性能檢測(cè)

水輪機(jī)開停機(jī)狀態(tài)性能檢測(cè)主要是在機(jī)組正常開機(jī)至同步轉(zhuǎn)速并網(wǎng)時(shí)，以及在機(jī)組從同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行至正常停機(jī)時(shí)，分別采集機(jī)組轉(zhuǎn)速、功率、導(dǎo)葉和槳葉接力器行程、水壓脈動(dòng)、機(jī)組振動(dòng)、主軸擺度等參數(shù)的過渡過程變化曲線。水輪機(jī)開停機(jī)狀態(tài)性能檢測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如表1所列。

以機(jī)組正常開機(jī)至同步轉(zhuǎn)速為例，1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度隨時(shí)間的變化曲線如圖1～2所示，上導(dǎo)、水導(dǎo)擺度，上機(jī)架、定子機(jī)座與支持蓋振動(dòng)等參數(shù)隨轉(zhuǎn)速與導(dǎo)葉開度的時(shí)域波形分別如圖3～7所示。

試驗(yàn)分析表明：在正常開機(jī)至同步轉(zhuǎn)速并網(wǎng)及機(jī)組正常停機(jī)狀態(tài)下，上導(dǎo)、水導(dǎo)擺度，上機(jī)架、定子機(jī)座與支持蓋振動(dòng)等參數(shù)隨轉(zhuǎn)速與導(dǎo)葉開度的時(shí)域波形圖，基本穩(wěn)定在某一特定數(shù)值附近，變幅不大，表明機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉、槳葉按預(yù)設(shè)開、停機(jī)程序進(jìn)行動(dòng)作。同時(shí)，通過查閱機(jī)組運(yùn)行資料，發(fā)現(xiàn)在負(fù)荷大于60 MW時(shí)機(jī)組進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)運(yùn)行時(shí)上導(dǎo)、水導(dǎo)、主軸擺度，上機(jī)架、定子機(jī)座與支持蓋振動(dòng)等參數(shù)的時(shí)域波形變化正常。

2.2穩(wěn)定性檢測(cè)與分析

穩(wěn)定性檢測(cè)與分析分為變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、變勵(lì)磁試驗(yàn)及變負(fù)荷試驗(yàn)3種試驗(yàn)工況。

變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)中，依次改變機(jī)組轉(zhuǎn)速為40%，60%，80%與100%額定轉(zhuǎn)速，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，分別采集機(jī)組振動(dòng)與擺度等參數(shù)。主軸擺度值、上機(jī)架振動(dòng)值、定子機(jī)座振動(dòng)值與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線分別如圖8～10所示。

變勵(lì)磁試驗(yàn)中，改變勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的電流輸出，使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓依次為20%Ue、40%Ue、60%Ue、80%Ue與100%Ue，待機(jī)端電壓穩(wěn)定后，分別采集機(jī)組振動(dòng)與擺度等參數(shù)。主軸擺度、上機(jī)架振動(dòng)值、定子機(jī)座振動(dòng)值與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線分別如圖11～13所示。

變負(fù)荷試驗(yàn)中，在現(xiàn)有協(xié)聯(lián)工況下進(jìn)行，調(diào)整負(fù)荷從最小負(fù)荷至滿負(fù)荷，選擇10～15個(gè)工況點(diǎn)，待機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定后，分別采集機(jī)組轉(zhuǎn)速、功率、導(dǎo)葉和槳葉接力器行程、機(jī)組振動(dòng)、主軸擺度等參數(shù)。主軸擺度、上機(jī)架振動(dòng)、定子機(jī)座與有功功率的變化關(guān)系曲線分別如圖14～16所示。

試驗(yàn)表明：上導(dǎo)擺度在機(jī)組出力大于50 MW以上進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，幅值較小且穩(wěn)定，在全工況下小于電廠限制值（上導(dǎo)400 μm，水導(dǎo)600 μm）。上機(jī)架振動(dòng)在機(jī)組負(fù)荷大于50 MW進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。上機(jī)架水平振動(dòng)在機(jī)組負(fù)荷大于50 MW時(shí)小于電廠設(shè)定值（140 μm）。在當(dāng)前水頭下，機(jī)組出力在80～160 MW為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，振動(dòng)和擺度幅值均小且穩(wěn)定。主軸擺度幅值、上機(jī)架振動(dòng)幅值定子基座振動(dòng)幅值、轉(zhuǎn)速、機(jī)端電壓的變化關(guān)系曲線均正常。

2.3水輪機(jī)關(guān)鍵部件應(yīng)力檢測(cè)

水輪機(jī)關(guān)鍵部件應(yīng)力檢測(cè)主要包括主軸應(yīng)力檢測(cè)分析和軸向水推力檢測(cè)分析2個(gè)方面，應(yīng)變片布置分別如圖17～18所示。

選擇其中的16號(hào)和19號(hào)導(dǎo)葉進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，應(yīng)變片分別標(biāo)記為SG9、SG10、SG11、SG12，而SG9、SG11為連桿軸向。

（1） 主軸應(yīng)力檢測(cè)與分析。

在協(xié)聯(lián)工況下，變負(fù)荷試驗(yàn)過程中，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片應(yīng)變值與負(fù)荷的變化關(guān)系曲線如圖19所示。

經(jīng)過計(jì)算，各測(cè)點(diǎn)主軸扭矩與負(fù)荷的變化關(guān)系曲線、主軸扭矩實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較曲線如圖20和圖21所示。

主軸扭矩隨負(fù)荷的增大而增大，且成線性關(guān)系;機(jī)組在負(fù)荷169.55 MW時(shí)，最大扭矩為23 636.4 kN·m，機(jī)組主軸扭矩測(cè)試結(jié)果小于理論計(jì)算結(jié)果，但差值不大，水輪機(jī)主軸等部件受力工作狀態(tài)正常。

（2） 軸向水推力檢測(cè)與分析。

在協(xié)聯(lián)工況下，變負(fù)荷試驗(yàn)過程中，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片應(yīng)變值與負(fù)荷的變化關(guān)系曲線如圖22所示。

經(jīng)過計(jì)算，在協(xié)聯(lián)變負(fù)荷工況下，機(jī)組軸向水推力與實(shí)測(cè)負(fù)荷的變化關(guān)系曲線如圖23所示。

在協(xié)聯(lián)工況下，軸向水推力總的趨勢(shì)是隨負(fù)荷的增大而減小。軸向水推力和主軸扭矩的變化規(guī)律基本一致，未發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象。

1號(hào)機(jī)組的測(cè)試結(jié)果小于計(jì)算值，但相差不大，表明應(yīng)力檢測(cè)方法及結(jié)果可信?？紤]到水輪機(jī)在機(jī)組改造前所做的主軸應(yīng)力試驗(yàn)所得出的測(cè)試結(jié)果與計(jì)算值相吻合，運(yùn)行至今，在1號(hào)機(jī)組上進(jìn)行的主軸應(yīng)力檢測(cè)也得出同樣的結(jié)論，因此，認(rèn)為水輪機(jī)主軸等部件受力工作狀態(tài)正常。

2.4水輪機(jī)關(guān)鍵部件無損探傷檢測(cè)與分析

對(duì)水輪機(jī)主軸、導(dǎo)葉連桿等關(guān)鍵部件進(jìn)行超聲波檢測(cè)，對(duì)支持蓋及螺栓等進(jìn)行磁粉檢測(cè)[13]，均未發(fā)現(xiàn)裂紋或其他類型的超標(biāo)缺陷。同時(shí)，經(jīng)查閱資料，了解到近年來，電站在機(jī)組缺陷處理時(shí)均按規(guī)范要求對(duì)水輪機(jī)關(guān)鍵部件及缺陷部位進(jìn)行了無損探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷，表明水輪機(jī)關(guān)鍵部件工作狀態(tài)正常。

3發(fā)電機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)

3.1發(fā)電機(jī)參數(shù)、溫升及通風(fēng)檢測(cè)與分析

在機(jī)組空載和額定工況下，同步記錄發(fā)電機(jī)額定視在功率、有功功率、定子電流、定子電壓、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓、功率因數(shù)、空載勵(lì)磁電壓及空載勵(lì)磁電流等主要參數(shù)[14-15]，并與電站實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、電站機(jī)組原有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及相關(guān)規(guī)范值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)主要參數(shù)值基本在合理范圍內(nèi)，無較大偏差。

在額定負(fù)荷和額定工況下測(cè)量定、轉(zhuǎn)子繞組和定子鐵芯的溫升。從發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子溫升測(cè)量結(jié)果來看，定子鐵芯與定子線圈溫度比較接近，測(cè)得定子平均溫度為53.60 ℃，扣除冷卻風(fēng)溫25.40 ℃，溫升約28.20 ℃，測(cè)得轉(zhuǎn)子平均溫度為37.75 ℃，扣除冷卻風(fēng)溫25.40 ℃，溫升約12.35 ℃。與電站以往運(yùn)行情況對(duì)比，發(fā)電機(jī)溫升在正常范圍，滿足保證值要求。

在發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)、滿負(fù)荷運(yùn)行等工況下測(cè)量冷卻器的出風(fēng)口處、定子上端部的進(jìn)風(fēng)處、定子下端部的進(jìn)風(fēng)處的總風(fēng)量，并計(jì)算了發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷狀態(tài)下的損耗。試驗(yàn)檢測(cè)表明：空載狀態(tài)下，空冷器通風(fēng)風(fēng)量為99.64 m3/s、空冷器上端風(fēng)量為52.06 m3/s、空冷器下端風(fēng)溝風(fēng)量為39.27 m3/s;滿載狀態(tài)下，空冷器通風(fēng)風(fēng)量為111.46 m3/s、空冷器上端風(fēng)量為54.03 m3/s、空冷器下端風(fēng)溝風(fēng)量為39.79 m3/s，滿載狀態(tài)下發(fā)電機(jī)總風(fēng)量為232.94 m3/s。與電站以往運(yùn)行情況對(duì)比，運(yùn)行通風(fēng)狀態(tài)良好，發(fā)電機(jī)損耗在正常范圍。

但是，通過查閱運(yùn)行資料，機(jī)組在預(yù)防性試驗(yàn)中的結(jié)果顯示，該機(jī)組的定子絕緣電阻下降，泄漏電流有明顯增長的趨勢(shì)。

3.2發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件應(yīng)力檢測(cè)與分析

關(guān)鍵部件應(yīng)力檢測(cè)主要以推力支架為例。推力支架應(yīng)力檢測(cè)應(yīng)變片布置在推力支架靠近進(jìn)人門附近的2個(gè)側(cè)面，應(yīng)變片分別標(biāo)記為SG13、SG14、SG15、SG16，其中SG13、SG14位于靠近進(jìn)人門位置;SG13、SG15為水平方向，SG14、SG16為豎直方向。

經(jīng)過檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在開、停機(jī)過程中，發(fā)電機(jī)推力支架各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨負(fù)荷增大的變化微小或不變，因此認(rèn)為發(fā)電機(jī)推力支架、定子、機(jī)架等固定部件在機(jī)組運(yùn)行中受力變化不大，受力工作狀態(tài)正常。

3.3發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件無損探傷檢測(cè)與分析

對(duì)發(fā)電機(jī)主軸及連接螺栓、轉(zhuǎn)子支架及緊固螺栓、上端軸緊固螺栓、推力軸承、上機(jī)架與定子機(jī)座等關(guān)鍵部件進(jìn)行超聲波檢測(cè)，對(duì)推力支架等進(jìn)行磁粉檢測(cè)[16]，均未發(fā)現(xiàn)裂紋或其他類型的超標(biāo)缺陷。同時(shí)，經(jīng)查閱資料了解到，近年來，水電站在機(jī)組缺陷處理時(shí)均按規(guī)范要求對(duì)發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件及缺陷部位進(jìn)行無損探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷，葛洲壩發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件無損探傷檢測(cè)滿足規(guī)范要求，發(fā)電機(jī)施測(cè)部件工作狀態(tài)正常。

4結(jié) 語

基于現(xiàn)場試驗(yàn)檢測(cè)并結(jié)合查閱葛洲壩水電站設(shè)計(jì)資料、運(yùn)行日志、維護(hù)檢修記錄、技改資料，進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：170 MW機(jī)組未見嚴(yán)重明顯缺陷、裂紋等，施測(cè)部件受力工作狀態(tài)正常，水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備總體運(yùn)行狀態(tài)合格，主要檢測(cè)參數(shù)指標(biāo)基本在規(guī)范規(guī)定的合理范圍內(nèi)。但機(jī)組投運(yùn)已近40 a，經(jīng)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查分析，機(jī)組目前的運(yùn)行狀況不佳，而且存在高水頭下穩(wěn)定運(yùn)行安全隱患、剛強(qiáng)度偏低、穩(wěn)定性較差、轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)多次貫穿性裂紋、定子絕緣電阻降低、泄露電流增大、絕緣性能逐步下降等不利于機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行的問題。為此，提出以下建議。

（1） 盡快對(duì)葛洲壩水電站170 MW級(jí)機(jī)組進(jìn)行更新改造，以延長機(jī)組使用壽命。

（2） 在機(jī)組完成改造前，應(yīng)密切關(guān)注機(jī)組各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，尤其是部分超過規(guī)范推薦值的指標(biāo)參數(shù)，確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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（編輯：趙秋云）

Abstract：There are potential safety hazards in hydropower units which have been in service for a long time or have deviated from the design conditions，so their operational status must be tested and evaluated.Two 170 MW axial-flow hydroelectric generating units in Gezhouba Hydropower Station have been put into operation for nearly 40 years.Due to the limitation of the manufacturing level at that time，the area above 23 m water head was a restricted operation area.Since the operation of the Three Gorges Hydropower Station，the annual operation hours of the two units have increased and they have been operating frequently in the area above 23 m water head.Therefore，it is urgent to test and evaluate the operation status to ensure the safe operation.The units test was divided into two parts： turbine and generator.The adopted methods include comprehensive performance test and key component structure test.The test detection contents for hydraulic turbine included the performance detection of start-stop state，the stability test detection，the stress detection and analysis of key components and the nondestructive detection and analysis of key components.While the contents of generator test included main parameter detection and analysis，generator ventilation test，temperature rise test，stress detection and analysis of key components，nondestructive testing and analysis of key components，etc.By analyzing the test results，combined with the units operation log，maintenance records，technical transformation data，etc.，the operation status and safety stability of the units were evaluated.The results showed that the main detection parameters were basically within the reasonable range of specificatios，but at the same time，the unit also had problems such as low stiffness and strength，poor stability，and attenuated stator insulation resistance.It was proposed that the relevant units should be updated as soon as possible，and the key indicators of the units should be paid close attention to before completing the transformation.

Key words：hydroelectric generating unit;safety stability;test detection;Gezhouba Hydro-power Station