漁子溪電站4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)改造

談 泰 權(quán)， 王 昌 林， 秦 泰 松

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠，四川 都江堰 611830)

1 電站概況

漁子溪電站始建于1966年9月，至1972年6月底主要水工建筑物(除沉沙池外)基本建成，廠房?jī)?nèi)第一臺(tái)機(jī)組(4號(hào)機(jī)組)安裝完畢，7月初電站充水試運(yùn)行，12月初第一臺(tái)機(jī)組正式向系統(tǒng)送電。

漁子溪電站機(jī)組是上世紀(jì)70年代初國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)投產(chǎn)的高水頭混流式水輪發(fā)電機(jī)組，受當(dāng)時(shí)我國(guó)水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、安裝水平的限制，機(jī)組從投運(yùn)初期一直小毛病不斷，出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重的振動(dòng)問(wèn)題。雖然經(jīng)過(guò)多次的大、小修理，但仍然沒(méi)有徹底解決發(fā)電機(jī)的可靠運(yùn)行問(wèn)題。同時(shí)，漁子溪電站4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行至今已經(jīng)有40多年歷史，且于2008年、2010年先后兩次被污水浸泡，主要部件銹蝕嚴(yán)重，達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用壽命極限。在運(yùn)行中出現(xiàn)過(guò)定子端部絕緣受損情況，已直接影響到發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，僅靠大修或局部處理很難徹底根治這些隱患。

2 機(jī)組缺陷及改造可行性分析

2.1 安全性分析

2008年“5·12”汶川特大地震導(dǎo)致漁子溪電站發(fā)生山體透水事故，發(fā)電機(jī)在水中浸泡3個(gè)月以上。2010年“8·13”映秀特大泥石流將岷江河道堵塞，洪水經(jīng)尾水口倒灌進(jìn)入漁子溪電站廠房，發(fā)電機(jī)再次在含有大量淤泥和油污的水中浸泡4個(gè)月以上，由此，發(fā)電機(jī)各部件嚴(yán)重銹蝕。恢復(fù)重建時(shí)為盡快恢復(fù)災(zāi)后供電，只采取了清水沖洗及烘干等簡(jiǎn)單處理，便逐臺(tái)恢復(fù)了機(jī)組發(fā)電。

2.1.1 發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、主軸的安全性分析

發(fā)電機(jī)定子由機(jī)座、鐵芯、定子線圈等組成，在兩次自然災(zāi)害后，定子機(jī)座和鐵芯只經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理，沒(méi)有更換改造，現(xiàn)已成為發(fā)電機(jī)設(shè)備的安全隱患。

水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是由發(fā)電機(jī)主軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極等零部件組成，與水輪機(jī)主軸一起組成了水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，轉(zhuǎn)子既具有一般機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件的特征，又必須具有良好的電磁性能。由于漁子溪電站4號(hào)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間極長(zhǎng)，水輪發(fā)電機(jī)主軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極以及水輪機(jī)主軸等部件的交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)非常高，極易產(chǎn)生疲勞破壞。

除此之外，軸承甩油、漏油產(chǎn)生的油污附著在定子線圈、磁極線圈上，加重了線圈絕緣老化。

2.1.2 發(fā)電機(jī)上、下機(jī)架的安全性分析

發(fā)電機(jī)上機(jī)架為負(fù)荷機(jī)架，要承受整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組的重量和軸向水推力，隨著機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)，交變應(yīng)力作用到上機(jī)架上，由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，上機(jī)架極易產(chǎn)生疲勞破壞。

下機(jī)架雖為非負(fù)荷機(jī)架，但是要承受下導(dǎo)軸承傳遞的交變徑向力，也存在極大的疲勞損壞風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.3 發(fā)電機(jī)推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承的安全性分析

發(fā)電機(jī)各部軸承的安全性關(guān)系到整個(gè)機(jī)組能否安全運(yùn)行，主要反映在各部軸承軸瓦的運(yùn)行溫度是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，是否存在甩油、漏油現(xiàn)象。若出現(xiàn)溫度過(guò)高或燒瓦現(xiàn)象，會(huì)引起機(jī)組事故停機(jī)，帶來(lái)電量損失，并浪費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行事故檢修。若出現(xiàn)甩油、漏油現(xiàn)象，不僅污染環(huán)境，損失資源，且存在極大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。若上導(dǎo)甩油、漏油，則會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子線圈造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。

2.2 效能與成本分析

由于漁子溪電站4號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子、上下機(jī)架、推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承以及水輪機(jī)主軸存在以上安全隱患，既影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也增加了運(yùn)行、檢修工作量。同時(shí)，由于機(jī)組帶病運(yùn)行，機(jī)組中修、小修不斷，嚴(yán)重影響電站的發(fā)電效益，且頻繁地裝拆機(jī)組，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)的各個(gè)部件特別是易損部件造成很大影響，將加快機(jī)組的老化，會(huì)進(jìn)一步影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

2.3 政策適應(yīng)性分析

漁子溪電站作為國(guó)家三線建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目，建成后，為四川省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。水能作為可再生的清潔能源，屬于國(guó)家政策大力支持和發(fā)展的能源項(xiàng)目，特別是對(duì)老電站的增效和擴(kuò)容改造，國(guó)家更加支持。除此之外，根據(jù)電監(jiān)會(huì)安全[2010]2號(hào)文件“關(guān)于吸取俄羅斯薩揚(yáng)水電站事故教訓(xùn)進(jìn)一步加強(qiáng)水電站安全監(jiān)督管理的意見(jiàn)”規(guī)定“對(duì)已存在損傷的設(shè)備部件要加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督，對(duì)已老化和不能滿足安全生產(chǎn)要求的設(shè)備部件要及時(shí)進(jìn)行更新”[1]及國(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于水電站技術(shù)改造有關(guān)規(guī)范和規(guī)定，應(yīng)對(duì)漁子溪電站4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)存在安全隱患的部件進(jìn)行改造、更換。

3 改造范圍

本次漁子溪電站4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)部件的技術(shù)改造應(yīng)充分考慮利用原有水輪發(fā)電機(jī)固定部分的設(shè)施，并對(duì)改造部分做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。本次改造屬于水輪發(fā)電機(jī)關(guān)鍵零部件的改造，主要是增加設(shè)備運(yùn)行可靠性，同時(shí),提高設(shè)備的運(yùn)行效率，延長(zhǎng)設(shè)備的檢修周期，最大限度地提高水能利用率。此次改造相當(dāng)于4號(hào)機(jī)組的擴(kuò)大性大修，在恢復(fù)原設(shè)備性能基礎(chǔ)上提高其性能，增加設(shè)備運(yùn)行的可靠性，改造范圍如下：

(1)漁子溪電站4號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分改造，包括發(fā)電機(jī)主軸、磁軛、磁極等部件改造更換，其中下導(dǎo)軸領(lǐng)與主軸采用整體鍛造方式；

(2)漁子溪電站4號(hào)發(fā)電機(jī)定子改造，包括發(fā)電機(jī)定子機(jī)座、鐵芯、定子線圈改造更換；

(3)漁子溪電站4號(hào)發(fā)電機(jī)上、下機(jī)架改造更換；

(4)漁子溪電站4號(hào)發(fā)電機(jī)推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承改造，增設(shè)油汽分離和回收裝置，并將發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承和推力軸承組合在一個(gè)油槽內(nèi)；

(5)漁子溪電站4號(hào)水輪機(jī)主軸改造更換。

4 改造技術(shù)方案

漁子溪電站4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF40-12/4250,屬于高轉(zhuǎn)速立軸懸式水輪發(fā)電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為500 rpm，飛逸轉(zhuǎn)速為839 rpm。發(fā)電機(jī)總體技術(shù)方案應(yīng)與原發(fā)電機(jī)基本保持一致，只是在發(fā)電機(jī)的細(xì)部結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化，為增加發(fā)電機(jī)定子機(jī)座的剛、強(qiáng)度，定子機(jī)座采用分兩瓣結(jié)構(gòu)；為確保電磁參數(shù)合理、可靠，對(duì)用于漁子溪電站4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)改造的電磁方案進(jìn)一步優(yōu)化。原發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承設(shè)置在推力軸承下方，本次改造將發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承與推力軸承合一，并將上導(dǎo)軸承置于推力軸承上方。

4.1 定子改造

定子機(jī)座采用分兩瓣結(jié)構(gòu)，提高定子的整體剛度、強(qiáng)度。定子機(jī)座為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，定子鐵芯采用50W270冷軋硅鋼片,厚度0.5 mm，更換全部定子繞組，采用F級(jí)絕緣。

4.2 轉(zhuǎn)子改造

轉(zhuǎn)子支架與主軸在制造廠內(nèi)熱套在一起，然后裝壓磁軛，掛裝磁極。全部轉(zhuǎn)動(dòng)零件都經(jīng)剛度和強(qiáng)度的分析計(jì)算，以便能安全地承受最大飛逸轉(zhuǎn)速5 m而不產(chǎn)生任何有害變形，且材料的計(jì)算應(yīng)力不超過(guò)屈服點(diǎn)的2/3。轉(zhuǎn)子外徑為φ3 360 mm，裝配后總重約88 t。

4.3 上、下機(jī)架改造

上機(jī)架為負(fù)荷機(jī)架，不僅要承受來(lái)自推力軸承的軸向負(fù)荷，還要承受來(lái)自導(dǎo)軸承的徑向負(fù)荷。為鋼板焊接輻射形結(jié)構(gòu)，由中心體和若干個(gè)支臂組成，支臂為工字型結(jié)構(gòu)。

下機(jī)架為非負(fù)荷機(jī)架，由中心體與若干個(gè)輻射的工字型截面支臂組成。下機(jī)架兼作制動(dòng)器基礎(chǔ)。

4.4 推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承改造

推力軸承位于上機(jī)架上方的推力油槽內(nèi)，推力軸承采用剛性支柱式扇形瓦結(jié)構(gòu)。由推力頭鏡板、推力瓦、支柱螺釘和軸承座等組成。

上導(dǎo)軸承布置在上機(jī)架中心體內(nèi)，置于推力軸承上方，與推力軸承共用一個(gè)油槽，以上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子作為摩擦面，采用分塊巴氏合金瓦，采用抗重螺栓支撐結(jié)構(gòu)，且增設(shè)吸油霧裝置。

下導(dǎo)軸承布置在下機(jī)架中心體內(nèi)，采用分塊巴氏合金瓦，采用抗重螺栓支撐結(jié)構(gòu)，且增設(shè)吸油霧裝置。

5 改造效果

漁子溪電站4號(hào)機(jī)組水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)主軸聯(lián)軸后，經(jīng)軸線調(diào)整，機(jī)組盤車結(jié)果如表1所示。

表1 機(jī)組盤車數(shù)據(jù)記錄表 單位：0.01 mm

漁子溪電站4號(hào)機(jī)組水輪發(fā)電機(jī)改造后采用推力、上導(dǎo)軸承合一的結(jié)構(gòu)，上導(dǎo)至鏡板間的距離可忽略不計(jì)，機(jī)組轉(zhuǎn)速為500 r/min，機(jī)組各部相對(duì)擺度值滿足《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》(GB/T8564-2003)中的要求。其中，上導(dǎo)、下導(dǎo)及法蘭的相對(duì)擺度值小于0.02 mm/m，水導(dǎo)相對(duì)擺度值小于0.03 mm/m，機(jī)組軸線調(diào)整合格[2]。

漁子溪電站4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)改造工程施工結(jié)束后，機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)各部振動(dòng)、擺度、溫度如表2所示。

推力軸承采用塑料瓦，上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)采用巴氏合金瓦，各部軸承溫度滿足《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》(GB/T7894-2009)第“6.3軸承溫度”的要求[3]。

除此之外，漁子溪電站4號(hào)機(jī)組各交接驗(yàn)收試驗(yàn)合格，并于2019年6月成功并網(wǎng)運(yùn)行。

6 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合漁子溪電站實(shí)際，對(duì)4號(hào)機(jī)組水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造，將推力外循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)改為內(nèi)循環(huán)

表2 漁子溪電站4號(hào)機(jī)組開(kāi)機(jī)各部振動(dòng)、擺度、溫度統(tǒng)計(jì)表

冷卻結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了機(jī)組結(jié)構(gòu)，且省去了機(jī)組大修后開(kāi)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中推力冷卻器濾網(wǎng)清掃工作，節(jié)約了開(kāi)機(jī)試驗(yàn)時(shí)間。除此之外，避免了機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)V網(wǎng)堵塞引起的推力瓦溫高的缺陷，減少了機(jī)組運(yùn)維工作量。

漁子溪電站4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)改造后機(jī)組各部振動(dòng)、擺度、溫度均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，改造質(zhì)量滿足要求。漁子溪電站4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)作為映秀灣電廠第一臺(tái)改造發(fā)電機(jī)，其成功改造為映秀灣電廠另外10臺(tái)機(jī)組發(fā)電機(jī)改造提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，也為國(guó)內(nèi)其他相似機(jī)組改造提供了參考。