李家峽水電站3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造后機(jī)組穩(wěn)定性研究

國家電投集團(tuán)四川電力有限公司 馬 健

水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性關(guān)系到機(jī)組是否穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)主要包括：各方向的振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)。目前各設(shè)備廠商不斷提高機(jī)子容量，隨之尺寸增加，穩(wěn)定性問題也隨之日益突出。由于轉(zhuǎn)子制造和安裝過程中存在一定質(zhì)量失衡，引起的機(jī)組擺渡、振動(dòng)過大，是我國目前已投運(yùn)電站中非常普遍的現(xiàn)象，同時(shí)也是一種有害現(xiàn)象，不僅產(chǎn)生較大的噪聲危害，并且會(huì)加速結(jié)構(gòu)部件的疲勞破壞，從而降低機(jī)組的壽命。

李家峽水電站位于青海省黃南州尖扎縣境內(nèi)，大壩位于黃河干流李家峽河谷中段，距省會(huì)城市西寧市直線距離約56km，公路里程約113km。李家峽水電站經(jīng)過了20多年的使用，運(yùn)行的穩(wěn)定性能明顯下降，整體效率有很大的提升空間。3號(hào)機(jī)組是李家峽水電站中非常重要的機(jī)組，但是卻表現(xiàn)出了諸多的問題，為提升發(fā)電效率對(duì)3號(hào)機(jī)組的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了改造。

1 項(xiàng)目概述

李家峽水電站屬于黃河上游龍（龍羊峽）青（青銅峽）河段規(guī)劃的第三座大型梯級(jí)電站。共設(shè)計(jì)安裝5臺(tái)，總裝機(jī)容量2000MW，單機(jī)容量400MW，額定水頭121.1m，一期工程安裝4臺(tái)機(jī)組。水輪發(fā)電機(jī)組均為立軸混流式，5臺(tái)機(jī)組采用前后雙排布置，上游側(cè)為2號(hào)和4號(hào)機(jī)，下游側(cè)為1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)機(jī)。目前4臺(tái)機(jī)組均已在2003年全部投產(chǎn)發(fā)電，在西北電網(wǎng)中主要擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)。

李家峽水電站3#機(jī)組于1998年5月13日正式投產(chǎn)發(fā)電，型號(hào)為HLD203-LJ-603，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF400-48/12800，均由東電制造。結(jié)構(gòu)型式為半傘式，三段軸線結(jié)構(gòu)，額定轉(zhuǎn)速125r/min。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑11.2m；磁軛高3.8m，現(xiàn)場疊裝而成。水輪發(fā)電機(jī)組均為立軸混流式，4臺(tái)機(jī)組采用雙排布置，3號(hào)機(jī)組在下游側(cè)擴(kuò)散段，于1998年5月投產(chǎn)。此次改造后發(fā)電機(jī)部分保持原型號(hào)不變，水輪機(jī)主要以哈爾濱電機(jī)廠提供設(shè)備為主，相較于原型號(hào)水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪的尺寸與直徑均有所改變。

1～4號(hào)機(jī)組分別于1997年3月、1997年12月、1998年5月、1999年12月投產(chǎn)。截至2014年10月3號(hào)機(jī)組共進(jìn)行過25次檢修，1～13#葉片均不同程度反復(fù)產(chǎn)生裂紋，最長裂紋可達(dá)980mm。結(jié)合轉(zhuǎn)輪改造和3號(hào)發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備檢修，經(jīng)黃河公司及西北網(wǎng)調(diào)批準(zhǔn)，于2019年10月30日至2020年6月10日進(jìn)行3號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)、變壓器A 級(jí)檢修及轉(zhuǎn)輪改造工程，工期共229天。特別地，李家峽水電站在2015年1月份最后一次檢修中即4#機(jī)組的第21次檢修中（A 級(jí)），仍然發(fā)現(xiàn)3個(gè)葉片存在較為嚴(yán)重的貫穿性裂紋，并已經(jīng)完成修復(fù)構(gòu)造。

轉(zhuǎn)輪裂紋問題設(shè)備投運(yùn)以來多年一直沒有得到有效解決，葉片經(jīng)過多次焊接返修，性能不斷降低，部分裂紋多次、反復(fù)出現(xiàn)，甚至存在掉落的現(xiàn)象。設(shè)備制造商及檢修單位亦多次進(jìn)行了修復(fù)工作，但在后續(xù)的檢修中仍多次出現(xiàn)裂紋。機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行已經(jīng)受到嚴(yán)重的威脅。李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造工程作為青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司重大技改、重點(diǎn)工作，中國電建西北勘測設(shè)計(jì)研究院從2012年開始便進(jìn)行可研階段的前期論證工作，3年時(shí)間內(nèi)多次收集現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)，期間進(jìn)行多次專家論證，提出解決李家峽水電站轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問題為主要目標(biāo)，最終黃河公司決策實(shí)施李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造項(xiàng)目。2014年11開始對(duì)黃河李家峽水電站水輪發(fā)電機(jī)組增容改造及轉(zhuǎn)輪改造可行性研究設(shè)計(jì)[1]。

李家峽水電站屬日周調(diào)節(jié)水庫，在西北電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)。在目前太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電大力發(fā)展后，李家峽水電站承擔(dān)的西北電網(wǎng)調(diào)峰及備用任務(wù)更加艱巨，水光互補(bǔ)、水風(fēng)互補(bǔ)，看天運(yùn)行。轉(zhuǎn)輪裂紋問題的解決是當(dāng)前電站安全穩(wěn)定運(yùn)行最重要的研究課題，而電站新的運(yùn)行方式及特點(diǎn)，又是保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、解決轉(zhuǎn)輪裂紋問題的難點(diǎn)所在。

2 機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)

2.1 李家峽水電站相關(guān)技術(shù)參數(shù)

水輪機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)：型號(hào)HLD203-LJ-603、HL（197）-LJ-640.6，4臺(tái)，單機(jī)容量400MW，最大水頭135.6m，額定水頭122.1m，最大水頭/額定水頭1.11，額定流量362.38m3/s，額定出力408.2MW，135.6m 水頭最大出力448.8MW，額定效率94.12%，最大效率95.77%。

2.2 檢測標(biāo)準(zhǔn)與條件

本次試驗(yàn)的條件為：上游水位2179.30m，下游水位2050.32m，試驗(yàn)毛水頭128.98m，試驗(yàn)工作水頭127m，8～10℃的工作環(huán)境。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)遵循李家峽水電站《電氣設(shè)備檢修規(guī)程》、DL/T817-2014《立式水輪發(fā)電機(jī)檢修技術(shù)規(guī)程》。

2.3 檢測結(jié)果

3#機(jī)組在停機(jī)過程中低速運(yùn)行，擺度不受勵(lì)磁、水力和質(zhì)量不平衡的影響，基本上反映大軸的原始軸線靜態(tài)彎曲。因此通過對(duì)機(jī)組停機(jī)過程中低速運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，即可獲取3#機(jī)組軸線靜態(tài)彎曲變化數(shù)據(jù)。

經(jīng)過對(duì)李家峽3#機(jī)組的開機(jī)后穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果分析比較，上導(dǎo)擺渡超過標(biāo)準(zhǔn)允許值，經(jīng)過計(jì)算，在140度方向風(fēng)洞內(nèi)上機(jī)架處配重160kg 鐵塊。轉(zhuǎn)子磁軛長度與機(jī)組轉(zhuǎn)子直徑之比為1/3.5，不平衡力偶發(fā)生的概率極低，《水力機(jī)組現(xiàn)場測試手冊(cè)》中規(guī)定，只需單面校正配重即可。試加重量公式為P=(5-25)G/(n2×r)kg。P 為試塊重量，G 為轉(zhuǎn)子配重后重量，n 為額定轉(zhuǎn)速，r 為機(jī)組配重半。

表1 李家峽水電站3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造后的穩(wěn)定性檢測結(jié)果

2.4 分析與討論

隨著青海大量光伏電站及新能源電站投入運(yùn)行，李家峽電站承擔(dān)的角色發(fā)生了變化，就目前情況而言，電站運(yùn)行方式基本上是白天較小的出力，夜間較大的出力。確定合理的運(yùn)行加權(quán)因子，進(jìn)行針對(duì)性水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪開發(fā)，更加側(cè)重于低負(fù)荷甚至超低負(fù)荷的穩(wěn)定性，兼顧高負(fù)荷的效率，實(shí)現(xiàn)零至百分百全負(fù)荷范圍安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性及加權(quán)平均效率有重要意義。

表2 水力不平衡對(duì)振動(dòng)擺度轉(zhuǎn)頻成分影響量化參數(shù)

表3 水力不平衡對(duì)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)中心影響量化參數(shù)

表中：0°為+X 方位，90°為+Y 方位，180°為-X 方位，270°為-Y 方位。

3#機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)后，除上導(dǎo)擺度外，機(jī)組水平、垂直方向振動(dòng)、三導(dǎo)擺度均達(dá)到較優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)。上導(dǎo)擺度經(jīng)過配重后仍存在超標(biāo)現(xiàn)象，一定程度上與施工安裝存在一定關(guān)系。對(duì)李家峽水電站3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪改造之后其穩(wěn)定性整體提升，工作效率達(dá)到了令人滿意的水平。在一定工況下可通過增加配重消除機(jī)組機(jī)械不平衡特性，尤其是在機(jī)架徑向和水導(dǎo)+X、+Y 擺度有一定改善。但上導(dǎo)X、Y 擺度均無明顯改觀，因擺度與機(jī)組轉(zhuǎn)速無明顯聯(lián)系，經(jīng)過機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)改造只可能對(duì)上述情況略有改觀。要徹底對(duì)上導(dǎo)擺度偏大狀況進(jìn)行改善，只能重點(diǎn)放在施工安裝以及對(duì)上導(dǎo)測量面的光滑度，這樣才能反映真實(shí)的上導(dǎo)擺度值。

3 結(jié)論與建議

李家峽水電站機(jī)組增容改造后，除增加電站的收益和降低耗水率，還帶來三方面影響：2000～2014年間黃河流域除2012年外大部分年份屬于枯水年份，參考黃河的徑流周期，在未來的年份中有可能會(huì)出現(xiàn)連續(xù)豐水年，甚至某一年是特豐水年，所以在提高現(xiàn)有年發(fā)電量的基礎(chǔ)上，為未來的豐水年份預(yù)留出力空間，使電站運(yùn)行更加高效、自如、科學(xué)，增加電站的效益；李家峽在西北電網(wǎng)中主要承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)，隨著裝機(jī)容量的變化，調(diào)峰容量也隨之發(fā)生變化，似的發(fā)電效益明顯增加；在青海光伏發(fā)電的比重逐漸增加，水電站作為光伏電站的互補(bǔ)電站，水電站裝機(jī)容量增大可進(jìn)一步發(fā)掘并網(wǎng)光伏電站裝機(jī)潛力，增大的水光互補(bǔ)的運(yùn)行效果，積極響應(yīng)了國家的新能源戰(zhàn)略[2]。

基于此，本次3#水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造過程中，國內(nèi)外首次開創(chuàng)性的提出水輪機(jī)需在全負(fù)荷范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運(yùn)行，在解決轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的基礎(chǔ)上適應(yīng)風(fēng)水光多能互補(bǔ)運(yùn)行的方式。同時(shí)，3#機(jī)發(fā)電時(shí)間為2020年6月10日，現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)正處于黃河汛期，電站工作水頭低于額定水頭，在運(yùn)行至額定水頭以上時(shí)再次進(jìn)行了一次穩(wěn)定性試驗(yàn)和效率試驗(yàn)。

現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，新轉(zhuǎn)輪在低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行體現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，且在全負(fù)荷范圍內(nèi)頂蓋振動(dòng)、頂蓋壓力脈動(dòng)、水導(dǎo)擺度和水車室噪音等指標(biāo)與改造前相比明顯改善（400MW 負(fù)荷下，改造前頂蓋水平振動(dòng)29.9μm、垂直振動(dòng)24.7μm、壓力脈動(dòng)17.91kPa，改造后頂蓋水平振動(dòng)13.54μm、垂直振動(dòng)13.95μm、壓力脈動(dòng)15.76kPa）。全負(fù)荷范圍內(nèi)轉(zhuǎn)輪葉片最大靜壓力不大于82.5MPa，動(dòng)應(yīng)力小于20MPa。同時(shí)根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論，上導(dǎo)擺度偏大與水力因素?zé)o關(guān)，應(yīng)為機(jī)械或電磁原因，建議開展研究工作和采取措施。

通過三個(gè)試驗(yàn)單位的現(xiàn)場效率試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果和設(shè)計(jì)思路，滿足既定設(shè)計(jì)要求。2021年1月7日3#機(jī)組已運(yùn)行了4882h，在3#機(jī)檢修過程中對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋，改造后的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度表現(xiàn)出對(duì)風(fēng)水光多能互補(bǔ)運(yùn)行良好的適應(yīng)性，極大提高了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，達(dá)到了國內(nèi)外領(lǐng)先水平。

經(jīng)過試驗(yàn)分析比較，李家峽水電站3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪的改造工作取得了令人比較滿意的成功，讓其擁有了較好的穩(wěn)定性與效率。在未來李家峽水電站還要繼續(xù)工作多年，對(duì)于改造好的3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪，應(yīng)當(dāng)做好檢修保養(yǎng)的工作，從而確保其能夠保持當(dāng)前這種令人滿意的穩(wěn)定性水平。李家峽水電站目前已投運(yùn)的4臺(tái)混流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片處裂紋的存在和重復(fù)發(fā)生是影響電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的安全隱患，也使得電站成本大大增加。

改造后李家峽水電站棄水量和發(fā)電耗水率均減小，大大提高了機(jī)組的綜合用水率，以及資源的綜合利用率。隨著西北光伏以及風(fēng)電等新能源產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)勢崛起，對(duì)李家峽水電站4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行提出更高要求，因此對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改造是非常必要的。原水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)主要任務(wù)為發(fā)電，現(xiàn)階段電站運(yùn)行方式逐步衍變?yōu)轱L(fēng)水光多能互補(bǔ)運(yùn)行，電站承擔(dān)的調(diào)峰及備用任務(wù)更加突出，機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行在低負(fù)荷甚至超低負(fù)荷，并逐步演變成“抽峰式”運(yùn)行的趨勢，原水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪已逐步不適應(yīng)目前電站的運(yùn)行方式,建議盡快開展后續(xù)三臺(tái)機(jī)工作。