巨型水電廠運行和維護關(guān)鍵策略

南冠群，趙曉嘉，范迎春，張鶴鳴，喬進國

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巨型水電廠運行和維護關(guān)鍵策略

南冠群，趙曉嘉，范迎春，張鶴鳴，喬進國

（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南 大理 675702）

介紹了巨型水電廠多項運行和維護關(guān)鍵策略的研究和應(yīng)用，開發(fā)了動態(tài)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能巡檢。針對維護和檢修關(guān)鍵策略進行了研究，全面掌握各類機電設(shè)備的真實性能和薄弱環(huán)節(jié)，解決和消除存在的問題和隱患；從自動化水平提升、報警有效性保障、應(yīng)急措施完善等方面進行積極的研究和探索，不斷提升機電設(shè)備健康水平；研究能夠匹配孤島系統(tǒng)輸電的控制和管理技術(shù)，保證長距離孤島系統(tǒng)輸電的可靠性。提高了水輪發(fā)電機組、公用系統(tǒng)設(shè)備等在孤島方式下運行安全性、穩(wěn)定性和可靠性，有效降低了運行成本，提高了工作效率。

巨型水電廠；維護；檢修；關(guān)鍵策略

0 前言

水輪發(fā)電機組及其附屬設(shè)備的性能和工作狀態(tài)與水電廠的安全穩(wěn)定運行直接相關(guān)。因此為提高設(shè)備的運行穩(wěn)定性和可靠性，保障現(xiàn)場安全生產(chǎn)，延長設(shè)備使用壽命，實現(xiàn)長周期經(jīng)濟運行，各水電廠需要結(jié)合自身實際，優(yōu)化設(shè)備運行方式，研究和應(yīng)用科學(xué)合理的維護策略。

水電廠的運行和維護，包括一般性檢查和維護[2]，到加強和提高人員專業(yè)技術(shù)水平和綜合素質(zhì)[1-3]，采用新的管理組織和管理方式[4,5]，以及加強電氣設(shè)備管理，規(guī)范電氣設(shè)備檢測[6,7]等方面的內(nèi)容。合理的安排運行和維護工作，能夠有效保障水電站設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

文獻[8]通過對二灘水電廠近年來的運行狀況和運行數(shù)據(jù)分析，認為水電廠應(yīng)繼續(xù)注重研究平、枯水期運行方案，在節(jié)水、節(jié)電的同時提高水電廠的調(diào)峰能力和電網(wǎng)電能質(zhì)量，實現(xiàn)較好的經(jīng)濟效益和社會效益。文獻[9]介紹了廣州蓄能水電廠從發(fā)電設(shè)備的實時監(jiān)控、生產(chǎn)設(shè)備的運行和維修管理以及辦公檔案財務(wù)管理，都全面運用計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

文獻[10]和[11]認為大型水電廠對節(jié)約能源有較大意義。文獻[12]推導(dǎo)了適應(yīng)當前水電廠運行方式的優(yōu)化調(diào)度計算公式和廣義等耗水微增原則，提出了機組最優(yōu)組合的計算方法。

文獻[13]根據(jù)現(xiàn)代新建水電廠的特點，探討了“運檢合一，全員ON-CALL”的管理模式，打破了部門間的壁壘，提高工作效率，同時更重視人才素質(zhì)的提高、人才的激勵和培養(yǎng)。文獻[14]提出了水電設(shè)備檢修網(wǎng)絡(luò)化管理模式，多種檢修方式相結(jié)合，引入先進科技發(fā)展狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)。

文獻[15]加強設(shè)計、制造、安裝期間遺留問題攻關(guān)，排除設(shè)備隱患、消除設(shè)備缺陷，改善發(fā)電機運行環(huán)境，規(guī)范化、標準化日常運行維護工作。

1 運行維護關(guān)鍵策略

某巨型水電廠裝設(shè)6臺單機容量700MW的水輪發(fā)電機組，額定轉(zhuǎn)速為150r/min。立軸半傘式水輪發(fā)電機SF700-40/12770，水輪機HL153-LJ-660最大水頭（251m）與最小水頭（164m）比值為1.53，是當前70萬千瓦水輪機組中水頭最高的水輪機。作為調(diào)峰、調(diào)頻的主力電廠，在系統(tǒng)中承擔了調(diào)壓和事故備用任務(wù)，也是目前世界上與直流換流站之間輸送線路最長的水電廠。

1.1 水輪機

1.1.1 轉(zhuǎn)輪裂紋

該廠自2010年2月首臺機組檢修開始，各臺水輪機轉(zhuǎn)輪均出現(xiàn)不同程度的裂紋，多為貫穿性裂紋。經(jīng)分析評審認為，在不合理的運行工況下，水輪機轉(zhuǎn)輪葉片承受的應(yīng)力較大，引起葉片疲勞損傷及裂紋。

1.1.2 轉(zhuǎn)輪動、靜應(yīng)力

為解決水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋問題，在同類型高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量的水輪機上首次開展了轉(zhuǎn)輪真機動應(yīng)力測試、全面掌握各工況下轉(zhuǎn)輪應(yīng)力情況。

試驗發(fā)現(xiàn)水輪機在開機過程中轉(zhuǎn)輪葉片承受很大的動應(yīng)力，隨著導(dǎo)葉開度增大、轉(zhuǎn)輪過流流量穩(wěn)定，動應(yīng)力逐步減小。同時，試驗也發(fā)現(xiàn)水輪機在連續(xù)穩(wěn)定區(qū)和限制運行區(qū)運行時，動應(yīng)力主要來自于無翼區(qū)的動靜干涉；但在禁止運行區(qū)，動應(yīng)力主要來自于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)渦帶造成的尾水管壓力脈動，特別是在200MW負荷以下，多個葉道渦帶和水力繞流的混頻作用，使動應(yīng)力遠超過正常運行工況值。

1.1.3 降低轉(zhuǎn)輪葉片開機過程中的動應(yīng)力

針對開機過程中轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力偏大的問題，應(yīng)用了一種能夠增加水輪機轉(zhuǎn)輪疲勞壽命的電站水輪機組的開機方法。以開機過程中轉(zhuǎn)輪葉片動應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，實現(xiàn)調(diào)速器軟開機。機組轉(zhuǎn)速小于135r/min期間，采用斜率線性的方式，以0.25%/s的速率開啟導(dǎo)葉，期間開限為1.3倍空載開度，從而使轉(zhuǎn)輪導(dǎo)葉上冠側(cè)應(yīng)力和導(dǎo)葉上冠下環(huán)側(cè)應(yīng)力得以有效減小。轉(zhuǎn)速在135r/min至142.5r/min過程中，將導(dǎo)葉開度設(shè)定值設(shè)為1.2倍空載開度，減小機組轉(zhuǎn)速上升速率，有效減小水輪機轉(zhuǎn)輪葉片靠上冠側(cè)的動應(yīng)力。

1.1.4 單機運行區(qū)域調(diào)整

根據(jù)全水頭及全負荷段機組穩(wěn)定性試驗、水輪機轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力測試情況，綜合考慮運行管理的方便性，將單機運行區(qū)域的劃分調(diào)整為：空載及0～120MW為禁止運行區(qū)；120～210MW為限制運行區(qū)，單臺機組在該負荷段內(nèi)運行時間每年不應(yīng)超過800h；210～480MW為禁止運行區(qū)（振動區(qū)）； 480～700MW為穩(wěn)定運行區(qū)。通過運行負荷區(qū)的調(diào)整，可有效避免機組在禁止運行區(qū)和振動區(qū)運行，降低機組在限制運行區(qū)的運行時間，使機組長期處于穩(wěn)定運行或高效運行區(qū)，明顯控制了水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋。

1.1.5 水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋控制效果

各年度轉(zhuǎn)輪裂紋與低負荷運行區(qū)運行時長對比見圖1，圖中當年低負荷運行區(qū)運行時長對應(yīng)下年度檢修期轉(zhuǎn)輪裂紋長度，實線線型曲線表示歷次機組檢修期各臺機水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋總長（單位：mm），虛線線型曲線表示各年度修前低負荷運行總時長（單位：h）。該廠結(jié)合2012~2013年度機組檢修期優(yōu)化了所有機組的開機方法，自2013~2014年度開始轉(zhuǎn)輪裂紋長度變化趨勢從原先的逐年增加轉(zhuǎn)變?yōu)橹鹉隃p少；2014年下半年優(yōu)化了機組運行方式，自2015~2016年度起轉(zhuǎn)輪裂紋長度的減少趨勢更加顯著。

圖1 轉(zhuǎn)輪裂紋與低負荷運行區(qū)運行時長對比

1.1.6 開展水輪機轉(zhuǎn)輪修型

為根治水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋，還開展了水輪機轉(zhuǎn)輪修型工作，主要工作為水輪機轉(zhuǎn)輪各葉片出水邊切割修型及三角替補塊焊接。根據(jù)CFD分析，水輪機轉(zhuǎn)輪修型后相關(guān)參數(shù)變化如下：葉片承受的最高靜應(yīng)力由104.04 MPa降低至89.76 MPa，降低了約14%，轉(zhuǎn)輪葉片承受的動應(yīng)力預(yù)計下降超過50%。額定工況下的效率由94.10%降低至93.90%，降低了0.20%，但仍高于合同保證值93.75%。滿負荷時空蝕安全余量降低為10%；修型前后葉道渦與原轉(zhuǎn)輪流速分布幾乎一致。

3號機組大修完成水輪機轉(zhuǎn)輪修型，修型至今已連續(xù)運行兩個檢修期、未再出現(xiàn)裂紋，處理效果良好。

1.2 發(fā)電機

1.2.1 定子線棒電暈

機組運行1～2年后發(fā)電機定子線棒均出現(xiàn)不同程度的電暈現(xiàn)象。這種問題在同類型大容量機組中比較罕見，由于定子線棒電暈降低了絕緣材料的性能，嚴重時可能發(fā)展為樹枝化放電直到擊穿，必須及時處理。經(jīng)深入分析，發(fā)現(xiàn)定子繞組接線方式不合理引起發(fā)電機定子線棒相間電位差較高，部分定子線棒相間電位差達到額定的線電壓水平，加上發(fā)電機設(shè)計較為緊湊，是導(dǎo)致定子線棒電暈的主要原因。

通過定子線棒繞組改接線、更換定子線棒和端箍、改善定子端部安裝工藝等方法，以徹底解決發(fā)電機定子電暈問題。1號機組大修后，已運行2年有余，經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)明顯的電暈放電點。發(fā)電機定子線棒的改造，有效保障了水輪發(fā)電機的運行可靠性，未改變發(fā)電機相關(guān)參數(shù)，線棒間的電位差由最高的97%e下降為70%e，大部分換相線棒間電位差為60%e，避開了發(fā)電機電暈起始電壓，提升了發(fā)電機的健康水平。

1.2.2 空冷器防滲漏裝置

水輪發(fā)電機空氣冷卻器安裝在風洞內(nèi)，機組運行過程中人員不便進入檢查；同時空冷器流量較大，若運行中出現(xiàn)少量滲漏，也無法及時在電廠監(jiān)控系統(tǒng)或信息系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，長期滲漏后會增加發(fā)電機風洞內(nèi)空氣濕度，對電氣設(shè)備絕緣造成不利影響。發(fā)電機空氣冷卻器滲漏能夠造成發(fā)電機定子線棒受損的事故。

為防止出現(xiàn)發(fā)電機空冷器滲漏引起的電氣事故，研發(fā)了水輪發(fā)電機空冷器防滲漏裝置，在發(fā)電機定子機座下環(huán)板加設(shè)擋水坎、外壁布置排水孔，并加裝滲漏引排管，在引排管出口設(shè)置報警裝置、信號引入監(jiān)控系統(tǒng)。在發(fā)電機空冷器冷卻管路發(fā)生滲漏時，利用定子機座環(huán)板間向外的循環(huán)風力，將滲漏水通過排水管排出，報警裝置發(fā)出的信息可及時提醒運維人員檢查處理，避免處理不及時引起的設(shè)備損壞。

1.3 動態(tài)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

由于電廠設(shè)備種類繁多，各類巡檢和監(jiān)盤工作會額外耗費大量時間、精力，設(shè)備故障、缺陷信息可能存在遺漏，也無法實現(xiàn)在設(shè)備運行數(shù)據(jù)出現(xiàn)劣化趨勢時提前預(yù)警，來避免缺陷、異常甚至事故的發(fā)生。

開發(fā)了動態(tài)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了計算機監(jiān)控系統(tǒng)、各在線監(jiān)測系統(tǒng)、機組檢修信息化系統(tǒng)等數(shù)據(jù)的整合，具有設(shè)備自動預(yù)警、報表自動生成、智能趨勢分析、動態(tài)預(yù)警、動態(tài)報警、一鍵預(yù)警值設(shè)置等功能。

該系統(tǒng)大幅降低了運行監(jiān)盤人員的技術(shù)門檻；趨勢分析功能為機組檢修定級、缺陷分析提供了有力支持，電廠運行、維護和管理人員可盡早發(fā)現(xiàn)潛伏性故障，提前預(yù)警，避免發(fā)生嚴重事故；改善了現(xiàn)場資源配置，實現(xiàn)了設(shè)備全壽命周期管理，提升了設(shè)備的健康水平，減少了運行人員報表制作、數(shù)據(jù)分析等定期工作量，保證了機組的安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行。

1.4 智能巡檢機器人

針對現(xiàn)場運行值班人員少，當水機室等重要部位運行中出現(xiàn)設(shè)備問題時，將無法及時發(fā)現(xiàn)和組織處理，極有可能造成設(shè)備損壞甚至引發(fā)水淹廠房事故。研發(fā)并應(yīng)用了智能巡檢設(shè)備，在水機室等重要部位安裝了基于O型軌道的智能巡檢機器人，具有智能巡檢和智能分析等功能，可以對監(jiān)控范圍內(nèi)的環(huán)境情況、設(shè)備運行狀態(tài)、人員作業(yè)情況等進行實時監(jiān)視、自動巡視、火災(zāi)自動報警、自動分析匯總，還具有視頻采集、煙霧探測、液體監(jiān)測、噪音監(jiān)測等功能。

1.5 全廠失電后的一鍵恢復(fù)

在廠用電全部失電或異常時，需臨時啟動柴油發(fā)電機作為備用電源，并通過多項倒閘操作來進行廠用電的恢復(fù)。在壩區(qū)廠用電失電且須緊急操作泄洪閘門的情況下，將無法快速恢復(fù)泄洪閘門工作電源，可能會對大壩安全運行造成極大影響。開展了廠用電一鍵倒閘功能改造，實現(xiàn)了柴油發(fā)電機系統(tǒng)的遠方控制，將10kV與400V開關(guān)動作情況進行有序配合，柴油發(fā)電機應(yīng)急啟動后將自動倒閘供電至壩頂配電室。原回復(fù)供電需10h，現(xiàn)僅需0.2h。

1.6 孤島模式下調(diào)速系統(tǒng)的控制方法

聯(lián)網(wǎng)模式下的調(diào)速系統(tǒng)控制策略和參數(shù)在孤島模式下出現(xiàn)了負荷調(diào)節(jié)品質(zhì)差、頻率控制不穩(wěn)定的問題，特別是在孤島直流停運后，出現(xiàn)了暫態(tài)高頻、深度調(diào)相和頻率過低等現(xiàn)象，嚴重影響水輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行和電網(wǎng)事故恢復(fù)。

在不同模式轉(zhuǎn)換過程中，調(diào)速系統(tǒng)會根據(jù)當前電網(wǎng)運行模式自動切換至對應(yīng)控制模式和參數(shù)，各模式下參數(shù)可在界面中在線設(shè)置，調(diào)整時無需重啟調(diào)節(jié)器。對“孤島模式”中細微的頻差進行積分，從而引起系統(tǒng)內(nèi)的負荷細微調(diào)整，達到控制頻率穩(wěn)定的目的。同時在系統(tǒng)頻率調(diào)整到小死區(qū)以內(nèi)后，將產(chǎn)生的小積分輸出給定轉(zhuǎn)移至有功功率給定，并保證在轉(zhuǎn)移過程中頻率的穩(wěn)定。這樣就實現(xiàn)了在直流系統(tǒng)事故時，通過平穩(wěn)的自動調(diào)節(jié)，將電廠孤島系統(tǒng)內(nèi)的機組全部轉(zhuǎn)為空載運行，頻率控制在±0.2Hz以內(nèi)，便于事故情況下電網(wǎng)將孤島系統(tǒng)迅速并入聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

1.7 特高壓直流輸電線路的孤島運行裝置

如果電站遠離換流站，直流孤島運行方式下送端電網(wǎng)十分薄弱，有效短路比很低，孤島系統(tǒng)中的故障有可能引發(fā)送端系統(tǒng)失穩(wěn)。直流雙極閉鎖情況下過電壓問題也十分突出，發(fā)電機組輸出功率與直流系統(tǒng)傳輸功率間容易產(chǎn)生不平衡的現(xiàn)象。通過設(shè)置孤島運行專用裝置可有效解決此問題，包括采用光纖傳輸信號的開關(guān)站孤島專用裝置和廠房孤島專用裝置，采用兩套PLC雙重化冗余配置，直流雙極閉鎖時能夠快速切換聯(lián)網(wǎng)與孤島的運行模式轉(zhuǎn)換，快速消除發(fā)電機組輸出功率與直流系統(tǒng)傳輸功率間的不平衡，保證了直流孤島輸電線路的安全穩(wěn)定運行。

1.8 其它設(shè)備運行維護關(guān)鍵策略

通過防火災(zāi)、防水淹廠房、防漫壩潰壩、防極端天氣及地質(zhì)災(zāi)害、應(yīng)急通信等措施，提升了電廠應(yīng)急處置能力。在推力粘滯泵中加裝了帶有定位套的銅套實現(xiàn)自潤滑功能，減小了滑動部件之間的摩擦力；將大軸補氣閥緩沖結(jié)構(gòu)由油緩沖改造為氣緩沖，并在新型大軸補氣閥底部增加了多孔浮球閥，防止尾水倒流入廠房；增設(shè)主要受力及承壓薄弱部位的振動擺度保護系統(tǒng)，實現(xiàn)了振動擺度過大報警以及啟動緊急事故停機流程；新的筒閥啟閉控制方法，解決了筒閥系統(tǒng)發(fā)卡問題；鎖定梁行走機構(gòu)，降低鎖定梁閘門行走輪負荷、磨損量和更換頻率；還實現(xiàn)了一系列機電設(shè)備的自動化控制功能。

2 結(jié)論

率先在高水頭、高轉(zhuǎn)速、巨型水輪機上開展了轉(zhuǎn)輪真機動應(yīng)力測試，對水輪機轉(zhuǎn)輪葉片修型，科學(xué)劃分機組運行區(qū)域，提出了一種水輪發(fā)電機組的軟開機方法，解決了水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋問題；在國際上首次對700MW水輪發(fā)電機的定子線棒繞組采取改接線、定子線棒和端箍更換、改進定子端部安裝工藝等措施，解決了水輪發(fā)電機定子線棒電暈問題。提高了機組運行穩(wěn)定性。

開發(fā)了動態(tài)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，具備自動預(yù)警、自動趨勢分析等功能；開發(fā)了智能巡檢機器人，對重要部位進行自動巡視、火災(zāi)自動報警、自動分析統(tǒng)計；優(yōu)化筒閥系統(tǒng)啟閉控制流程，改進筒閥直缸接力器全開位置反饋裝置，提升公用系統(tǒng)設(shè)備可靠性；實現(xiàn)全廠失電后的一鍵恢復(fù)，提升應(yīng)急處置效率。

研究了孤島模式下的水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)的控制和管理技術(shù)，開發(fā)了孤島運行專用裝置，保證長距離孤島系統(tǒng)輸電的可靠性。

通過上述運行和維護關(guān)鍵策略的研究和實施，提高了水輪發(fā)電機組、公用系統(tǒng)設(shè)備等的健康水平及其運行安全性、穩(wěn)定性和可靠性，有效降低了運行成本，提高了現(xiàn)場工作效率。

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The Key Strategies of Maintenance and Service of Giant Hydropower Plant

NAN Guanqun, ZHAO Xiaojia, FAN Yingchun, ZHANG Heming, QIAO Jinguo

(Xiaowan Hydropower Station of Huaneng Hydro Lancang Co., Ltd., Dali 675702, China)

The research and application of the key strategies of maintenance and service of giant hydropower plants are introduced, the dynamic data analysis system is developed, and the intelligent inspection is realized. The key strategies of the maintenance and service are studied in order to have an overall grasp of the true performance and vulnerable spot of electromechanical equipment, and to solve and eliminate the existing problems and hidden dangers. The active research and exploration are conducted by the improvement of the automation level, the guarantee of alarm validity and the improvement of the emergency measures, so that the health level of the electromechanical equipment will be improved. The control and management technologies, which can match the islanding system transmission, are studied to guarantee the reliability of long distance islanding system transmission. Centered on the prevention of equipment failure, the failure modes of different types of equipment are analyzed. And further more, the tasks and periods of the corresponding preventive monitoring and maintenance are made to prevent equipment failure by using state maintenance. The safety, stability and reliability performance of the hydroelectric generating sets and utility system equipment under islanding model are improved, the operating cost is reduced and the operating efficiency increased effectively.

giant hydropower plant; maintenance; service; key strategies

TM612

A

1000-3983(2018)05-0076-04

2017-12-16

南冠群（1965-），1988年畢業(yè)于湖北工學(xué)院，工學(xué)學(xué)士，電站黨委書記、副廠長，先后參加過長江三峽水利樞紐工程建設(shè)，瀾滄江流域多個大型水電站機電工程設(shè)計、制造、安裝及驗收工作，高級工程師。