超期服役水電機組延壽評估與示范應用

湖南五凌電力科技有限公司 時志能 五凌電力有限公司 張 勛 姚佳軒

引言

新中國成立以來典型年份/水電裝機容量（萬千瓦）如下：1949/16、1978/1728、1990/3604、1995/5283、2000/7935、2005/11739、2010/21340、2015/31954、2020/37000、2021/39100。隨著水電機組運行時間的推移，尤其是1990年以前投運的電站，盡管其輔助設備日益更新（含勵磁、調速、監控、保護、油氣水系統等），但機組主要設備的運行狀況不斷惡化，關鍵結構部件逐漸進入疲勞期。受發電企業設備使用情況及技改資金安排的限制，大部分機械部件采取設備修復或局部適應性改造等措施，并未涉及整體性的更換，機組運行故障率逐年升高，主設備的檢修周期逐漸縮短，歷年投入的技改資金逐漸增加，設備改造或狀態評價逐漸成為發電企業的日常管理。

根據GB/T 15468、GB/T 21718等規范的要求，水輪機依據容量大小，其設計壽命不少于25～40年，水輪發電機則暫未發布相關規定。2016年國家能源局下發國能資質[2016]351號通知，明確規定發電機組運行達到設計使用年限的，應當向所在地派出能源監管機構申請退役，不得繼續并網發電。到期未申請退役的，由派出能源監管機構進行公示并依法注銷許可，首次從國家政策層面對水電機組達到設計使用年限后的并網條件進行了規定。為避免早期投運水電機組退網，水電機組主設備的超期服役問題日益凸顯，且隨著主要機械設備的疲勞使用，也逐漸成為限制水力發電企業發展、影響企業安全運營的重要因素之一。

1 評估方法

水輪發電機組的延壽評估是一項復雜的系統性工程[1]，涉及的專業面廣，然而針對水電機組超期服役問題，目前尚未發布相關的標準或規程，主要是參照《火電機組壽命評估技術導則》以及相關方法進行評估，分為現場檢查、綜合評估，必要時進行部件的專項檢測。評估對象包括水輪機、發電機、勵磁系統、調速系統、監控系統、主變壓器、繼電保護、直流系統、水工建筑物等，根據發電企業在機組運行過程中開展的設備狀態評估、預防性試驗、性能測試、日常運行及維護記錄、機組檢修頻次及范圍、專業機構出具的鑒定報告等資料，對機組運行的經濟性、安全可靠性、設備缺陷等進行分析，達到對機組安全穩定運行全面評估的目標，并提出延壽改造建議，為機組超期服役是否具備條件提供科學依據（圖1）。

圖1 延壽評估流程示意圖

1.1 現場檢查

現場檢查是對主要機電設備的運行狀況進行檢查[2-4]，重點對消缺記錄、故障頻發部件及缺陷程度、主要的性能指標是否發生重大變化等資料進行分析，同步開展缺陷危害程度分析。針對未更換的主機機械設備（含蝸殼或管型座、配水環管、導水機構、轉輪室、尾水管、轉輪、上下機架、頂蓋、支持蓋、主軸及聯軸螺栓、轉子中心體、定子基座、推力軸承及導軸承等），檢查其是否存在明顯缺陷，焊縫部件的焊縫是否完整，是否存在明顯的銹跡及裂紋，過流部件還應檢查空蝕和空化的程度；電氣設備主要檢查預防性試驗、性能測試等的結果，從而表明機組各主要部件處于可利用的運行狀態。

1.2 運行狀態評價

運行狀態評價主要結合水輪發電機組及其輔助設備進行，內容包括：

水輪機：結合機組狀態在線監測系統或穩定性試驗、甩負荷、黑啟動、導葉漏水量等數據，對水輪機的運行狀態進行評價，判定各指標是否符合相關國標或行標要求，機組出力是否達到或接近原設計要求。部分重要金屬結構件還應結合數值仿真模擬結果進行評價[5]，若缺少機組振動、擺度數據，則主要依據軸承瓦溫進行評價；發電機、主變壓器：通過分析對比出廠數據、交接試驗數據、大修后試驗數據和近年的日常巡檢資料，包括負荷、電壓、電流、各部位溫度等的變化曲線圖和預防性試驗數據對絕緣性能進行評價，發電機還應結合關鍵結構部件的裂紋檢測進行評價。

電氣一次設備：結合預防性試驗數據，根據電氣一次設備數據是否合格、運行是否穩定、日常檢修維護是否正常等，對一次設備進行評價；電氣二次設備：結合保護設備周期定檢、保護動作正確率及投入率數據、直流系統定期充放電及其電壓、電流測量等內容對二次設備進行評價；水工建筑物：根據國家能源局派出機構按照《水電站大壩安全定期檢查辦法》的規定，檢查專項復核報告，依據復核結果評價是否滿足設計要求，輸水系統應結合混凝土結構是否損壞、壓力鋼管應結合應力測試及數值仿真、管壁測厚趨勢變化等進行評價；其他：特種設備主要根據國家相應檢測機構出具的鑒定結果進行評價，廠區內的油氣水管路應結合定期的管壁測厚結果進行評價。

2 延壽評估及檢測建議

水輪發電機組及輔助設備的延壽運行，根據機組及輔助設備是否改造及改造程度可以分為未改造、局部改造、整體改造三類（表1）。依據相關標準要求，水輪發電機組的輔助設備（如勵磁系統、監控系統、調速系統、繼保等）一般的更換周期為12年，由于此類設備更換周期短、資金占用量較少，發電企業均能按照規定使用壽命進行更換。若主設備未發現重大缺陷、裂紋或外部運行條件未發現重大變更，機組的主要機械設備通常采取常規性檢修或局部更換部件，對其性能予以修復或保持，主要檢測參數滿足相關部件的規范要求，則判定機組滿足持續安全穩定運行條件。

表1 機組基本參數及主要機械結構評價內容

2.1 未改造機組

某機組結構型式為軸流轉槳式，額定容量為57.2MW，投運至今已安全運行56年，除機組例行檢修更換部分易損件外，水輪機和發電機主要結構部件均未更換。因歷次的轉輪葉片空蝕修復，破壞了水輪機的原設計翼型，機組出力略微下降；各主要機械部件經無損檢測后未發現貫穿性結構裂紋；發電機因絕緣老化絕緣性能呈現衰減趨勢，但仍滿足原設計要求；機組主要測點的振動和擺度值、壓力脈動在部分負荷工況存在超標現象，發電企業采取避振運行的方式予以限制。綜合機組歷年檢修記錄、日常維護記錄及性能測試結果，該類機組可根據運行情況定期（如兩年）向電力監管機構提交延壽評估資料，或將機組延壽周期持續至下一次機組大修。

2.2 局部改造機組

某機組結構型式為燈泡貫流式，額定容量為32MW，投運至局部改造前已安全運行22年，受設備引進吸收及梯級電站建設影響，水輪機存在低水頭無法運行、額定水頭無法達到額定出力、穩定運行區間狹窄等難題，為徹底解決上述頑疾，2021年對水輪機轉輪、轉輪室、主軸密封進行了更換。通過采取局部改造措施，實現了機組超低水頭運行、額定水頭達到額定出力、穩定運行區間滿足設計的35～100%額定容量要求，機組汛期低水頭段的發電量得到有效提升。

發電機則采取擴大性A 修、更換定子線棒等措施，修復或提升了發電機的絕緣性能。綜合分析水輪機和發電機的運行狀態，該類機組可按照水輪機、發電機分別向電力監管機構提供兩大設備的延壽周期，其中已經改造的設備（水輪機）可根據新設備使用年限予以延壽，未改造的設備可根據運行情況定期向電力監管機構提交延壽評估資料，或將其延壽周期持續至下一次機組大修。

2.3 整體改造機組

某機組結構型式為臥式混流式，原設計額定容量為6MW，投運至改造前已安全運行50年，依托水利部對農村小水電改造的補貼政策，除尾水管的部分預埋段無法更換外，2020年對轉輪、導水機構、定子、轉子、主軸、軸承系統進行了整體改造。通過整體改造，機組加權平均效率提升4%以上、額定容量提升至6.6MW，徹底解決了水輪機的空蝕和裂紋、發電機絕緣問題，年設計發電量增加5%以上。結合機組目前的運行狀態，機組主要振動和擺度測點峰峰值、軸承瓦溫等指標滿足相關標準要求，綜合出力明顯提升，該類機組可按照新安裝設備的設計壽命向電力監管機構提供延壽建議。

3 結語

隨著國家能源監管機構對水電機組超期服役的日益重視，發電企業應加強設備的日常管理，定期對主要機械設備進行狀態評價、對機組控制類系統進行性能測試；此外應建立過流部件、轉輪、主軸、發電機機架、軸承系統、定子和轉子絕緣的動態監測臺賬，根據設備性能劣化的趨勢合理安排相應的技改計劃及資金，及時有序地推進超期服役機組設備的局部改造整體改造，必要時可結合電廠外部環境及原流道的設計裕度進行增容改造，從而達到徹底解決機組運行或設計缺陷目的，確保機組安全穩定運行。