十三陵電站水泵水輪機狀態評估

劉殿興 張衡 李江濤 李賀寶 李長勇 趙江

摘? 要：抽水蓄能機組具有轉速高、容量大以及工況轉換頻繁的特點，在電網中通常承擔調峰、調頻、調相和事故備用的任務，其狀態直接關系到電網的安全、可靠、穩定運行。北京十三陵抽水蓄能電廠是北京市唯一的抽水蓄能電站，該電站裝設4臺單機容量為200MW的可逆式水泵水輪機組，機組于1997年6月全部投運。被喻為“點亮首都北京的最后一根火柴”，承擔著重要的政治保電任務。隨著機組服役年限的不斷增加，水泵水輪機部件可能會產生必要的空蝕、磨蝕、磨損或疲勞，造成機組性能下降，嚴重時甚至導致故障，對機組的安全穩定可靠運行帶來較大的隱患。該文是根據《十三陵抽水蓄能電站3號機組水泵水輪機主要部件狀態評估檢查表》，依據《水泵水輪機狀態評價導則》的評分原則，對該機組主要部件進行狀態進行評估，并根據評估結果提出相應的處理建議，為電站后期的運維提供參考，并為其他電站水泵水輪機狀態評估提供借鑒。

關鍵詞：抽水蓄能電站? 水泵水輪機? 狀態評價體系? 評估模型

中圖分類號：TK734? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2020）09（b）-0046-06

Status Evaluation of Pump Turbine in Shisanling Power Station

LIU Dianxing1? ZHANG Heng1? LI Jiangtao1? LI Hebao1? LI Changyong2? ZHAO Jiang2

（1.State Grid Xinyuan Shisanling Pumped Storage Power Plant， Beijing， 102200 China; 2.Voith Hydro Shanghai Co.， Ltd.， Shanghai， 200240? China）

Abstract： Special features of the power units are obvious as high speed， large capacity and fast transition for load transfer. The units are usually playing more important roles in the grid as peak load adjustment， frequently operating in partial load， condense operations and standby. Operational safety， reliability and stability become more important and critical. Beijing Shisanling Pumped storage Power Plantis the only Pumped Storage Power Station in Beijing. Four reversible pump-turbine units with a capacity of 200 MW per unit were installed in the power station. All units were put into operation in June 1997. It has been described as "the last match to light up the capital of Beijing" and undertakes an important political task of power conservation. With the increasing service life of the unit， the gradual cavitation， abrasion， wear or fatigue may occur in the components of the pump turbine， which may cause the performance of the unit to decline， even lead to failure in serious cases， and bring greater hidden dangers to the safe， stable and reliable operation of the unit. This paper evaluates the condition of the main components of the pump turbine according to State evaluation checklist of the main components of the U3 pump turbine for Shisanling Pumped Storage Power Station and the scoring principle in Guideline of Condition Assessment Pump Turbine. Based on the evaluation results， it puts forward corresponding treatment suggestions for the later operation and maintenance of the power station. It can be reference for the condition evaluation of other PSP pump turbines.

Key Words： Pump storage power plant; Pump turbine; Condition assessment system; Evaluation model

抽水蓄能機組具有轉速高、容量大以及工況轉換頻繁的特點，在電網中通常承擔調峰、調頻、調相和事故備用的任務，其狀態直接關系到電網的安全、可靠、穩定運行。十三陵抽水蓄能電站裝設4臺單機容量為200MW的可逆式水泵水輪機組，4臺機機組于1997年6月全部投運。隨著機組服役年限的不斷增加，水泵水輪機部件可能會產生必要的空蝕、磨蝕、磨損或疲勞，導致機組性能下降，嚴重時可導致機組故障，對機組的安全穩定可靠運行帶來較大的隱患。因此，有必要對水泵水輪機的主要部件開展狀態評價研究，以便識別、分析和評估潛在的安全風險，并提出相應的應對措施，為水泵水輪機的檢修維護提供科學的數據依據，保障抽水蓄能機組的可靠安全穩定運行。該文是根據十三陵電廠日常運行、檢修檢查記錄，并在大修期間采用測量，探傷等手段對關鍵區域進行檢查，并對數據進行歸類整理形成檢查表《十三陵抽水蓄能電站3號機組水泵水輪機主要部件狀態評估檢查表》，然后依據《水泵水輪機狀態評價導則》的評分原則，對該機組主要部件狀態進行評估，并根據評估結果提出相應的處理建議，為電站后期的運維提供參考，并為其他電站水泵水輪機狀態評估提供借鑒。

1? 狀態評價部件和評價準則

根據十三陵電站水泵水輪機的特點，評價主要部件包括尾水錐管、蝸殼座環、導水機構、轉輪、主軸、水導軸承、主軸密封、伸縮節（主進水閥）。評價準則以《水泵水輪機狀態評價導則》試用版為依據。

2? 主要部件狀態評價流程

主要部件狀態評價主要分為3個流程，具體見圖2。首先，由電站根據運行，維護數據和檢修記錄按標準的狀態評估檢查表進行記錄整理。其次，對照水泵水輪機狀態評價導則評分標準對各部件各狀態量進行評分，并根據扣分情況對部件或整個機組狀態進行評估。最后，根據各部套或整個機組評估狀態提出相應的運維建議。

3? 主要部件檢查表

水泵水輪機作為一個系統，其主要部件包括蝸殼座環、導水機構（包括頂蓋、底環、導葉、導葉套筒、拐臂及連桿、控制環、導葉接力器）轉輪、水導軸承、主軸及主軸密封。主要部件狀態評估檢查表作為部件狀態評估的輸入文件，總體涵蓋了各主要部件狀態評估狀態量，信息分為以下幾部分：基本參數、外觀檢查記錄、NDT無損探傷、測量以及附圖/照片。

該文選取尾水錐管為示例，對狀態檢查表進行描述。

3.1 基本參數

主要基本參數為部件基本特征，作為部件設計和運行基本要素，直接影響機組的壽命和運行狀態，尾水錐管主要參數及運行時間具體見表1。

3.2 外觀檢查

對部件進行整體外觀檢查，以評估部件整體運行情況和以及和關聯部件的接口，尾水錐管外觀檢查及業主反饋信息具體見表2。

3.3 注意事項

檢查時需注意重點關注區域，以評估部件最惡劣的情況，有效排除可能故障，檢查時重點關注區域具體見表3。

3.4 NDT無損探傷

根據現場情況對部件注意關鍵區域進行NDT探傷檢查，結果具體見表4。

3.5 測量

錐管本體和油漆厚度測量情況具體見表5。

4? 主要部件狀態評價

在參考電流互感器狀態評價導則和設備狀態評價與風險評估導則的基礎上，該文依據確定的水輪機狀態評估檢查表里的記錄，對部件狀態打分。表6為水輪主要部件狀態評估檢查表的一部分尾水錐管狀態評價作為示例。

5? 評價

最后根據各部件的扣分情況，匯總形成最終的評價報告，并根據部件評價給出相應的處理建議，可為機組的檢修維護工作決策提供參考依據。十三陵抽水蓄能電站機組額定水頭430m，額定出力為200MW，額定流量為53.6m3/s，額定轉速為500rpm。其中3號機于1996年12月投入商業運營，上次檢修日期為2019年5月，該報告以上次檢修的記錄為依據對其進行狀態評估。

（1）根據檢修記錄尾水管局部油漆脫落，壓氣管接口焊縫空蝕和腐蝕較嚴重。根據表6水輪機主要部件狀態評價表可知尾水管單項最大扣分值為16，然后根據表7主要部件狀態評價表可知尾水管處于正常狀態。根據狀態評估結果建議利用檢修的機會，對空蝕、腐蝕區域打磨、補焊、補漆，空蝕區域的打磨需光滑過渡。

（2）根據檢修記錄蝸殼座環存在局部的腐蝕，固定導葉局部氣蝕。根據表6水輪機主要部件狀態評價表可知蝸殼座環單項最大扣分值為45，然后根據表7主要部件狀態評價表可知蝸殼座環處于正常狀態。根據狀態評估結果建議對腐蝕，油漆脫落區域進行補漆，按廠家提供的修補工藝對固定導葉進行修補。

（3）根據檢修記錄頂蓋、底環抗磨板均存在不同程度的磨損，且頂蓋底環局部空蝕銹蝕，頂蓋/底環固定止漏環偏磨嚴重，活動導葉局部空蝕、碰傷，個別存在上下端邊緣破損，套筒內部腐蝕嚴重，固定螺栓存在斷裂，軸套潤滑脂有脫落情況軸承。根據表6水輪機主要部件狀態評價表可知導水機構單項最大扣分值為72，然后根據表7主要部件狀態評價表可知導水機構處于異常狀態。建議對抗磨板、止漏環進行更換，在更換時需要注意相應的定位基準和間隙，對導葉套筒及固定螺栓、導葉軸承進行更換，對過流面局部空蝕、銹蝕進行打磨修復并補漆。

（4）根據檢修記錄轉輪葉片表面輕微空蝕。根據表6水輪機主要部件狀態評價表可知轉輪單項最大扣分值為40，然后根據表7主要部件狀態評價表可知轉輪處于注意狀態。根據評估結果建議對葉片空蝕區域進行拋磨處理。

（5）根據檢修記錄主軸情況良好。根據表6水輪機主要部件狀態評價表可知主軸單項最大扣分值為10，然后根據表7主要部件狀態評價表可知主軸處于正常狀態。根據評估結果主軸不用進行任何處理。

（6）根據檢修記錄水導軸承情況總體良好，個別導瓦存在局部磨損。根據表6水輪機主要部件狀態評價表可知水導軸承單項最大扣分值為15，然后根據表7主要部件狀態評價表可知水導軸承處于正常狀態。根據評估結果建議對磨損的導瓦進行更換。

（7）根據檢修記錄主軸密封情況總體良好，嵌入密封環剩余磨損量3mm。根據表6水輪機主要部件狀態評價表可知水導軸承單項最大扣分值為15，然后根據表7主要部件狀態評價表可知水導軸承處于正常狀態。根據評估結果建議對嵌入密封環和O型圈進行更換。

6? 結語

水泵水輪機的狀態評價是一個復雜的系統工程，該文基于水泵水輪機評價導則，對狀態量按實際檢查的項目進行了分化，并歸納成檢查表，然后按檢查表的記錄對各部件的狀態量進行打分，實現了水泵水輪機系統及主要部件的狀態的量化評價，為機組的檢修維護工作提供決策依據，并為水泵水輪機評價導則的運行進行了實踐運用，對其他水泵水輪機的狀態評價具有一定的參考意義。

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