超期服役水輪發電機組安全評估與延壽運行分析

章勛 胡定輝 桂紹波 鄭濤平 田子勤

摘要： 超期服役水輪發電機組繼續穩定運行可能存在安全隱患，必須對其進行安全評估。以葛洲壩水電站為例，對超期服役的水輪發電機組開展了安全評估工作。結果表明：① 通過分析現有超期服役水輪發電機組運行的基本情況，提出了開展安全評估的工作范圍、方法和準則;② 通過采取現場外觀檢查評估、試驗檢測、數值計算（關鍵部件剛強度分析與疲勞強度計算）和綜合評估的方法，對水輪發電機組的現狀、性能等指標進行檢測和分析，根據分析結果，可以評估出超期服役水輪發電機組的剩余壽命，在此基礎上，可以給出相關的改造建議和改造方案。研究成果可為類似電站水輪發電機組的安全評估提供借鑒。

關 鍵 詞： 水輪發電機組; 超期服役; 安全評估; 壽命預測; 葛洲壩水電站

中圖法分類號： ?TV734.2

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.035

0 引 言

水輪發電機組的壽命評估是一項復雜的系統工程，發電機、水輪機等大型設備歷經數萬小時的運行，實際上就是長期的熱處理或者高強度的負荷試驗;材料老化、疲勞破壞、絕緣介質損耗、局部放電量增大等問題是高溫、高壓、脈動壓力長期作用的必然結果[1-3]。尤其是對于部分超期服役的水輪發電機組而言，老化問題日益突出，隨意延長壽命運行依據不足，風險性很大。因此，如何科學地評估超期服役水輪發電機組的剩余壽命，保證超期服役水輪發電機組設備的繼續安全運行是一個亟待解決的關鍵問題[4-5]。現階段，針對火電機組，有較多關于機組安全評估的規范及文獻，針對機組重要部件，有著較為詳細的疲勞損傷機制和疲勞壽命計算方法的介紹[6-8];而關于水輪發電機組安全評估與延壽運行領域，尚沒有明確的技術規范和相關導則。本文以葛洲壩水電站為例，參照火電機組延壽評估方法[9]，在超期服役水輪發電機組安全評估與延壽運行領域開展一些探索。

1 水輪發電機組運行現狀

葛洲壩水電站共裝設有2臺170 MW機組和19臺125 MW機組，自投產以來，水輪發電機組及其電氣、機械附屬設備已連續運行了30多年，年運行小時數均在6 000 h以上，基本上已經到了設備設計壽命期。因此，按照國家規定，必須進行相應的超期服役延壽運行方面的安全評估。

葛洲壩水電站170 MW機組連續運行時間較長，機組至今未進行相關改造，而且距上次大修時間已隔10余年，機組部件明顯老化[10]。同時，由于170 MW機組當時為試驗性機組，在最大水頭27 m附近為限制運行區，機組運行存在高水頭運行風險、振動值超標、葉片裂紋及磨蝕、轉輪室磨蝕和裂紋、發電機定子絕緣性能下降等隱患。

葛洲壩水電站125 MW機組隨著運行年限的增加，存在著設備老化、效益降低等現象。其中，15臺機組的發電機和19臺機組的水輪機近期已完成了增容改造，而且保持著良好的滾動檢修狀態。改造工程完成后，機組的主要參數滿足設計和規范要求，機組運行穩定，空化性能、熱穩定性能、能量性能等均良好，各項性能指標均達到了預期目的和要求[11-12]。

2 安全評估方法和準則

目前水電行業內，尚沒有明確的機組超期運行安全評估技術方面的要求。根據水輪發電機組的特點，以及根據對水輪發電機組風險源進行的分析，水輪發電機組安全及壽命評估主要是對水輪發電機組的重要關鍵部件及設備進行評估檢測。其中，水輪機的評估部件包括轉輪、導葉、導軸承、大軸、蝸殼、尾水管、調速系統等關鍵系統部件及其預埋部件;發電機的評估部件包括定子、轉子、推力軸承、導軸承、大軸和勵磁系統等關鍵系統部件及其預埋部件等[13-15]。

對于水輪發電機組超期服役安全評估及其剩余壽命預測，主要是采取現場外觀檢查評估（包括實地檢查和查閱資料2種方式）、結構部件檢測、現場綜合性能試驗、數值計算（關鍵部件剛強度分析與疲勞強度計算）以及綜合評估的方式。

3 水輪發電機組評估細則及結果

3.1 外觀檢查評估細則及結果

外觀檢查評估主要是通過對設備的現場檢查和查閱運行日志、檢修記錄、試驗記錄、技改資料等相關資料，對水輪發電機組主要部件進行外觀檢查，主要包括對水輪機轉輪、水導軸承、接力器、受油器、頂蓋、底環和導葉、蝸殼及尾水管進人門、發電機上機架及機座、發電機轉子支架（包括磁極及磁軛）、發電機推力支架、發電機各軸承油槽、發電機制動器、發電機防飛逸保護裝置等部件。具體試驗檢測項目如表1所列。

經過現場外觀檢查，未見機組有明顯缺陷，焊縫部件焊縫完整，部件外觀未見明顯的銹跡、污物、裂紋，未見不正常噪聲、撞擊聲和振動聲等;通過現場外觀檢測及查閱電站運行日志、檢修日志等，表明各機組運行狀況基本良好。

3.2 試驗檢測

試驗檢測主要針對水輪發電機組主要設備開展例行和專項試驗檢測工作，通過分析試驗檢測數據，獲取各設備設施的性能狀況。水輪機現場試驗檢測主要包括：水輪機開停機狀態性能檢測、水輪機能量特性檢測試驗、水輪機關鍵部件應力檢測、水輪機關鍵部件無損探傷檢測等。發電機現場試驗檢測主要包括：發電機主要參數檢測、發電機通風試驗、發電機關鍵部件應力檢測、發電機關鍵部件無損探傷檢測等。機組具體試驗檢測項目如表2所列。

通過現場對3臺機組進行停機狀態抽檢、開停機試驗，并查閱了電站在機組擴容改造及缺陷處理時的試驗日志，結果表明：主軸、導葉連桿、支持蓋及螺栓、轉輪、主軸密封、水導軸承（除油箱）、錐體下環、軸及連接螺栓、轉子支架及緊固螺栓、上端軸緊固螺栓、推力支架、上機架與定子機座等施測部件均未發現裂紋或其他類型的超標缺陷;同時轉輪、主軸、導水機構、推力支架、定子、機架等部件受力工作狀態正常，表明機組工作狀態正常，滿足規范要求。

3.3 數值計算

通過數值模擬計算，分析了水輪發電機組主要部件的應力和變形情況、剛度和強度，并預估了水輪發電機組關鍵部件的疲勞壽命[16-17]。葛洲壩水電站裝設的是軸流式水輪發電機組，其中水輪機主要部件包括：頂蓋、支持蓋、控制環、導葉、接力器、轉輪、水輪機主軸、水導軸承、蝸殼盤形閥、尾水管盤型閥、蝸殼進人門、轉輪室進人門、錐管進人門、尾水管進人門、關鍵部件聯接螺栓等。發電機主要部件包括：定子機座、上機架、下機架（或推力支架）、磁極、磁軛、轉子支架、主軸、導軸承、推力軸承、發電機上端軸、制動風閘、空氣冷卻器、主軸聯接螺栓、上端軸緊固螺栓、轉子支架緊固螺栓、定子機座緊固螺栓、上機架緊固螺栓等。

分別計算出不同工況下各關鍵部件的計算應力，并對以下內容進行分析研究：是否滿足標準規定的許用應力，是否低于材料的屈服極限，最大等效應力是否出現在局部區域屬于應力集中。根據分析結果來判斷各關鍵部件結構剛強度是否滿足設計要求，并通過統計累積損傷，分別計算出各關鍵部件的使用年限計算值。

經過對關鍵部件的剛強度疲勞狀況進行計算分析，結果表明：葛洲壩水電站的水輪機、發電機各關鍵部件的剛強度均滿足設計要求。以3號機組為例，通過剛強度疲勞計算分析，得到了關鍵部件使用壽命的計算值，如表3所列。

4 水輪發電機組安全評估結論及建議

經過綜合評估，發現葛洲壩水電站機組自投產以來，能嚴格按照相關規程要求，按計劃開展各類機組檢修、增容改造和安全技術改造工作，具有較高的安全運行可靠性。同時電站技術安全監督工作的全面展開，發現問題能得到及時處理;并且建立了健全的安全生產責任體系，擁有較好的貫徹落實了安全生產規章制度和操作規程，機組安全狀態水平得以提升，因此具備延壽運行的基本安全條件。

經過外觀檢查、試驗檢測以及剛強度疲勞計算分析，結果表明：電站水輪發電機組及其附屬設備總體運行狀態合格，未發現部件內外部的嚴重缺陷、裂紋，關鍵部件受力工作狀態，主要檢測參數指標均在規范規定的合理范圍內。

根據葛洲壩水電站機組的更新改造完成情況，將機組分成第1類機組（水輪機和發電機均未進行改造）、第2類機組（水輪機和發電機均已進行改造）、第3類機組（水輪機已改造，發電機未改造）共3類。對3類機組進行了安全評估，并得出如下結論及建議。

4.1 第1類機組（1號和2號機組）

機組主要部件剛強度及疲勞計算可基本滿足要求，但機組投運已近40 a，經運行狀態檢查分析，機組目前的運行狀況不佳且存在安全隱患。

（1） 1號和2號機組為試驗性機組，采用的是4葉片，經當初國家建委批準，其設計原則為在23 m水頭下安全運行，23 m水頭以上試驗運行。因此，無法滿足運行調度的要求，如果長期在高水頭下運行，則存在一定的安全隱患。

（2） ?剛強度偏低導致穩定性較差，支持蓋垂直振動平均值維持較高水平，且振幅隨水頭升高而逐漸增加。

（3） 轉輪葉片出現多次貫穿性裂紋，且磨蝕導致葉片與轉輪室間隙已嚴重超過設計值，造成水能利用率降低，機組效率下降。

（4） 發電機定子絕緣電阻降低、泄露電流增大，絕緣性能逐步下降。

綜合評估認為：第1類機組可在正常工況下延壽運行5 a，機組需在5 a內進行更新改造，改造完成后機組延壽運行時間可等同第2類機組（自改造完成次月開始計算）。在對機組進行改造前，密切關注機組各項關鍵指標，尤其是部分超過規范推薦值的指標參數，如有擴大應及時處理，確保機組的安全穩定運行，并盡早開展機組的改造工作。

4.2 第2類機組

這類機組的水輪機與發電機均已完成增容改造，對關鍵部件進行了更換或改造加強，能量指標及穩定性較改造前有顯著提高，有效保障了機組安全，機組運行平穩。通過計算分析水輪機和發電機主要部件的應力情況和疲勞壽命，機組主要部件強度均滿足規范要求，主要部件計算剩余疲勞壽命均遠大于40 a。經綜合評估認為，第2類機組可在正常工況下延壽運行35 a（從增容改造完成時間開始計算）。

4.3 第3類機組

這類機組的水輪機已完成增容改造，對關鍵部件進行了更換、改造，能量指標及穩定性較改造前有顯著提高，有效保障了機組安全;發電機部分尚未進行改造，但總體情況正常。通過計算分析水輪機和發電機主要部件的應力情況和疲勞壽命，機組主要部件強度均滿足規范要求，主要部件的計算剩余疲勞壽命均大于40 a。但因發電機部分尚未進行改造，與水輪機性能不匹配，限制了機組優異性能的發揮，且部分部件存在安全隱患，在目前的狀態下可延壽5 a。經綜合評估認為，第3類機組水輪機可在正常工況下延壽運行35 a（從增容改造完成時間開始計算），發電機需在5 a內完成改造，改造后發電機延壽運行時間可等同第2類機組。

5 結 論

水輪發電機組使用壽命一般為30～40 a，而中國有大批在20世紀80年代投運的水電站，其機組已即將到達使用壽命，亟需對機組進行延壽運行安全評估。針對水輪發電機組安全評估與延壽運行應包括的評估部件、評估指標的確定以及延壽運行壽命值的具體計算，行業內目前尚沒有明確的技術規范和有關導則。

本文結合葛洲壩水電站機組改造的具體情況，經研究，采取了現場外觀檢查評估、結構部件檢測、現場綜合性能試驗、數值計算（關鍵部件剛強度分析與疲勞強度計算）和綜合評估相結合的方法，開展了機組安全評估和延壽運行分析工作的相關探索。經過綜合評估，評估出了葛洲壩水電站各類機組的可延壽壽命，相關評估成果已順利得到行業監管部門的審批。本文應用于葛洲壩水電站機組安全評估和延壽運行分析的工作思路和方法，可供行業同仁參考。

參考文獻：

[1] ?尹昌新，陸壽山，赫玉國，等.水力發電廠安全性評論查評依據[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2] 中華人民共和國水利部.水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規范：SL654-2014[S].北京：中國水利水電出版社，2014.

[3] 姜方紅，潘利坦，王磊.密云水電站超期服役機組壽命評估研究及應用[J].水電站機電技術，2014，37（3）：129-130.

[4] 郝江濤，劉念，幸晉渝，等.電力設備的壽命評估[J].四川電力技術，2005（1）：5-7.

[5] 王崇斌.超期服役機組安全運行監測設備[J].吉林電力技術，1987（6）：82.

[6] 楊哲一，崔雄華，史志剛.火電廠老機組延壽評估方法研究[J].鑄造技術，2018，39（10）：2401-2405.

[7] 金萬里，李永德，張越，等.超期服役機組的損傷模型研究及壽命評估分析[J].動力工程，2001（4）：1292-1294.

[8] ?李炳濤.火力發電廠機組延壽技術[J].華北電力技術，1997（8）：1-4.

[9] 中華人民共和國國家能源局.火電機組壽命評估技術導則：DLT654-2009[S].北京：中國電力出版社，2009.

[10] ?吳定平，王慶書，李竹梅.葛洲壩電站6F機組發電機定子部分增容改造情況分析[J].現代制造技術與裝備，2017（12）：141-142.

[11] 付國宏，秦風斌，李文金，等.葛洲壩電廠19號機組改造增容分析[J].水電與新能源，2019，33（11）：75-78.

[12] 王紅曼，黃莉，羅遠紅.葛洲壩125 MW機組增容改造水輪機結構設計[J].四川電力技術，2017，40（6）：53-57.

[13] 廖書長，張思青，張艷，等.基于壽命預測的水輪機最佳改造時間模型[J].水力發電，2008（2）：46-48.

[14] 李偉，張禮達.混流式水輪機轉輪的疲勞壽命估算方法[J].科學之友，2010（4）：3-5.

[15] 潘羅平，安學利，周葉.基于大數據的多維度水電機組健康評估與診斷[J].水利學報，2018，49（9）：1178-1186.

[16] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.水輪機、蓄能泵和水泵水輪機更新改造和性能改善導則：GB/T 28545-2012[S].北京：中國標準出版社，2012.

[17] 王少波，王正偉，孔德銘，等.混流式水輪機轉輪的疲勞壽命研究[J].水力發電學報，2006（4）：135-138.

（編輯：趙秋云）

引用本文：

章勛，胡定輝，桂紹波，等.超期服役水輪發電機組安全評估與延壽運行分析

[J].人民長江，2021，52（8）：230-234.

Safety evaluation and life extension operation analysis on hydraulic

turbine-generator units in extended service

ZHANG Xun，HU Dinghui，GUI Shaobo，ZHENG Taoping，TIAN Ziqin，

（ Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China ）

Abstract：

It is necessary to carry out safety evaluation on hydraulic turbine-generator units in extended service.In this paper，taking the Gezhouba Hydropower Station as an example，we carry out a safety evaluation for the hydraulic turbine-generator units in extended service.The working scope，methods and criteria of safety evaluation are put forward by analyzing the basic operation conditions of the existing hydraulic turbine-generator units in extended service.Through on-site appearance inspection and evaluation，test detection and numerical calculation （stiffness and strength analysis of key components and fatigue strength calculation） and the comprehensive evaluation method，we detect and analyze the current situation and performance of the hydraulic turbine-generator unit.According to the analysis results，we can evaluate the residual life of extended service hydraulic turbine-generator units，and give the relevant reformation suggestion and plan.The research results can provide reference for the safety evaluation of similar hydraulic turbine-generator units in extended service.

Key words：

hydraulic turbine-generator unit;extended service;safety evaluation;prediction of residual life;Gezhouba Hydropower Station