漁子溪電站4號水輪發(fā)電機改造

談 泰 權， 王 昌 林， 秦 泰 松

(國網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠，四川 都江堰 611830)

1 電站概況

漁子溪電站始建于1966年9月，至1972年6月底主要水工建筑物(除沉沙池外)基本建成，廠房內(nèi)第一臺機組(4號機組)安裝完畢，7月初電站充水試運行，12月初第一臺機組正式向系統(tǒng)送電。

漁子溪電站機組是上世紀70年代初國內(nèi)自行設計投產(chǎn)的高水頭混流式水輪發(fā)電機組，受當時我國水輪發(fā)電機的設計、制造、安裝水平的限制，機組從投運初期一直小毛病不斷，出現(xiàn)過嚴重的振動問題。雖然經(jīng)過多次的大、小修理，但仍然沒有徹底解決發(fā)電機的可靠運行問題。同時，漁子溪電站4號水輪發(fā)電機運行至今已經(jīng)有40多年歷史，且于2008年、2010年先后兩次被污水浸泡，主要部件銹蝕嚴重，達到了國家標準規(guī)定的使用壽命極限。在運行中出現(xiàn)過定子端部絕緣受損情況，已直接影響到發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行，僅靠大修或局部處理很難徹底根治這些隱患。

2 機組缺陷及改造可行性分析

2.1 安全性分析

2008年“5·12”汶川特大地震導致漁子溪電站發(fā)生山體透水事故，發(fā)電機在水中浸泡3個月以上。2010年“8·13”映秀特大泥石流將岷江河道堵塞，洪水經(jīng)尾水口倒灌進入漁子溪電站廠房，發(fā)電機再次在含有大量淤泥和油污的水中浸泡4個月以上，由此，發(fā)電機各部件嚴重銹蝕。恢復重建時為盡快恢復災后供電，只采取了清水沖洗及烘干等簡單處理，便逐臺恢復了機組發(fā)電。

2.1.1 發(fā)電機定子、轉子、主軸的安全性分析

發(fā)電機定子由機座、鐵芯、定子線圈等組成，在兩次自然災害后，定子機座和鐵芯只經(jīng)過簡單處理，沒有更換改造，現(xiàn)已成為發(fā)電機設備的安全隱患。

水輪發(fā)電機轉子是由發(fā)電機主軸、轉子支架、磁軛、磁極等零部件組成，與水輪機主軸一起組成了水輪發(fā)電機組的轉動部件，轉子既具有一般機械轉動部件的特征，又必須具有良好的電磁性能。由于漁子溪電站4號發(fā)電機運行時間極長，水輪發(fā)電機主軸、轉子支架、磁軛、磁極以及水輪機主軸等部件的交變應力循環(huán)次數(shù)非常高，極易產(chǎn)生疲勞破壞。

除此之外，軸承甩油、漏油產(chǎn)生的油污附著在定子線圈、磁極線圈上，加重了線圈絕緣老化。

2.1.2 發(fā)電機上、下機架的安全性分析

發(fā)電機上機架為負荷機架，要承受整個水輪發(fā)電機組的重量和軸向水推力，隨著機組的運轉，交變應力作用到上機架上，由于長時間運行，上機架極易產(chǎn)生疲勞破壞。

下機架雖為非負荷機架，但是要承受下導軸承傳遞的交變徑向力，也存在極大的疲勞損壞風險。

2.1.3 發(fā)電機推力軸承、上導軸承、下導軸承的安全性分析

發(fā)電機各部軸承的安全性關系到整個機組能否安全運行，主要反映在各部軸承軸瓦的運行溫度是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，是否存在甩油、漏油現(xiàn)象。若出現(xiàn)溫度過高或燒瓦現(xiàn)象，會引起機組事故停機，帶來電量損失，并浪費大量的人力、物力、財力進行事故檢修。若出現(xiàn)甩油、漏油現(xiàn)象，不僅污染環(huán)境，損失資源，且存在極大的運行風險。若上導甩油、漏油，則會對發(fā)電機定、轉子線圈造成不可逆轉的損害。

2.2 效能與成本分析

由于漁子溪電站4號發(fā)電機轉子、定子、上下機架、推力軸承、上導軸承、下導軸承以及水輪機主軸存在以上安全隱患，既影響了機組的安全穩(wěn)定運行，也增加了運行、檢修工作量。同時，由于機組帶病運行，機組中修、小修不斷，嚴重影響電站的發(fā)電效益，且頻繁地裝拆機組，對水輪發(fā)電機的各個部件特別是易損部件造成很大影響，將加快機組的老化，會進一步影響機組的正常運行。

2.3 政策適應性分析

漁子溪電站作為國家三線建設的重點項目，建成后，為四川省社會經(jīng)濟發(fā)展作出了巨大貢獻。水能作為可再生的清潔能源，屬于國家政策大力支持和發(fā)展的能源項目，特別是對老電站的增效和擴容改造，國家更加支持。除此之外，根據(jù)電監(jiān)會安全[2010]2號文件“關于吸取俄羅斯薩揚水電站事故教訓進一步加強水電站安全監(jiān)督管理的意見”規(guī)定“對已存在損傷的設備部件要加強技術監(jiān)督，對已老化和不能滿足安全生產(chǎn)要求的設備部件要及時進行更新”[1]及國家電網(wǎng)公司關于水電站技術改造有關規(guī)范和規(guī)定，應對漁子溪電站4號水輪發(fā)電機存在安全隱患的部件進行改造、更換。

3 改造范圍

本次漁子溪電站4號水輪發(fā)電機部件的技術改造應充分考慮利用原有水輪發(fā)電機固定部分的設施，并對改造部分做到技術先進、經(jīng)濟合理。本次改造屬于水輪發(fā)電機關鍵零部件的改造，主要是增加設備運行可靠性，同時,提高設備的運行效率，延長設備的檢修周期，最大限度地提高水能利用率。此次改造相當于4號機組的擴大性大修，在恢復原設備性能基礎上提高其性能，增加設備運行的可靠性，改造范圍如下：

(1)漁子溪電站4號發(fā)電機轉動部分改造，包括發(fā)電機主軸、磁軛、磁極等部件改造更換，其中下導軸領與主軸采用整體鍛造方式；

(2)漁子溪電站4號發(fā)電機定子改造，包括發(fā)電機定子機座、鐵芯、定子線圈改造更換；

(3)漁子溪電站4號發(fā)電機上、下機架改造更換；

(4)漁子溪電站4號發(fā)電機推力軸承、上導軸承、下導軸承改造，增設油汽分離和回收裝置，并將發(fā)電機上導軸承和推力軸承組合在一個油槽內(nèi)；

(5)漁子溪電站4號水輪機主軸改造更換。

4 改造技術方案

漁子溪電站4號水輪發(fā)電機型號為SF40-12/4250,屬于高轉速立軸懸式水輪發(fā)電機，其額定轉速為500 rpm，飛逸轉速為839 rpm。發(fā)電機總體技術方案應與原發(fā)電機基本保持一致，只是在發(fā)電機的細部結構方面進行優(yōu)化，為增加發(fā)電機定子機座的剛、強度，定子機座采用分兩瓣結構；為確保電磁參數(shù)合理、可靠，對用于漁子溪電站4號水輪發(fā)電機改造的電磁方案進一步優(yōu)化。原發(fā)電機上導軸承設置在推力軸承下方，本次改造將發(fā)電機上導軸承與推力軸承合一，并將上導軸承置于推力軸承上方。

4.1 定子改造

定子機座采用分兩瓣結構，提高定子的整體剛度、強度。定子機座為鋼板焊接結構，定子鐵芯采用50W270冷軋硅鋼片,厚度0.5 mm，更換全部定子繞組，采用F級絕緣。

4.2 轉子改造

轉子支架與主軸在制造廠內(nèi)熱套在一起，然后裝壓磁軛，掛裝磁極。全部轉動零件都經(jīng)剛度和強度的分析計算，以便能安全地承受最大飛逸轉速5 m而不產(chǎn)生任何有害變形，且材料的計算應力不超過屈服點的2/3。轉子外徑為φ3 360 mm，裝配后總重約88 t。

4.3 上、下機架改造

上機架為負荷機架，不僅要承受來自推力軸承的軸向負荷，還要承受來自導軸承的徑向負荷。為鋼板焊接輻射形結構，由中心體和若干個支臂組成，支臂為工字型結構。

下機架為非負荷機架，由中心體與若干個輻射的工字型截面支臂組成。下機架兼作制動器基礎。

4.4 推力軸承、上導軸承、下導軸承改造

推力軸承位于上機架上方的推力油槽內(nèi)，推力軸承采用剛性支柱式扇形瓦結構。由推力頭鏡板、推力瓦、支柱螺釘和軸承座等組成。

上導軸承布置在上機架中心體內(nèi)，置于推力軸承上方，與推力軸承共用一個油槽，以上導滑轉子作為摩擦面，采用分塊巴氏合金瓦，采用抗重螺栓支撐結構，且增設吸油霧裝置。

下導軸承布置在下機架中心體內(nèi)，采用分塊巴氏合金瓦，采用抗重螺栓支撐結構，且增設吸油霧裝置。

5 改造效果

漁子溪電站4號機組水輪機、發(fā)電機主軸聯(lián)軸后，經(jīng)軸線調整，機組盤車結果如表1所示。

表1 機組盤車數(shù)據(jù)記錄表 單位：0.01 mm

漁子溪電站4號機組水輪發(fā)電機改造后采用推力、上導軸承合一的結構，上導至鏡板間的距離可忽略不計，機組轉速為500 r/min，機組各部相對擺度值滿足《水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范》(GB/T8564-2003)中的要求。其中，上導、下導及法蘭的相對擺度值小于0.02 mm/m，水導相對擺度值小于0.03 mm/m，機組軸線調整合格[2]。

漁子溪電站4號水輪發(fā)電機改造工程施工結束后，機組開機時各部振動、擺度、溫度如表2所示。

推力軸承采用塑料瓦，上導、下導、水導采用巴氏合金瓦，各部軸承溫度滿足《水輪發(fā)電機基本技術條件》(GB/T7894-2009)第“6.3軸承溫度”的要求[3]。

除此之外，漁子溪電站4號機組各交接驗收試驗合格，并于2019年6月成功并網(wǎng)運行。

6 結 語

結合漁子溪電站實際，對4號機組水輪發(fā)電機進行改造，將推力外循環(huán)冷卻結構改為內(nèi)循環(huán)

表2 漁子溪電站4號機組開機各部振動、擺度、溫度統(tǒng)計表

冷卻結構，優(yōu)化了機組結構，且省去了機組大修后開機試驗過程中推力冷卻器濾網(wǎng)清掃工作，節(jié)約了開機試驗時間。除此之外，避免了機組運行過程中因濾網(wǎng)堵塞引起的推力瓦溫高的缺陷，減少了機組運維工作量。

漁子溪電站4號水輪發(fā)電機改造后機組各部振動、擺度、溫度均在國家標準范圍內(nèi)，改造質量滿足要求。漁子溪電站4號水輪發(fā)電機作為映秀灣電廠第一臺改造發(fā)電機，其成功改造為映秀灣電廠另外10臺機組發(fā)電機改造提供了寶貴經(jīng)驗，也為國內(nèi)其他相似機組改造提供了參考。