漁子溪電站4號水輪發電機改造

談 泰 權， 王 昌 林， 秦 泰 松

(國網四川省電力公司映秀灣水力發電總廠，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送電。

漁子溪電站機組是上世紀70年代初國內自行設計投產的高水頭混流式水輪發電機組，受當時我國水輪發電機的設計、制造、安裝水平的限制，機組從投運初期一直小毛病不斷，出現過嚴重的振動問題。雖然經過多次的大、小修理，但仍然沒有徹底解決發電機的可靠運行問題。同時，漁子溪電站4號水輪發電機運行至今已經有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，達到了國家標準規定的使用壽命極限。在運行中出現過定子端部絕緣受損情況，已直接影響到發電機的安全穩定運行，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生山體透水事故，發電機在水中浸泡3個月以上。2010年“8·13”映秀特大泥石流將岷江河道堵塞，洪水經尾水口倒灌進入漁子溪電站廠房，發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電。

2.1.1 發電機定子、轉子、主軸的安全性分析

發電機定子由機座、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過簡單處理，沒有更換改造，現已成為發電機設備的安全隱患。

水輪發電機轉子是由發電機主軸、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號發電機運行時間極長，水輪發電機主軸、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次數非常高，極易產生疲勞破壞。

除此之外，軸承甩油、漏油產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 發電機上、下機架的安全性分析

發電機上機架為負荷機架，要承受整個水輪發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 發電機推力軸承、上導軸承、下導軸承的安全性分析

發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定的范圍內，是否存在甩油、漏油現象。若出現溫度過高或燒瓦現象，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。若出現甩油、漏油現象，不僅污染環境，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，嚴重影響電站的發電效益，且頻繁地裝拆機組，對水輪發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，為四川省社會經濟發展作出了巨大貢獻。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，根據電監會安全[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督管理的意見”規定“對已存在損傷的設備部件要加強技術監督，對已老化和不能滿足安全生產要求的設備部件要及時進行更新”[1]及國家電網公司關于水電站技術改造有關規范和規定，應對漁子溪電站4號水輪發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號水輪發電機部件的技術改造應充分考慮利用原有水輪發電機固定部分的設施，并對改造部分做到技術先進、經濟合理。本次改造屬于水輪發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號發電機轉動部分改造，包括發電機主軸、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號發電機定子改造，包括發電機定子機座、鐵芯、定子線圈改造更換；

(3)漁子溪電站4號發電機上、下機架改造更換；

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

(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號水輪發電機型號為SF40-12/4250,屬于高轉速立軸懸式水輪發電機，其額定轉速為500 rpm，飛逸轉速為839 rpm。發電機總體技術方案應與原發電機基本保持一致，只是在發電機的細部結構方面進行優化，為增加發電機定子機座的剛、強度，定子機座采用分兩瓣結構；為確保電磁參數合理、可靠，對用于漁子溪電站4號水輪發電機改造的電磁方案進一步優化。原發電機上導軸承設置在推力軸承下方，本次改造將發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熱套在一起，然后裝壓磁軛，掛裝磁極。全部轉動零件都經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，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，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，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、發電機主軸聯軸后，經軸線調整，機組盤車結果如表1所示。

表1 機組盤車數據記錄表 單位：0.01 mm

漁子溪電站4號機組水輪發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《水輪發電機組安裝技術規范》(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月成功并網運行。

6 結 語

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

表2 漁子溪電站4號機組開機各部振動、擺度、溫度統計表

冷卻結構，優化了機組結構，且省去了機組大修后開機試驗過程中推力冷卻器濾網清掃工作，節約了開機試驗時間。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號水輪發電機改造后機組各部振動、擺度、溫度均在國家標準范圍內，改造質量滿足要求。漁子溪電站4號水輪發電機作為映秀灣電廠第一臺改造發電機，其成功改造為映秀灣電廠另外10臺機組發電機改造提供了寶貴經驗，也為國內其他相似機組改造提供了參考。