俄羅斯水電站水電設備的運行狀況

［俄羅斯］А.И.拜科夫 等

1 概述

關于俄羅斯水電站設備的運行狀況，已做過很多研究和報道。但是，迄今為止，盡管薩彥－舒申斯克水電站發生了嚴重事故，仍然沒有一個針對其設備的使用壽命到期和沒有到期所做的明確評估，也沒有研制評估的實施方案。

對于水電站設備改造來說，缺少實施計劃和行動方案。在不具有專業從事水電站設備改造機構的豐富經驗的基礎上，只是采用對設備及零部件狀況進行科學計量模擬和計量控制的方法(即設備計時診斷法)，以及莫斯科巴烏曼高等技術學校計量學教研室的研究方法和技術，來編制標準文件。

2 技術規范

關于水電站水電設備的改造，需要制定一個架構方案。所以，必須對以下幾個基本問題進行探討。

(1)從經濟上來講，改造不是提高設備的生產能力，而是使設備的運行狀況達到設計參數，提高其技術性能，即縮短維修周期，將使用壽命延長15～20 a。當然，相比一臺已經運行25～30 a的發電機組來說，改造運行了35～40 a的機組當然要復雜很多(常常缺少技術資料)。因此，必須將工作成本計入“基本維修費”，提高完成改造的工作成本。

(2)從技術上來講，改造應該是使設備的零部件達到(間隙、標準層的)設計參數和安裝尺寸的要求。因此，必須制定改造工程的技術規范，其中應包括測量圖、測量記錄、活動記錄、方法和其他一些現有的，但是還沒有確定列入技術規范、至今仍以水輪機組安裝技術條件(1975年發行)為依據的指導性文件。

(3)該技術規范中必須有明確規定，即:使水電設備從維修前的不穩定到維修后實體試驗的整個改造過程合法化。還應要求對供應商提供的設備、修復后的設備以及備品備件建立驗收體系，并對設備的合格證、可維修性和可互換性加以規定。

(4)必須制定轉槳式和軸向輻流式水輪機改造的技術規范，因為這些水輪機的安裝尺寸和間隙有很大差別。

伏爾加專業水電設備安裝股份公司下屬的卡馬河專業電力設備公司研制出了該行業的技術規范，并已將其運用于水電站各種設備的改造工程中。

3 設備改造及注意事項

改造的目的應該是:延長設備的使用壽命，為企業節省資金。因此，電站改造工程所采用的方式方法彼此不應有區別，比方說，坐落在同一條河流上和同一個梯級(如伏爾加－卡馬河上)的2座或2座以上的水電站，應采用相同的改造方法。

改造工程是訂貨商、總承包商、制造商(可能是幾家)之間的密切合作過程，應制定改造工程的技術籌備方案。

從經濟角度出發，在裝有多臺機組(4臺或4臺以上水輪機組)的水電站，進行梯級改造是較為方便、合理的做法。也就是說，為1號機組提供一套新設備，而從固定基礎上拆卸的零部件則送去制造商那里做故障分析檢查，以恢復設計參數;然后再回到訂貨商這方，根據水電站的運行制度，安裝在下1臺機組上(比如，安裝在第2臺或第3臺等機組上)。

進行這樣規模的改造工程，必須預先規劃，確切地說，應該改變招標方式和改造資金的結構。訂貨商應該自籌改造資金，不能將義務轉嫁給投資者或轉租現有已改造過的設備。也要考慮到進行這種由若干承包商完成的復雜、龐大工程而可能發生的保險方面的風險。不能以過度的銀行擔保和長期的擔保義務來緊逼承包商，比如，有一部《俄羅斯民法》，誰也不能廢除它。

改造方案應具有一整套工作內容，包括編制單個零部件改造的技術說明。

制造商不僅要提供修復所必須的備品備件，還應參與整個改造施工過程。例如，工作輪或水輪機導水裝置、軸線的控制裝配，工作輪活塞桿的液壓試驗，儲油器的測試裝配等等，以確定設備的安裝間隙和縱、橫方向的安裝位置。

緊固件和連接件均應在檢驗臺和角架等工具上進行檢測。制造商尤其需注意的是，應該保證緊固件的安裝及其與結合面貼合的質量。

合理的做法是，已使用的設備上的緊固件應該鎖定，但不焊接。類似施工經驗表明，當振動強度提高或急劇提高時，與電焊面鎖定的螺母便會瞬間松動。這種情況在1991年伏爾加水電站的14號機組就曾發生過。

由于40%的緊固件處于腐蝕環境中，因此，需要使用不同的鎖定方法。

包括輔助設備在內的所有水輪發電機組的緊固件，使用30 a后，必須更換。空氣分配盤上連接片脫落，會導致嚴重事故的發生。比如，敘利亞塔布卡(Табка)水電站，30%的主發電機定子繞組、鐵芯、電極及其他一些設備受到了損害。

遺憾的是，暫時還沒有明確完整的方法確定該段時間內設備和零部件的狀況。利用聲輻射可以確定設備的工作狀況和使用壽命，但是，這種方法沒有得到廣泛利用、理解和確認。莫斯科巴烏曼高等技術學校計量學教研室研究了一種外部計時法來判斷設備狀況，該方法取得了來之不易的效果，并得到了推廣。當然，是否需要給每臺水輪發電機組建立“診療冊”的問題，也應聽聽指導專家的意見，他們具有類似豐富的改造施工經驗。

比如，下卡馬河水電站，轉槳軸流式水輪機的工作輪，已經運行22 a卻沒有拆卸過，只是進行日常維修，從第1臺水輪機組運行以來，就不清楚導水裝置軸頸的狀況。2009年維修改造后才知道，原來工作輪的所有滑動摩擦軸承襯套必須更換，因為工作層已壓壞，摩擦－滑動力偶的功能消失，實際上，水輪機組已處于事故邊緣。

這意味著，現有設備無法工作至使用壽命到期才更新的時候。設備可能蘊藏著事故隱患。所以，保持水電站水電設備生產能力的最好辦法是:改造設備，修復受損零部件，對長期使用后的設備重新定心調整。

4 技術措施

當然，修復所有零部件是不可能的，這樣也沒有任何意義。所以，根據水電站設備改造、維修的施工經驗，對機械部分組件改造時，應采取以下措施。

(1)更換所有緊固件(100%)。

(2)將生鐵殼體換成鋼制的，當某些水輪機蓋板為生鐵時，要對加強筋和連接法蘭進行加固。

(3)用無損法檢查所有焊接接頭，除去焊接瑕疵。

(4)改進導水裝置，另外安裝防滲漏密封圈，采用新型的復合材料。

(5)改進軸承，當液壓支座安裝軸承時，換成鋼性支座。根據受損程度，更換弧狀部件上彈性聚合物包復的金屬覆蓋層。

(6)更換使用了25 a的軸承盤。每臺水力機組必須有一個用于周轉的軸承盤(2009年，下卡馬河水電站對1983年投入運行的12號機組進行維修時發現，軸承盤的工作表面有很寬的大網狀裂縫，深度達 0.15 mm)。

(7)在需要調整軸線的情況下，改造水輪機軸，以便更換水輪機軸承區水輪機軸的覆面層。

(8)改進主發電機轉子的構架，以提高轉子外緣的剛性。增加楔子，避免剎車盤和磁軸產生振動波(此為薩拉托夫水電站的改造經驗)。

(9)將主發電機定子變成無連接鎖扣式，更換線圈(視振動試驗和線圈狀況而定)，通過替換主發電機基座和修復后的磁軸，調整定子支架的高度。

(10)更換機油和空氣冷卻器。

(11)對于水輪發電機組的過流部分，采用無損法檢查水輪機組零部件所有焊接點，確定瑕疵，進行清除。

(12)更換轉槳軸流式水輪機表面沒有實施雙金屬襯砌的轉輪室，清理混凝土企口接縫;將新的轉輪室固定在相對主發電機定子軸承而言的中心企口接縫中，并澆筑混凝土企口接縫。

(13)修復水輪機流道的混凝土表面。

(14)將工作輪或導水裝置的滑動摩擦軸承襯套換成新的復合材料(每座水電站，當其安裝的水輪機為轉槳軸流式時，最好應有一套槳葉旋轉裝置，而對于軸向輻流式水輪機，則應有一個轉輪和一套迷宮圈)。

(15)用氟橡膠面層替換橡膠制成的防滲透密封圈和密封繩，特別是在更換轉槳軸流式水輪機槳葉法蘭的密封材料時，應采用該方法(軸向輻流式水輪機軸的密封裝置，最好采用苯酚材料制作)。

(16)更換制動系統，包括輸水管和制動－千斤頂。

(17)應該保存一套新的備用的制動－千斤頂，及1套用苯酚材料制成的防滲透密封圈(異形繩)。

(18)改造調節系統和自動化裝置系統，使用水輪機電動液壓調整器，將油壓裝置和調節系統壓力調整為63 kg/cm2。

(19)更換消防系統(將水滅火改成二氧化碳滅火)。

(20)改造水輪機的勵磁系統。

(21)更換調整環下方的支承部件，替換活塞、卸油環和伺服電動機拉桿，定心調整伺服電動機拉桿。

(22)更換包括水輪機和發電機輔助設備、調節裝置在內的所有止水裝置。

(23)更換真空止水裝置。

(24)采用相位計時法，通過振動傳感器，檢測水輪機某個時段內所有設備的狀況。

(25)修復發電機組的軸線，拆卸(安裝)主發電機轉子軸套，消除裂紋。

(26)改造過程中，根據水工建筑物實際狀況和水輪機嵌入部分的位置，重新調整水輪機組的中心位置。調整縱、橫方向的間隙，使水輪機旋轉部分能相對固定部分而對稱布置。

(27)更換轉槳軸流式水輪機轉輪的槳葉(或完全更換軸向輻流式水輪機的轉輪)。

(28)改造轉槳軸流式水輪機轉輪的外殼，給槳葉法蘭裝上“Simirit”公司的局部可拆卸的橡膠密封材料，也可采用氟橡膠異形繩。這樣，能夠大大地提高零部件的安全性(這種異形繩已被用在薩拉托夫水電站)。

(29)在采用轉槳軸流式水輪機時，自潤滑材料和生物分解合成油的結合使用，可能是保護生態環境新的重要舉措。

(30)在轉槳軸流式水輪機運行過程中，采取了環境保護措施，嚴禁廢油外拋，以免污染環境。

(31)將水輪機變成雙調控，比如，切博克薩雷水電站的轉槳軸流式水輪機，迄今為止仍采用螺旋槳式，邁因水電站也屬于這種情況。但是，下卡馬河水電站順利解決了這個問題，16臺水輪機全部采用雙調控。

5 結語

俄羅斯其他一些水電站在采取以上所建議的措施后，可使安裝運行設備的使用壽命延長達20 a，至今，還沒有出現設備需要替換的情況。從資金上分析，實施這樣的改造，與設備定期更新相比，可節省2/3～3/4的費用。

在這種情況下，水輪機設備的維修期可以縮短至現在的30%。并且，實施這樣的改造計劃，可使水輪發電機組在汛期安全可靠地運行，而施工人員也可享有直接的物質利益。

伏爾加專業水電設備安裝股份公司下屬的卡馬河專業電力設備公司，聘請莫斯科巴烏曼高等技術學校計量學教研室、水利重型機械股份有限公司和俄羅斯電氣工程有限責任公司的專家，為設備改造工程提供咨詢服務，為現有水電站設備系統改造傳授經驗和技術。