水布埡水電廠發電機組的問題分析及改造方案探討

孫 偉

(湖北清江水電開發有限責任公司，湖北 宜昌 443000)

湖北清江水布埡電廠是清江流域開發的龍頭電站，位于湖北省恩施土家族自治州巴東縣水布埡鎮，總裝機容量1 860 MW，地下廠房安裝4臺單機460 MW的水輪發電機組，最大水頭203 m，額定水頭170 m，具有多年調節能力，在華中電網中作為骨干調峰調壓調頻電廠。且由于地理位置獨特電廠機組還是電網系統重要的事故備用機組和國調的緊急調度設備。

2007年7月，水布埡電廠首臺機組發電。2008年8月，四臺機組全部投產發電。電廠發電機(型號SF460-40/11900)由東方電氣集團東方電機有限公司總承包，其中1、2號機組由東電生產制造，3、4號機組由哈爾濱電機廠生產制造。機組最大持續運行功率為460 MW、額定電壓為20 kV，額定功率下定子電流為14 755 A。機組采用立軸半傘式結構，推力軸承位于轉子下部的下機架上，下導軸承位于下機架中心體內，推力與下導軸承各用一個油槽。機組軸系由發電機上端軸、轉子支架中心體、發電機主軸和水輪機軸組成，并由發電機上、下導軸承和水輪機水導軸承支撐。

1 水布埡電廠機組的運行特點

一般而言，水電廠機組設計壽命一般為30-40年，依據是電氣絕緣老化和金屬結構部件劣化規律的一般經驗[1]，至少要運行40年左右方可進行發電機定轉子改造換型等方面的重大改造工作，以解決絕緣老化和受力部件的疲勞帶來的各種問題[2]。而截止至2018年12月，水布埡電廠機組運行了近12年，在這12年里，作為華中電網的骨干主力調峰調頻調壓電廠，年均啟停頻繁(每年啟停次數都在1 000次以上)。從歷年運行分析可見，機組出力主要為華中電網調峰、調頻、調壓使用，帶大負荷的時間比例較少，總體上日負荷變化劇烈，穿越振動區次數相當多且總出力很小[3]。

統計全廠4臺機2008年-2014年的數據可得，4臺機組停機時間比例超過56%，在推薦運行區運行的時間僅占16%，其余28%的時間都運行在振動區(包含限制運行區與禁止運行區)。機組在40～150 MW的運行區間轉動的總時間占了40%～49%(每臺機每年的運行時間都在1 500 h以上)，這個比例對單機460 MW的機組來說太大了。結合電廠的奧技藝PSTA機組狀態監測系統累積的歷年數據，發現機組在20～40 MW和250～300 MW的運行區間振動、擺度很多重要穩定性指標值都嚴重超標[3]。

水布埡工程由于處在水電工程史上的特殊歷史階段，國內兩大廠家(東電、哈電)正開始吸收國外先進的大機組技術，其機組容量正好處于300～700 MW的重要過渡中間階段，其設備在設計、制造、安裝、試驗的各個階段應用了大量的新材料、新工藝、新技術，可以在一定程度上說是存在一定先天不足的。在當時的設計、制造、安裝、試驗條件下，廠家對細節理解不到位、在生產質量上有疏漏在設備國產化的道路上是不可完全避免的，唯有總結制造生產、裝配、運行經驗，通過后續機組加強質量控制來改造前期機組發生的問題。

總體來說，設備的先天不足，機組實際運行中的惡劣條件，創新者“吃螃蟹”的代價和國企的進取與擔當等種種因素，導致水布埡水電廠的發電機組在近12年的時間內積累起來了一系列的問題和重大隱患。雖然按照設備全生命周期的規律，機組應該“正當壯年”，但現實中機組的特性表現和一系列缺陷都在提醒著，設備改造已經刻不容緩。

2 發電機運行檢修中發現的問題

2.1 發電機定子線棒端部存在電暈

2016年上半年2月開始，發現4臺發電機定子線棒端部與擋風圈環氧防護板間有多處放電痕跡，在放電部位有黃色油泥狀固體及白色固體粉末狀物質。如圖1、圖2、圖3所示。電廠在隨后的檢修中也采取了清理環氧護板處油泥、清理白色物質，并用滌綸氈塞實等措施，但未消除發生原因。其電暈放電缺陷統計見表1。

圖1 黃色油泥狀固體

圖2 白色粉末狀固體

圖3 線棒層間白色粉末狀固體

2.2 定子鐵心階梯片松動、斷齒受損及其他

2016年冬修開始的檢修期間，電廠發現4臺發電機定子鐵心齒部階梯片不同程度松動、斷齒(如圖4所示)，共導致12根線棒主絕緣損壞(如圖5所示)。4臺發電機鐵心齒部階梯片松動及線棒絕緣受損情況統計見表2。

2017年檢修期間，電廠再次發現四臺發電機定子鐵心松動。2018年3月，在4號機組檢修1個月后，定子鐵心又出現再次松動和新增松動情況，見表3。

同時，水布埡電廠還發現1號發電機最下部通風槽片上部的部分扇形片松動，松動區域如圖6方框所示。

表1 四臺機組定子線棒電暈放電缺陷統計表

結論：發生電暈的部位4F最多，2F次之；黃色油泥狀固體在4臺機組定子下端部均比較多。

圖4 鐵心齒部松動、斷齒及電腐蝕

定子鐵心穿心螺桿絕緣套管結合方式不科學，每根定子鐵心的穿心螺桿上套有三節絕緣套管，兩端平齊、對接導致運行過程中發生錯位出現縫隙，導致灰塵、水汽、油霧等易進入穿心螺桿，長期存在則可能導致螺桿接地，容易引起穿心螺桿及鐵心燒損。

圖5 定子線棒絕緣受損

機組號線棒絕緣受損(根)鐵心齒部階梯片松動(處)1F02532F11633F8634F2151

表3 2017-2018檢修期間1、2、3、4號發電機定子鐵心階梯片再松動統計

圖6 1號發電機最下部通風槽片附近扇形片松動

2.3 發電機磁極存在缺陷

水布埡發電機轉子部分磁極鐵心與線圈之間存在著較大間隙(如圖7)，油污易進入。2017年冬季檢修期間，電廠對#2發電機的一個磁極解體檢查發現磁極內側未刷絕緣漆的安裝隱患，若油污在絕緣玻布板與線圈間累積，可能引起機組發生匝間短路。同時，發電機部分磁極絕緣托板與線圈間粘接層出現脫落現象(如圖8)。

圖7 磁極鐵心與線圈之間的間隙

圖8 絕緣托板與線圈間的粘接層脫落

2.4 發電機推力軸承部分問題

1)油槽甩油嚴重。機組投運以來一直存在油霧溢出問題，推力油槽甩油以#3機組最為嚴重。多年間經多次、不同廠家對推力蓋板進行改造處理仍無法解決水布埡電廠推力軸承油盆甩油嚴重的問題，造成發電機運行環境惡劣，形成的油垢對發電機定子鐵心、線棒絕緣及散熱構成潛在危險。

2)推力油槽鏡板泵循環效率低。推力油槽采用鏡板泵密封自循環的方式進行油冷卻，屬于外循環系統。機組投產時安裝規范要求密封板內圓和鏡板外圓之間無間隙，現由于鏡板泵密封間隙變大，且已無調整余量，導致其循環效率低，冷卻能力不足，推力瓦溫普遍偏高且溫升不均勻。

3)推力瓦向內側位移。2號機組2017年B級檢修期間，現場拆解推力軸承時發現彈簧束支撐結構推力軸承20塊推力瓦中有15塊推力瓦連帶托瓦徑向朝內側位移，其中位移量較大的推力瓦與托瓦同步朝內側位移，造成托瓦發卡，位移較大與較小的之間相差達4 mm。其它3臺機組也存在類似問題。

2.5 發電機下導油槽甩油

4臺機組下導油槽內檔經過多次改造，仍存在不同程度的甩油。下導油槽內擋油管下側設置有接油槽，甩出的油經接油槽的輸油管道排出，4臺機組中1、3號機組約7 d甩出1桶油(12 L)，2、4號機組約15 d甩出1桶油(12 L)。

2.6 其他問題

發電機還有其他一些無法通過檢修解決的“痼疾”，可綜合考慮在此次改造中一并考慮解決。

1)高壓油頂起裝置齒輪泵出口滲油問題。高壓油頂起裝置的齒輪油泵運行時振動對管路影響較嚴重，容易滲油，且該套裝置布置與機組下風洞的機架支臂附近，空間受限，清掃、維護、檢修不方便。

2)轉子支架上環板變形。轉子支架在運行過程中承受離心力、切向扭轉應力、熱打鍵應力和自身重力，其傳遞切向扭轉應力的部位為上下環板。由于上環板和支臂比較薄，剛度較弱，為了防止上環板翹曲變形，需要加強處理。

3)轉子擋風板問題。擋風板位于風洞狹小空間內，為5 mm厚的不銹鋼材料結構，單件凈重31 kg，其一端固定在磁軛上，采用拉緊螺桿把緊，另一端把合在磁極極靴上，主要問題是太重，非常不利于檢修。

4)空冷器滲水且強度偏弱?？諝饫鋮s器的支撐結構較弱，檢修時吊裝冷卻器容易變形，導致冷卻水管脹管處漏水。

5)發電機中性點不方便檢修。發電機檢修中需要拆除中性點的連接銅排，因銅排較重且位于定子機座外側的狹小空間內，銅排下方無安全防護裝置，檢修不便且有安全隱患。

6)制動除塵裝置問題。發電機下風洞內共有16個制動器及8個集塵裝置，兩個制動器共用一個集塵裝置，其均安裝在制動器支架上，制動器工作時，集塵裝置通過底部的吸塵管路吸走粉塵。因制動器工作時候無法鎖定位置保證頂起，且吸塵罩空間過大吸塵效果不理想，制動器工作時接頭漏氣時無法第一時間發現，竄氣現象消除起來困難，極大影響機組停機制動效果。

3 發電機改造的探討

針對上面發電機發生的一系列問題，電廠平日對設備在維護、檢修中能應急處理的都做了最大限度的維護修復，對于因設計、制造、安裝中造成的根源性的隱患、缺陷等不可逆、不好根治的問題，唯有在電廠每年的春修和冬修中，通過拔出磁極等方式，反復檢查確認機組隱患發展的程度，保證這些問題的發展可控在控，并定期出檢查分析報告，保證機組的整體安全運行。

但是為了應對隨時可能出現重大問題的發電機組，電廠上下全體九十幾名員工緊緊圍繞著機組安全穩定運行這一核心工作，充分發揮奉獻和擔當精神，默默付出的同時，機組改造已確實不能再拖。

3.1 發電機改造的總體思路

電廠遂于2018年下半年開始著手推進發電機組的改造，針對已經發現和暴露出的問題和潛在風險，為保障水布埡電廠發電機的長期安全穩定運行，應出一份成熟、安全、可靠、經濟、省時的一攬子解決方案?？傮w上要求改造方案應充分考慮電廠機組啟停頻繁，并長時間處于進相、小負荷運行的運行方式，滿足發電機每日啟停并帶負荷4次、一年內啟停不少于1 500次的要求；并兼容電廠1、2號機組與3、4號機組的差異。

改造工作集中于發電機定子上，僅更換全部定子零部件，轉子僅對部分輔助部件進行改造，故可能出現同一臺機組，不同廠家定、轉子共用的情況。要求發電機雖然為兩個廠家制造，但兩個廠家共用一套電磁方案以及圖紙，故定、轉子間的主要接口完全一致：如定子鐵心內徑、轉子磁極外徑；定子鐵心高度、轉子磁極長度等，在安裝上不應出現匹配問題；因兩型機組電磁方案、設計參數完全一致，要求不同廠家定、轉子共用也不會對機組運行造成影響。要求改造后的定子要與未改造的轉子相匹配，發電機磁路不得發生改變，改造后的發電機在正常工況下其振動、擺度、噪聲、溫度要在國標的優良范圍內，總體技術要求不得低于原發電機的技術條件和標準。

安裝上可以采用首臺改造機組使用全新的定子基座、定子鐵心、定子裝配零件、線棒等的方式，后續機組選擇采用前臺機組能修復的零配件安裝。

3.2 發電機系列問題的解決方案

3.2.1 定子線棒端部電暈改造

2016年檢修中發現該情況后，即在隨后處理的時候清理了環氧防護板處的油泥及白色物質，并用滌綸氈塞實，以減少油泥等異物的堆積。但定子線棒產生電暈原因較多，主要的有線棒本身絕緣及防暈結構對電暈的影響(內部因素)，定子繞組接線對電暈的影響(外部因素)以及安裝過程中，因工期緊張、人員不足等原因，水布埡機組定子繞組端部個別位置存在打磨不光滑、綁繩和滌綸氈存在局部尖角毛刺和間隙的現象，也會造成電暈。

首先可以采用新技術新材料以提升線棒本身的絕緣水平和防暈能力，近年來無論是東電還是哈電，針對線棒的防電暈技術、絕緣材料、防暈材料的進步，以及在國內大水電機組和高電壓等級機組上的成功運行經驗的積累，用這些技術來反饋應用到水布埡46萬的機組上是成熟可靠的。其次優化定子繞組接線。由分析可知，水布埡發電機的定子繞組接線方式導致其異相間最大點位高于其他同類型機組15%～24%，這大大增強了繞組端部相間線棒之間的電場強度。故調整、優化設計定子繞組接線是解決電暈隱患的必選項。通過計算，如將定子繞組接線方式W相主引線側引出位置由原來的第45槽、第141槽、第213槽、第309槽、第405槽調整為第93槽、第189槽、第261槽、第357槽、第453槽，則相應的引出線異相電壓差可有93.8%降至81.9%，使得這一數據恢復到國內主流機組的水平上(如三峽左右岸、向家壩電廠)。

且為了節約成本，除了改造第一臺機使用全新的定子線棒，其他三臺機可使用前臺機拆機的線棒重新修復后再次使用。

3.2.2 定子鐵心階梯片松動、斷齒受損及其他定子問題的解決方案

對于定子鐵心階梯片松動、斷齒受損的問題，可以采用階梯片工廠整體粘結，保證粘結質量，提高鐵心端部的整體性，定子端部扇形片軛部改為閉口鴿尾槽，提高鴿尾槽限位能力。同時保持定子鐵心首末段沖片的整體性，改善鐵心安裝時的工藝，減小齒壓片與定子扇形片間的摩擦力；將定子齒壓板改為雙壓指結構，齒壓板平面度更好，鐵心齒部所受壓力更加均勻。采取上述措施后，可有效消除定子鐵心端部扇形片竄出風險和鐵心齒部松動、斷齒，防止由此引起的定子線棒絕緣受損、繞組接地等事故的發生。

針對定子鐵心穿心螺桿的絕緣套管問題，可對絕緣套管結構進行優化，在套管兩端導30度角(如圖9所示)，套管安裝時兩端接頭分別插入其他套管接頭，可有效防止機組振動造成接頭錯位、產生間隙等，不會發生進入灰塵、水汽、油霧等情況，保證機組安全運行，防止穿心螺桿接地現象的發生。

圖9 絕緣套管安裝示意圖

3.2.3 發電機磁極存在缺陷的解決方案

水布埡磁極為常規結構，磁極鐵心采用薄鋼板疊裝而成。磁極線圈采用銅排銀焊，在匝間墊有絕緣，最后熱壓成型。從結構上分析，原磁極結構磁極線圈的固定采用的是在磁極T尾上把合角鋼。如圖10所示。

圖10 磁極線圈固定圖

由于角鋼剛度較弱，磁極線圈在運行過程中受熱膨脹，所以容易在角鋼和線圈間形成間隙。由于線圈上的絕緣托板和線圈銅線的受熱膨脹不同，間隙就反映到絕緣托板和線圈銅線之間，如果絕緣托板和線圈銅線之間曾經墊過絕緣物質，就可能掉落。由于線圈磁軛側沒有任何防護，導致裂紋很明顯。目前要解決此問題需將磁極線圈牢固的固定到磁極鐵心上，用來限制磁極線圈的徑向膨脹，從而不出現線圈和絕緣托板的間隙，可通過增加鐵托板解決。如圖11所示。

鐵托板為6～10 mm的Q345鋼板，通過與線圈壓緊，焊接到磁極鐵心上。因為鐵托板為整圈結構，又焊接到磁極鐵心上，剛度較大，可保證線圈充分壓緊。另外，焊接鐵托板后，磁極線圈和鐵心間的間隙用膠填滿，不會存在裂紋。磁極線圈內部絕緣層均為F級絕緣材料，即使掉落也不會對機組產生大的影響。為保證絕緣層不掉落，施工安裝中必須嚴格保證絕緣層牢固的粘接到線圈上，并嚴格遵守工藝要求完全固化。

圖11 增加鐵托板圖

3.2.4 發電機推力軸承的解決方案

1)推力軸承甩油。水布埡四臺機轉速150 r/min，鏡板外徑線速度31.4 m/s，作為高線速度機組本容易出現油霧溢出，雖然各臺機甩油情況程度不同，但油槽結構一致，油飛濺、逸出通道基本一致。機組的擋油管形位公差較差，圓度較差、與軸安裝的不同心等都是造成推力油槽液面波動加劇，進而造成內甩;推力頭鏡板同軸度偏差達5 mm，機組運行過程中，偏心泵效應明顯，油槽內油面波動劇烈，油霧及飛濺的潤滑油容易溢出從而導致甩油嚴重。

可通過重新加工制造擋油管，徹底解決原擋油管結構缺陷，新制作的擋油管圓度提高后并在安裝時保證其與轉動部件的同心度，可有效解決內甩問題；油擋下方增加內軸承蓋，內軸承蓋內徑與推力頭接觸部位增加封油板，油擋下方推力頭外圓增加阻油槽；另外集油槽上部增加一層阻油板，增加阻油板可有效穩定油面，減小因鏡板旋轉造成的油面攪動；封油板、內軸承蓋的設置可極大減少油霧外溢的可能性，增加阻油槽可解決飛濺的油霧沿軸爬升至油擋密封齒外部。

2)推力油槽鏡板泵效率低。推力集油槽采用隨動接觸式密封，密封條為錫青銅材質，機組運行一段時間后，密封板磨損后間隙加大，造成泵效率降低，進而造成瓦溫差加大?？筛鼡Q鏡板泵為外加泵外循環結構，在推力外循環管路上加裝外循環油泵，維持外循環潤滑油的循環動力，8個冷卻器加裝16臺油泵，每臺冷卻器對應兩臺油泵，一主一備。增加瓦間的噴油管，保證油冷卻器出來的冷油排在推力瓦區域。

同時可以通過更換集油槽，密封采用梳齒密封或其他新型密封。梳齒密封與鏡板間隙0.3～0.4 mm以保證封油效果，進而保證潤滑油量及潤滑效果。

3)推力瓦位移問題。推力瓦內徑處限位板固定在支撐座上，其掛鉤處距離固定點力臂較長，強度不足，推力瓦與托瓦發生相對位移時無法起到有效限位作用；同時推力瓦位移作為爬行現象，可從結構和受力兩方面著手。

可以通過采用剛度更好的限位板；在內徑方向增加限位螺釘，利用固定板將推力瓦與托瓦固定，限制推力瓦向內徑移動。另外在機組啟停機流程中高壓油頂起裝置延時若干分鐘(5～30 min)退出，也可減小使推力瓦內移的力。

3.2.5 下導油槽甩油的解決方案

下導油槽內擋油管形位公差較差，圓度、與軸安裝的不同心等都可能造成油槽液面波動加劇，進而造成內甩；且內擋油管偏心泵和攪油作用較強，油擋密封塊磨損較大，呼吸器效果差等因素綜合起來導致甩油。

可以對油槽采用新型密封裝置，對下導擋油管進行檢查，包括圓度、與軸安裝的同心度；重新加工制造擋油管，增強剛度，增加擋油管的軸向高度和徑向厚度，以減少偏心泵作用和內甩可能性；擋油管采用分瓣結構，以減少機組運行時的攪油，以盡可能降低內甩的風險。原集油盒暫不變，如內甩徹底解決可拆除。

3.2.6 其他問題的解決方案

1)高壓油頂起裝置齒輪泵出口滲油問題。更換新型號的高壓油頂起裝置，優化管路設計，減少接頭數量，增加裝置及管路的支撐剛度，加強基礎固定，底座增加減震墊等方式，軟管路連接以避免振動導致漏油的方式可以嘗試，視實際效果應用。

2)轉子支架上環板變形改造。對發電機轉子支架進行加強處理，提高上環板的翹曲安全系數。在環板下部增加一圈環板，并用筋板與上環板焊接成一體。

3)轉子擋風板改造?？蓪躏L板拆分為兩部分，內側仍為不銹鋼擋風板，中間改為絕緣擋風板；或者整體材質改為鋁合金。這樣可整體大幅度降低擋風板重量同時保證了其功用。

4)空冷器滲水且強度偏弱。因其本體設計時剛度考慮不足，造成拆裝冷卻器時承管板變形，導致冷卻水管與承管板連接位置開裂漏水。故需要更換新的空氣冷卻器，新空冷器需要在滿足原來的冷卻換熱性能的前提下，對框架、上下水箱蓋及承管板等受力部件進行加強、加固。

5)發電機中性點檢修不便。定子中性點的引出銅排距離機坑地面高度約3.5 m，為保證檢修時的設備、人員安全，可增設一檢修平臺。檢修平臺可整體焊接在機坑壁上，承重力強且安裝、拆卸方便。

6)制動除塵裝置改造。近幾年新投產的電站其制動器采用直接設置除塵裝置的方案，在更換新型號制動器后，在制動器上設計密封罩和除塵器，將摩擦下來的制動粉塵直接吸出，同時，制動器本身帶螺紋鎖定裝置，解決鎖止問題。

4 結 語

水布埡電廠作為國內高壩大庫、高水頭電站的代表之一，其發電機組發生的一系列問題具有一定的代表性和行業意義，這也是水布埡水電廠發電機改造對國內兩大水電巨頭東電和哈電充滿吸引力的原因。對電廠來講，在充分考慮安全性、經濟性、先進性、滿足工期要求、水庫無棄水發生的前提下，無論哪家中標改造，發電機改造后的實際表現和運行指標才是考核的唯一要求。

且水布埡電廠還要在2018年以后的五年內，伴隨發電機組主設備改造的同時還要改造發電機自動化元件、水輪機、監控系統、勵磁系統、調速器系統、直流系統、10 kV廠用電系統等等各種主輔設備，如何在有限的人力、財力、時間等各種限制條件下，用好處于不同生命周期的設備，既充分挖掘設備運行潛力保障安全穩定運行，又要在其運行指標惡化之前保障更新到位，需要考慮到設備或系統的規劃、設計、制造、購置、安裝、運行、維修、改造、更新直至報廢的全過程各種因素的影響[4]。

通過此次發電機改造，實現的目的為帶動水布埡其他設備的同步更新，切實提高水布埡電站的安全運行水平，實現經濟穩定運行，減輕運行維護管理人員的勞動強度和心理壓力，提高水布埡電能質量，爭取為電網的安穩運行做出更大貢獻，同時培養一支技術精干、敬業擔當、追求卓越的“大國工匠”隊伍。