巨型水電廠運行和維護關鍵策略

南冠群，趙曉嘉，范迎春，張鶴鳴，喬進國

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巨型水電廠運行和維護關鍵策略

南冠群，趙曉嘉，范迎春，張鶴鳴，喬進國

（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南 大理 675702）

介紹了巨型水電廠多項運行和維護關鍵策略的研究和應用，開發了動態數據分析系統，實現了智能巡檢。針對維護和檢修關鍵策略進行了研究，全面掌握各類機電設備的真實性能和薄弱環節，解決和消除存在的問題和隱患；從自動化水平提升、報警有效性保障、應急措施完善等方面進行積極的研究和探索，不斷提升機電設備健康水平；研究能夠匹配孤島系統輸電的控制和管理技術，保證長距離孤島系統輸電的可靠性。提高了水輪發電機組、公用系統設備等在孤島方式下運行安全性、穩定性和可靠性，有效降低了運行成本，提高了工作效率。

巨型水電廠；維護；檢修；關鍵策略

0 前言

水輪發電機組及其附屬設備的性能和工作狀態與水電廠的安全穩定運行直接相關。因此為提高設備的運行穩定性和可靠性，保障現場安全生產，延長設備使用壽命，實現長周期經濟運行，各水電廠需要結合自身實際，優化設備運行方式，研究和應用科學合理的維護策略。

水電廠的運行和維護，包括一般性檢查和維護[2]，到加強和提高人員專業技術水平和綜合素質[1-3]，采用新的管理組織和管理方式[4,5]，以及加強電氣設備管理，規范電氣設備檢測[6,7]等方面的內容。合理的安排運行和維護工作，能夠有效保障水電站設備的安全穩定運行。

文獻[8]通過對二灘水電廠近年來的運行狀況和運行數據分析，認為水電廠應繼續注重研究平、枯水期運行方案，在節水、節電的同時提高水電廠的調峰能力和電網電能質量，實現較好的經濟效益和社會效益。文獻[9]介紹了廣州蓄能水電廠從發電設備的實時監控、生產設備的運行和維修管理以及辦公檔案財務管理，都全面運用計算機和網絡系統。

文獻[10]和[11]認為大型水電廠對節約能源有較大意義。文獻[12]推導了適應當前水電廠運行方式的優化調度計算公式和廣義等耗水微增原則，提出了機組最優組合的計算方法。

文獻[13]根據現代新建水電廠的特點，探討了“運檢合一，全員ON-CALL”的管理模式，打破了部門間的壁壘，提高工作效率，同時更重視人才素質的提高、人才的激勵和培養。文獻[14]提出了水電設備檢修網絡化管理模式，多種檢修方式相結合，引入先進科技發展狀態監測與故障診斷技術。

文獻[15]加強設計、制造、安裝期間遺留問題攻關，排除設備隱患、消除設備缺陷，改善發電機運行環境，規范化、標準化日常運行維護工作。

1 運行維護關鍵策略

某巨型水電廠裝設6臺單機容量700MW的水輪發電機組，額定轉速為150r/min。立軸半傘式水輪發電機SF700-40/12770，水輪機HL153-LJ-660最大水頭（251m）與最小水頭（164m）比值為1.53，是當前70萬千瓦水輪機組中水頭最高的水輪機。作為調峰、調頻的主力電廠，在系統中承擔了調壓和事故備用任務，也是目前世界上與直流換流站之間輸送線路最長的水電廠。

1.1 水輪機

1.1.1 轉輪裂紋

該廠自2010年2月首臺機組檢修開始，各臺水輪機轉輪均出現不同程度的裂紋，多為貫穿性裂紋。經分析評審認為，在不合理的運行工況下，水輪機轉輪葉片承受的應力較大，引起葉片疲勞損傷及裂紋。

1.1.2 轉輪動、靜應力

為解決水輪機轉輪裂紋問題，在同類型高水頭、高轉速、大容量的水輪機上首次開展了轉輪真機動應力測試、全面掌握各工況下轉輪應力情況。

試驗發現水輪機在開機過程中轉輪葉片承受很大的動應力，隨著導葉開度增大、轉輪過流流量穩定，動應力逐步減小。同時，試驗也發現水輪機在連續穩定區和限制運行區運行時，動應力主要來自于無翼區的動靜干涉；但在禁止運行區，動應力主要來自于轉輪旋轉渦帶造成的尾水管壓力脈動，特別是在200MW負荷以下，多個葉道渦帶和水力繞流的混頻作用，使動應力遠超過正常運行工況值。

1.1.3 降低轉輪葉片開機過程中的動應力

針對開機過程中轉輪動應力偏大的問題，應用了一種能夠增加水輪機轉輪疲勞壽命的電站水輪機組的開機方法。以開機過程中轉輪葉片動應力分析為基礎，實現調速器軟開機。機組轉速小于135r/min期間，采用斜率線性的方式，以0.25%/s的速率開啟導葉，期間開限為1.3倍空載開度，從而使轉輪導葉上冠側應力和導葉上冠下環側應力得以有效減小。轉速在135r/min至142.5r/min過程中，將導葉開度設定值設為1.2倍空載開度，減小機組轉速上升速率，有效減小水輪機轉輪葉片靠上冠側的動應力。

1.1.4 單機運行區域調整

根據全水頭及全負荷段機組穩定性試驗、水輪機轉輪動應力測試情況，綜合考慮運行管理的方便性，將單機運行區域的劃分調整為：空載及0～120MW為禁止運行區；120～210MW為限制運行區，單臺機組在該負荷段內運行時間每年不應超過800h；210～480MW為禁止運行區（振動區）； 480～700MW為穩定運行區。通過運行負荷區的調整，可有效避免機組在禁止運行區和振動區運行，降低機組在限制運行區的運行時間，使機組長期處于穩定運行或高效運行區，明顯控制了水輪機轉輪裂紋。

1.1.5 水輪機轉輪裂紋控制效果

各年度轉輪裂紋與低負荷運行區運行時長對比見圖1，圖中當年低負荷運行區運行時長對應下年度檢修期轉輪裂紋長度，實線線型曲線表示歷次機組檢修期各臺機水輪機轉輪裂紋總長（單位：mm），虛線線型曲線表示各年度修前低負荷運行總時長（單位：h）。該廠結合2012~2013年度機組檢修期優化了所有機組的開機方法，自2013~2014年度開始轉輪裂紋長度變化趨勢從原先的逐年增加轉變為逐年減少；2014年下半年優化了機組運行方式，自2015~2016年度起轉輪裂紋長度的減少趨勢更加顯著。

圖1 轉輪裂紋與低負荷運行區運行時長對比

1.1.6 開展水輪機轉輪修型

為根治水輪機轉輪裂紋，還開展了水輪機轉輪修型工作，主要工作為水輪機轉輪各葉片出水邊切割修型及三角替補塊焊接。根據CFD分析，水輪機轉輪修型后相關參數變化如下：葉片承受的最高靜應力由104.04 MPa降低至89.76 MPa，降低了約14%，轉輪葉片承受的動應力預計下降超過50%。額定工況下的效率由94.10%降低至93.90%，降低了0.20%，但仍高于合同保證值93.75%。滿負荷時空蝕安全余量降低為10%；修型前后葉道渦與原轉輪流速分布幾乎一致。

3號機組大修完成水輪機轉輪修型，修型至今已連續運行兩個檢修期、未再出現裂紋，處理效果良好。

1.2 發電機

1.2.1 定子線棒電暈

機組運行1～2年后發電機定子線棒均出現不同程度的電暈現象。這種問題在同類型大容量機組中比較罕見，由于定子線棒電暈降低了絕緣材料的性能，嚴重時可能發展為樹枝化放電直到擊穿，必須及時處理。經深入分析，發現定子繞組接線方式不合理引起發電機定子線棒相間電位差較高，部分定子線棒相間電位差達到額定的線電壓水平，加上發電機設計較為緊湊，是導致定子線棒電暈的主要原因。

通過定子線棒繞組改接線、更換定子線棒和端箍、改善定子端部安裝工藝等方法，以徹底解決發電機定子電暈問題。1號機組大修后，已運行2年有余，經檢查未發現明顯的電暈放電點。發電機定子線棒的改造，有效保障了水輪發電機的運行可靠性，未改變發電機相關參數，線棒間的電位差由最高的97%e下降為70%e，大部分換相線棒間電位差為60%e，避開了發電機電暈起始電壓，提升了發電機的健康水平。

1.2.2 空冷器防滲漏裝置

水輪發電機空氣冷卻器安裝在風洞內，機組運行過程中人員不便進入檢查；同時空冷器流量較大，若運行中出現少量滲漏，也無法及時在電廠監控系統或信息系統中發現，長期滲漏后會增加發電機風洞內空氣濕度，對電氣設備絕緣造成不利影響。發電機空氣冷卻器滲漏能夠造成發電機定子線棒受損的事故。

為防止出現發電機空冷器滲漏引起的電氣事故，研發了水輪發電機空冷器防滲漏裝置，在發電機定子機座下環板加設擋水坎、外壁布置排水孔，并加裝滲漏引排管，在引排管出口設置報警裝置、信號引入監控系統。在發電機空冷器冷卻管路發生滲漏時，利用定子機座環板間向外的循環風力，將滲漏水通過排水管排出，報警裝置發出的信息可及時提醒運維人員檢查處理，避免處理不及時引起的設備損壞。

1.3 動態數據分析系統

由于電廠設備種類繁多，各類巡檢和監盤工作會額外耗費大量時間、精力，設備故障、缺陷信息可能存在遺漏，也無法實現在設備運行數據出現劣化趨勢時提前預警，來避免缺陷、異常甚至事故的發生。

開發了動態數據分析系統。該系統建立了統一的數據中心，實現了計算機監控系統、各在線監測系統、機組檢修信息化系統等數據的整合，具有設備自動預警、報表自動生成、智能趨勢分析、動態預警、動態報警、一鍵預警值設置等功能。

該系統大幅降低了運行監盤人員的技術門檻；趨勢分析功能為機組檢修定級、缺陷分析提供了有力支持，電廠運行、維護和管理人員可盡早發現潛伏性故障，提前預警，避免發生嚴重事故；改善了現場資源配置，實現了設備全壽命周期管理，提升了設備的健康水平，減少了運行人員報表制作、數據分析等定期工作量，保證了機組的安全、經濟、穩定運行。

1.4 智能巡檢機器人

針對現場運行值班人員少，當水機室等重要部位運行中出現設備問題時，將無法及時發現和組織處理，極有可能造成設備損壞甚至引發水淹廠房事故。研發并應用了智能巡檢設備，在水機室等重要部位安裝了基于O型軌道的智能巡檢機器人，具有智能巡檢和智能分析等功能，可以對監控范圍內的環境情況、設備運行狀態、人員作業情況等進行實時監視、自動巡視、火災自動報警、自動分析匯總，還具有視頻采集、煙霧探測、液體監測、噪音監測等功能。

1.5 全廠失電后的一鍵恢復

在廠用電全部失電或異常時，需臨時啟動柴油發電機作為備用電源，并通過多項倒閘操作來進行廠用電的恢復。在壩區廠用電失電且須緊急操作泄洪閘門的情況下，將無法快速恢復泄洪閘門工作電源，可能會對大壩安全運行造成極大影響。開展了廠用電一鍵倒閘功能改造，實現了柴油發電機系統的遠方控制，將10kV與400V開關動作情況進行有序配合，柴油發電機應急啟動后將自動倒閘供電至壩頂配電室。原回復供電需10h，現僅需0.2h。

1.6 孤島模式下調速系統的控制方法

聯網模式下的調速系統控制策略和參數在孤島模式下出現了負荷調節品質差、頻率控制不穩定的問題，特別是在孤島直流停運后，出現了暫態高頻、深度調相和頻率過低等現象，嚴重影響水輪發電機組安全穩定運行和電網事故恢復。

在不同模式轉換過程中，調速系統會根據當前電網運行模式自動切換至對應控制模式和參數，各模式下參數可在界面中在線設置，調整時無需重啟調節器。對“孤島模式”中細微的頻差進行積分，從而引起系統內的負荷細微調整，達到控制頻率穩定的目的。同時在系統頻率調整到小死區以內后，將產生的小積分輸出給定轉移至有功功率給定，并保證在轉移過程中頻率的穩定。這樣就實現了在直流系統事故時，通過平穩的自動調節，將電廠孤島系統內的機組全部轉為空載運行，頻率控制在±0.2Hz以內，便于事故情況下電網將孤島系統迅速并入聯網系統。

1.7 特高壓直流輸電線路的孤島運行裝置

如果電站遠離換流站，直流孤島運行方式下送端電網十分薄弱，有效短路比很低，孤島系統中的故障有可能引發送端系統失穩。直流雙極閉鎖情況下過電壓問題也十分突出，發電機組輸出功率與直流系統傳輸功率間容易產生不平衡的現象。通過設置孤島運行專用裝置可有效解決此問題，包括采用光纖傳輸信號的開關站孤島專用裝置和廠房孤島專用裝置，采用兩套PLC雙重化冗余配置，直流雙極閉鎖時能夠快速切換聯網與孤島的運行模式轉換，快速消除發電機組輸出功率與直流系統傳輸功率間的不平衡，保證了直流孤島輸電線路的安全穩定運行。

1.8 其它設備運行維護關鍵策略

通過防火災、防水淹廠房、防漫壩潰壩、防極端天氣及地質災害、應急通信等措施，提升了電廠應急處置能力。在推力粘滯泵中加裝了帶有定位套的銅套實現自潤滑功能，減小了滑動部件之間的摩擦力；將大軸補氣閥緩沖結構由油緩沖改造為氣緩沖，并在新型大軸補氣閥底部增加了多孔浮球閥，防止尾水倒流入廠房；增設主要受力及承壓薄弱部位的振動擺度保護系統，實現了振動擺度過大報警以及啟動緊急事故停機流程；新的筒閥啟閉控制方法，解決了筒閥系統發卡問題；鎖定梁行走機構，降低鎖定梁閘門行走輪負荷、磨損量和更換頻率；還實現了一系列機電設備的自動化控制功能。

2 結論

率先在高水頭、高轉速、巨型水輪機上開展了轉輪真機動應力測試，對水輪機轉輪葉片修型，科學劃分機組運行區域，提出了一種水輪發電機組的軟開機方法，解決了水輪機轉輪裂紋問題；在國際上首次對700MW水輪發電機的定子線棒繞組采取改接線、定子線棒和端箍更換、改進定子端部安裝工藝等措施，解決了水輪發電機定子線棒電暈問題。提高了機組運行穩定性。

開發了動態數據分析系統，具備自動預警、自動趨勢分析等功能；開發了智能巡檢機器人，對重要部位進行自動巡視、火災自動報警、自動分析統計；優化筒閥系統啟閉控制流程，改進筒閥直缸接力器全開位置反饋裝置，提升公用系統設備可靠性；實現全廠失電后的一鍵恢復，提升應急處置效率。

研究了孤島模式下的水輪發電機組調速系統的控制和管理技術，開發了孤島運行專用裝置，保證長距離孤島系統輸電的可靠性。

通過上述運行和維護關鍵策略的研究和實施，提高了水輪發電機組、公用系統設備等的健康水平及其運行安全性、穩定性和可靠性，有效降低了運行成本，提高了現場工作效率。

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The Key Strategies of Maintenance and Service of Giant Hydropower Plant

NAN Guanqun, ZHAO Xiaojia, FAN Yingchun, ZHANG Heming, QIAO Jinguo

(Xiaowan Hydropower Station of Huaneng Hydro Lancang Co., Ltd., Dali 675702, China)

The research and application of the key strategies of maintenance and service of giant hydropower plants are introduced, the dynamic data analysis system is developed, and the intelligent inspection is realized. The key strategies of the maintenance and service are studied in order to have an overall grasp of the true performance and vulnerable spot of electromechanical equipment, and to solve and eliminate the existing problems and hidden dangers. The active research and exploration are conducted by the improvement of the automation level, the guarantee of alarm validity and the improvement of the emergency measures, so that the health level of the electromechanical equipment will be improved. The control and management technologies, which can match the islanding system transmission, are studied to guarantee the reliability of long distance islanding system transmission. Centered on the prevention of equipment failure, the failure modes of different types of equipment are analyzed. And further more, the tasks and periods of the corresponding preventive monitoring and maintenance are made to prevent equipment failure by using state maintenance. The safety, stability and reliability performance of the hydroelectric generating sets and utility system equipment under islanding model are improved, the operating cost is reduced and the operating efficiency increased effectively.

giant hydropower plant; maintenance; service; key strategies

TM612

A

1000-3983(2018)05-0076-04

2017-12-16

南冠群（1965-），1988年畢業于湖北工學院，工學學士，電站黨委書記、副廠長，先后參加過長江三峽水利樞紐工程建設，瀾滄江流域多個大型水電站機電工程設計、制造、安裝及驗收工作，高級工程師。