回龍抽水蓄能電站發電電動機改造關鍵技術分析

白會峰，李 博，肖海波，耿沛堯，宋洪占

（1.國網新源控股有限公司回龍分公司，河南省南陽市 473000；2.哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

0 引言

回龍抽水蓄能電站（以下簡稱回龍電站）總裝機容量120MW，機組額定水頭379m，轉速750r/min，是國內轉速最高的抽水蓄能機組，回龍電站于2005年12月投入商業運行，兩臺機組投運后一直存在推力軸承瓦溫高、下導軸承甩油等缺陷[1]。2017、2018年結合機組綜合治理改造對發電電動機結構進行優化改造。本文結合發電電動機優化改造過程中遇到的問題，對其進行分析與總結。

1 存在的問題及改進

1.1 推力軸承

回龍電站推力軸承位于轉子上方并布置在上機架中心體上部，采用自身泵（鏡板泵）外循環冷卻方式。自身泵是利用軸承旋轉部件加工數個徑向或后傾泵孔形成。當機組運行時，可形成穩定的壓頭。在旋轉體的外側，附加有集油裝置，將泵打出的油匯集入系統油管并進入油冷卻器，經冷卻后沿環管、噴油管再噴到瓦的進油邊附近。由于回龍電站鏡板厚度較小，為簡化泵孔的加工工藝，在推力頭厚度方向的中間位置鉆8個φ40mm的徑向孔。推力軸承油路示意圖如圖1所示。

圖1 推力軸承油循環回路示意圖Figure 1 The sketch map of oil distribution

1.1.1 存在的問題

回龍電站自2005年投運以來一直存在推力軸承瓦溫高現象，夏季機組發電工況推力軸承瓦溫整體在70～75℃，接近二級報警值，因此結合電站綜合治理改造對機組推力軸承結構進行優化改造。

推力瓦溫高的主要原因：推力軸承集油裝置密封采用間隙密封且密封未設置迷宮，集油裝置密封不嚴，導致自身泵（鏡板泵）泵出油量不足，機組運行過程中從回油窗觀察推力軸承循環油量明顯較少。

1.1.2 改進內容

（1）1號、2號機推力頭及鏡板返廠進行全面測量，其中推力頭與主軸配合公差，按照過盈方式對推力頭內孔進行長焊、重新加工配車。

（2）主機廠對推力軸承自身泵（鏡板泵）外循環的設計壓頭和流量進行復核，驗證自身泵（鏡板泵）外循環系統設計是合適的，油循環系統滿足正常工況運行要求，因此推力軸承維持自身泵（鏡板泵）外循環結構，循環方式不做變更。推力軸承集油裝置密封由金屬圓環更換為梳齒型密封，提高集油裝置的密封可靠性，增加推力外循環壓頭，使外循環油路更為通暢。改進后集油裝置密封如圖2所示。

圖2 改進后集油裝置密封Figure 2 Sealing of improved oil gathering device

（3）在推力軸承油盆內部增加一層封油板，將推力油盆分為上下兩個空間，穩定運行時的推力油位，現場改進效果如圖3和圖4所示；更換推力軸承油擋及油盆蓋，并增加呼吸器，油擋仍采用隨動接觸式密封，但增加密封體層數。同時更換了推力軸承接駁裝置及測溫電阻[2]。

圖3 改造前Figure 3 The picture before transformation

圖4 改造后Figure 4 The picture after transformation

1.2 導軸承

上導軸承布置在上機架中心體內，為分塊瓦自調式結構，有 10塊內表面鑄有軸承合金的扇形軸瓦。在導軸承油槽內裝有油冷卻器，潤滑油的循環冷卻采用內循環方式。下導軸承布置在下機架中心體內，采用潤滑油內部自循環分塊瓦結構，有10塊內表面鑄有軸承合金的扇形軸瓦。下導油冷卻器采用環形結構。

1.2.1 存在的問題

（1）上、下導軸承采用球面支柱+調整墊片方式調整軸瓦間隙，在分配間隙時由于多個墊片疊加或者墊片變形易引起測量誤差大和分配間隙不準，影響機組軸線調整準確度，導致機組運行后振擺超標或瓦溫不均。

（2）兩臺機組下導軸承自2005年投運以來一直存在嚴重的甩油、漏油現象；上、下導軸承的測溫電阻通過接線柱方式引出，故障率高難以維護，且接駁處存在滲油情況。

1.2.2 改進內容

（1）上導軸承導瓦間隙調整方式在繼續保留原有球面支柱支撐和墊片調整的基礎上，增加楔子板結構。在上導軸承導瓦上部安裝封油板和密封對上油箱進行密封，更換上導軸承油擋，并增設上導吸油霧裝置。更換上導軸承接駁裝置及測溫電阻。改造示意圖和現場改進效果圖如圖5～圖8所示。

（2）下導軸承導瓦間隙調整方式在繼續保留原有球面支柱支撐和墊片調整的基礎上，增加楔子板結構（改造方式同上導）。將下導滑轉子12-φ20mm泵孔封堵1/3，即封堵4個泵孔，封堵材料選用Q235B，直徑φ19mm的圓柱，長度15mm，4個封堵均勻布置在圓周位置，封堵位置不超過滑轉子外圓表面，點焊牢固，減少上油箱泵油量，如圖9所示；下導滑轉子上部6-φ10mm的均壓孔封堵4個，封堵材料選用Q235B，直徑φ9mm的圓柱，長度15mm，封堵位置不超過滑轉子外圓表面，點焊牢固，減小油盆內外壓差，如圖10所示；在導軸承座圈上增加20個φ30mm的回油孔，在下導瓦托板上增加10個φ60mm溢油管，加大回油量，油回路示意圖和現場改造后效果如圖11和圖12所示；更換下導吸油霧裝置和油擋。同時將下導軸承接駁裝置及測溫電阻進行更換。

圖5 改造前上導軸承剖面圖Figure 5 Profile of upper guide bearing before transformation

圖6 改造后上導軸承剖面圖Figure 6 Profile of upper guide bearing after transformation

圖7 改造前Figure 7 The picture before transformation

圖8 改造后Figure 8 The picture after transformation

1.3 轉子

轉子外徑為φ2644mm，由磁極、轉子磁軛及主軸組成，采用一根軸結構，磁軛與大軸采用20SiMn，并整鍛成一體，大軸長8160mm。在轉子磁軛的上下端裝設離心式風扇，在下部風扇下端裝有可拆卸的制動環。

1.3.1 存在的問題

（1）轉子磁極連接引線采用硬連接方式，磁極連接引線彎曲半徑較小，在磁極引線彎頭處易產生應力，機組運行時在機組振動、線圈相對位移及熱脹冷縮等綜合作用下，導致磁極引線彎頭處疲勞損傷，進而形成裂紋熔斷。2012年1號機8號磁極連接引線熔斷；2013年B級檢修對2號機磁極連接引線探傷檢查時，發現2號磁極正極引線有一條長約1mm裂紋，負極引線有一條長約3mm裂紋。

圖9 封堵泵油孔Figure 9 Plugging the oil hole of pump

圖10 封堵均壓孔Figure 10 Plugging the balanced hole

圖11 下導軸承油回路示意圖Figure 11 The sketch map of oil distribution

圖12 下導軸承改造后Figure 12 The picture after transformation

（2）轉子穿軸引線采用多層軟銅片（0.5mm×63mm×650mm）與滑環連接，在拆裝滑環及轉子吊裝過程中需引線多次折曲，兩臺機組軟銅片均有斷裂現象，部分軟銅片有裂紋，存在安全隱患。

（3）轉子磁軛上部φ1260圓周上有180°被轉子引線所覆蓋，如試配鍵相角位于該區域，配重位置無法使用，僅能采用相鄰角度配重產生分量的方法，但該方法難以達到配重效果，且配重位置半徑較小，配重重量受限。根據以往動平衡試驗情況，如在計算試配位置沒有合適預留螺栓孔，則配重塊需焊在上、下風扇環面上，試配時需在發電機內部進行多次焊接和切割動火作業，安全風險高。

1.3.2 改進內容

（1）1、2號機組磁極全部返回主機廠檢修，對磁極連接進行優化，增大了磁極連接R角彎曲半徑，防止機組運行時磁極連接彎頭處產生的應力，在振動、線圈相對位移及熱脹冷縮作用下，磁極連接彎頭處疲勞損傷，進而形成裂紋熔斷，有效地提高了轉子磁極的運行可靠性[3]。改進示意圖和現場改進后效果如圖13、圖14和圖15、圖16所示。

圖13 磁極連接改進前Figure 13 Connection of the magnetic pole before improvement

（2）更換1、2號機集電環和轉子穿軸引線，并將上端引出線連接方式改為可拆卸式，有效地避免了檢修過程中拆裝滑環及轉子吊裝時引線折斷，消除了安全隱患，同時增加絕緣板將轉子上部中心孔進行封堵，現場改進后效果如圖17和圖18所示。同時在轉子上下風扇上配鉆了配重孔，解決了動平衡試驗時配重難的問題，縮短了檢修時間，提高了檢修效率。

圖14 磁極連接改進前Figure 14 Connection of the magnetic pole after improvement

圖15 改進前磁極連接安裝效果Figure 15 Details of the connection before improvement

圖16 改進后磁極連接安裝效果Figure 16 Details of the connection after improvement

圖17 轉子引線改造前Figure 17 Rotor lead before transformation

圖18 轉子引線改造后Figure 18 Rotor lead after transformation

（3）拆除歷年檢修安裝在轉子上的配重塊。在轉子上下風扇上配鉆了配重孔，增大了配重半徑，增多了配重位置，解決了動平衡試驗時配重難的問題，縮短了檢修時間，提高了檢修效率。配重位置如圖19和圖20中紅色區域所示。

圖19 改進前配重位置Figure 19 Position of counterweight before improvement

1.4 定子

定子由定子機座、定子鐵芯、定子繞組、端箍、測溫裝置和絕緣件組成，定子鐵芯下端采用大齒壓板結構，定子鐵芯疊片時采用雙鴿尾筋定位，并用穿心螺桿壓緊，在穿心螺桿與鐵芯間設有分段絕緣套管。

圖20 改進后配重位置Figure 20 Position of counterweight after improvement

1.4.1 存在的問題

（1）定子鐵芯穿心螺桿采用半絕緣結構，絕緣套管采用分段式（隔2個通風槽一段），在沒有絕緣套管防護的位置，碳粉、油泥等雜物通過通風槽附著在穿心螺桿上，造成定子鐵芯穿心螺桿絕緣不合格。在機組檢修中，每次均需花費大量時間清掃穿心螺桿，提升穿心螺桿絕緣；部分穿心螺桿，由于空間位置限制，絕緣無法處理。

（2）1號機定子線棒和鐵芯測溫電阻已損壞過半，嚴重影響機組的運行監視，存在安全隱患，由于測溫元件為預埋件，損壞后無法更換。

1.4.2 改進內容

1號機定子整體吊出返回主機廠進行檢修，定子鐵芯重新疊片，更換約50%鐵芯沖片；定子測溫電阻全部更換為某廠家全鎧裝測溫電阻，消除了設備安全隱患。定子線棒更換55根，穿心螺桿90根全部更換，并改為全絕緣結構（采用全絕緣套管），提高了設備可靠性。為適應原穿孔要求，2號機定子穿心螺桿重新設計制造，螺孔尺寸不變，螺桿直徑尺寸適當減小，表面采用絕緣材料纏繞[4]。

1.5 其他改進內容

（1）在推力軸承上部增加純機械式碳粉吸塵裝置，如圖21所示。風扇用M20螺栓把緊固定在推力頭上。在轉子旋轉過程中將頂罩內混合有碳粉的風抽入支撐架內。風經過碳粉過濾氈后，碳粉粘附在氈子上，完成碳粉過濾。本結構優點是不用外加吸塵器，節省空間，定期更換過濾氈即可。增設碳粉吸塵裝置后，轉子絕緣較改造前明顯上升。

圖21 碳粉吸塵裝置

（2）將1號發電電動機上機架支臂與機坑之間4臺千斤頂進行改造。改造前千斤頂采用碟形彈簧+管支撐結構，隨著機組發電、抽水等工況頻繁啟動，常年運行后碟形彈簧易發生疲勞變形，從而導致上機架對稱預緊力發生變化，振動增大。本次改造取消了碟形彈簧，采用了新型的阻尼器+管支撐結構。阻尼器內部充滿了高壓的彈性膠泥介質，在發電機軸承高速振動激勵下提供高“動態”剛度，從而減少發電機軸承的整體徑向位移，延長軸承壽命；在低速狀況下，提高了較低的“靜態”剛度，將施加在混凝土結構上的載荷降至最低，避免對機坑混凝土結構施加任何拉伸載荷。現場改造后效果如圖22和圖23所示。

圖22 改造前Figure 22 The picture before transformation

（3）1、2號機機械制動裝置全部更換，管路及閥門全部更換為不銹鋼材質。更換后的制動器在備用狀態下上下腔均無壓，延長了制動器內部上下腔密封壽命，有效地降低了制動器上下腔串壓的可能性[5]。

（4）1、2號發電電動機及其控制系統全部更新改造，取消原加熱器控制箱、吸油霧裝置控制箱、高壓油頂起裝置控制箱等，將上述輔助設備控制系統集成到發電機輔助控制柜，控制邏輯集中，減少PLC，節約了現場空間，降低了缺陷發生率。盤柜PLC和繼電器全部采用某品牌，方便日后控制系統檢修和維護。

圖23 改造后Figure 23 The picture after transformation

2 主要改善性能和效果分析

改造后1、2號機組運行穩定，各部軸承及機架振擺數據均滿足GB 8564—2003《水輪發電機組安裝技術規范》和主機廠設計要求，各部軸承及機架振動擺度值均大大優于俢前值，具體見表1。

1、2號機組投運后，經幾個月持續觀察，推力軸承、上導軸承、下導軸承、水導軸承軸瓦溫度穩定，各部軸承瓦溫較俢前均大幅降低，推力軸承油溫高缺陷得到徹底消除，各部軸承改造前后瓦溫具體見表2。1、2號機下導軸承結構優化改造后，兩臺機下導甩油問題均得到了有效治理，目前1、2號機下導油位穩定。

表1 改造前后振動擺度值對比Table 1 Comparison of vibration and swing before and after transformation

表2 改造前后各部軸承瓦溫對比Table 2 Comparison of bearing temperature before and after transformation

3 結束語

回龍電站在機組綜合治理改造設計安裝階段對發電電動機存在的問題和缺陷進行認真評估、分析，并及時協調設備廠家出具改造方案，成功避免了一系列質量問題發生，提高了機組運行可靠性。本文涉及的機組設備設計修改、工藝改進，有的已得到現場運行調試的驗證，有的仍有待進一步考驗，希望本文對其他蓄能電站發電電動機改造提供有益參考。