胡定輝　桂紹波　鄭濤平　章勛

摘要：超期服役或長時間偏離設計工況運行的水輪發(fā)電機組會存在安全隱患，必須對其開展試驗評估。葛洲壩水電站2臺170 MW軸流式水電機組投運近40 a，受當時制造水平限制，23 m水頭以上為限制運行區(qū)，而自三峽水電站投運以來，2臺機組年運行小時數增加并頻繁在23 m水頭以上區(qū)域運行，所以亟需對這2臺機組運行狀況進行試驗檢測評估，以保證機組安全運行。

機組試驗檢測分為水輪機和發(fā)電機2個部分進行，采取的方法包括綜合性能試驗和關鍵部件結構檢測。水輪機試驗檢測內容包括開停機狀態(tài)性能檢測、穩(wěn)定性試驗檢測、關鍵部件應力檢測與分析、關鍵部件無損探傷檢測與分析等;發(fā)電機試驗檢測內容包括主要參數檢測分析、發(fā)電機通風試驗、溫升試驗、關鍵部件應力檢測與分析、關鍵部件無損探傷檢測與分析等。根據分析試驗檢測結果，并結合機組運行日志、維修記錄、技改資料等，對機組運行狀況及安全穩(wěn)定性進行了評估。結果表明：主要檢測參數指標基本在規(guī)范規(guī)定的合理范圍內，但同時機組也存在剛強度偏低、穩(wěn)定性較差、定子絕緣電阻降低等不利于機組長期穩(wěn)定運行的問題 。提出了相應機組應盡快對其更新改造，并在改造之前應密切關注機組各項關鍵指標的建議。

關鍵詞：水輪發(fā)電機組; 安全穩(wěn)定性; 試驗檢測; 葛洲壩水電站

中圖法分類號： TV734.2

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.036

0引 言

葛洲壩水電站裝設有2臺170 MW和19臺125 MW軸流式水輪發(fā)電機組，于20世紀80年代正式投運。目前，19臺125 MW機組的增容改造工程已基本完成[1-2]。

葛洲壩水電站170 MW機組是當時國內單機尺寸最大的軸流式水電機組[3]，作為試驗性機組，自投產以來已連續(xù)運行近40 a，年運行小時數均在6 000 h以上。同時，自三峽水電站運行以來，葛洲壩水電站170 MW機組頻繁在23 m水頭以上限制運行區(qū)域運行。而且，170 MW機組至今未開展過相關改造，且距上次大修時間也已歷經10多年。機組關鍵部件在經數萬小時的運行后，材料老化、疲勞破壞、絕緣介質損耗、定子絕緣性能下降、局部放電量增大等問題日益突出，并且存在高水頭運行風險、振動值超標、葉片裂紋及磨蝕、轉輪室磨蝕和裂紋等安全隱患影響機組安全穩(wěn)定運行[4-6]。為此，亟需針對170 MW水輪發(fā)電機組開展試驗檢測等有關工作，以分析機組整體性能是否良好、關鍵部件是否存在裂紋或其他缺陷、受力工作狀態(tài)是否正常，進而對機組運行狀態(tài)進行評估，并進一步保證機組的安全穩(wěn)定運行[7-9]。

1試驗檢測項目

葛洲壩水電站170 MW機組試驗檢測主要是針對1號機組開展試驗檢測工作。試驗檢測內容包括水輪機和發(fā)電機2個部分，由綜合性能試驗和關鍵部件結構檢測2個部分組成。

水輪機試驗檢測包括：開停機狀態(tài)性能檢測、穩(wěn)定性試驗檢測、關鍵部件應力檢測與分析、關鍵部件無損探傷檢測與分析等[10]。

發(fā)電機試驗檢測包括：主要參數檢測分析、通風試驗、溫升試驗、關鍵部件應力檢測與分析、關鍵部件無損探傷檢測與分析等[11-12]。

2水輪機試驗檢測

2.1開停機狀態(tài)性能檢測

水輪機開停機狀態(tài)性能檢測主要是在機組正常開機至同步轉速并網時，以及在機組從同步轉速運行至正常停機時，分別采集機組轉速、功率、導葉和槳葉接力器行程、水壓脈動、機組振動、主軸擺度等參數的過渡過程變化曲線。水輪機開停機狀態(tài)性能檢測測點布置如表1所列。

以機組正常開機至同步轉速為例，1號機組轉速、導葉開度隨時間的變化曲線如圖1～2所示，上導、水導擺度，上機架、定子機座與支持蓋振動等參數隨轉速與導葉開度的時域波形分別如圖3～7所示。

試驗分析表明：在正常開機至同步轉速并網及機組正常停機狀態(tài)下，上導、水導擺度，上機架、定子機座與支持蓋振動等參數隨轉速與導葉開度的時域波形圖，基本穩(wěn)定在某一特定數值附近，變幅不大，表明機組水輪機導葉、槳葉按預設開、停機程序進行動作。同時，通過查閱機組運行資料，發(fā)現在負荷大于60 MW時機組進入穩(wěn)定運行區(qū)，穩(wěn)定運行區(qū)運行時上導、水導、主軸擺度，上機架、定子機座與支持蓋振動等參數的時域波形變化正常。

2.2穩(wěn)定性檢測與分析

穩(wěn)定性檢測與分析分為變轉速試驗、變勵磁試驗及變負荷試驗3種試驗工況。

變轉速試驗中，依次改變機組轉速為40%，60%，80%與100%額定轉速，待轉速穩(wěn)定后，分別采集機組振動與擺度等參數。主軸擺度值、上機架振動值、定子機座振動值與轉速的變化關系曲線分別如圖8～10所示。

變勵磁試驗中，改變勵磁調節(jié)器的電流輸出，使發(fā)電機機端電壓依次為20%Ue、40%Ue、60%Ue、80%Ue與100%Ue，待機端電壓穩(wěn)定后，分別采集機組振動與擺度等參數。主軸擺度、上機架振動值、定子機座振動值與轉速的變化關系曲線分別如圖11～13所示。

變負荷試驗中，在現有協聯工況下進行，調整負荷從最小負荷至滿負荷，選擇10～15個工況點，待機組負荷穩(wěn)定后，分別采集機組轉速、功率、導葉和槳葉接力器行程、機組振動、主軸擺度等參數。主軸擺度、上機架振動、定子機座與有功功率的變化關系曲線分別如圖14～16所示。

試驗表明：上導擺度在機組出力大于50 MW以上進入穩(wěn)定運行區(qū)，幅值較小且穩(wěn)定，在全工況下小于電廠限制值（上導400 μm，水導600 μm）。上機架振動在機組負荷大于50 MW進入穩(wěn)定運行區(qū)。上機架水平振動在機組負荷大于50 MW時小于電廠設定值（140 μm）。在當前水頭下，機組出力在80～160 MW為穩(wěn)定運行區(qū)，振動和擺度幅值均小且穩(wěn)定。主軸擺度幅值、上機架振動幅值定子基座振動幅值、轉速、機端電壓的變化關系曲線均正常。

2.3水輪機關鍵部件應力檢測

水輪機關鍵部件應力檢測主要包括主軸應力檢測分析和軸向水推力檢測分析2個方面，應變片布置分別如圖17～18所示。

選擇其中的16號和19號導葉進行試驗檢測，應變片分別標記為SG9、SG10、SG11、SG12，而SG9、SG11為連桿軸向。

（1） 主軸應力檢測與分析。

在協聯工況下，變負荷試驗過程中，各測點應變片應變值與負荷的變化關系曲線如圖19所示。

經過計算，各測點主軸扭矩與負荷的變化關系曲線、主軸扭矩實測值與計算值比較曲線如圖20和圖21所示。

主軸扭矩隨負荷的增大而增大，且成線性關系;機組在負荷169.55 MW時，最大扭矩為23 636.4 kN·m，機組主軸扭矩測試結果小于理論計算結果，但差值不大，水輪機主軸等部件受力工作狀態(tài)正常。

（2） 軸向水推力檢測與分析。

在協聯工況下，變負荷試驗過程中，各測點應變片應變值與負荷的變化關系曲線如圖22所示。

經過計算，在協聯變負荷工況下，機組軸向水推力與實測負荷的變化關系曲線如圖23所示。

在協聯工況下，軸向水推力總的趨勢是隨負荷的增大而減小。軸向水推力和主軸扭矩的變化規(guī)律基本一致，未發(fā)現異常振動現象。

1號機組的測試結果小于計算值，但相差不大，表明應力檢測方法及結果可信。考慮到水輪機在機組改造前所做的主軸應力試驗所得出的測試結果與計算值相吻合，運行至今，在1號機組上進行的主軸應力檢測也得出同樣的結論，因此，認為水輪機主軸等部件受力工作狀態(tài)正常。

2.4水輪機關鍵部件無損探傷檢測與分析

對水輪機主軸、導葉連桿等關鍵部件進行超聲波檢測，對支持蓋及螺栓等進行磁粉檢測[13]，均未發(fā)現裂紋或其他類型的超標缺陷。同時，經查閱資料，了解到近年來，電站在機組缺陷處理時均按規(guī)范要求對水輪機關鍵部件及缺陷部位進行了無損探傷檢查，未發(fā)現嚴重缺陷，表明水輪機關鍵部件工作狀態(tài)正常。

3發(fā)電機試驗檢測

3.1發(fā)電機參數、溫升及通風檢測與分析

在機組空載和額定工況下，同步記錄發(fā)電機額定視在功率、有功功率、定子電流、定子電壓、勵磁電流、勵磁電壓、功率因數、空載勵磁電壓及空載勵磁電流等主要參數[14-15]，并與電站實時監(jiān)控數據、電站機組原有設計數據及相關規(guī)范值對比發(fā)現，發(fā)電機主要參數值基本在合理范圍內，無較大偏差。

在額定負荷和額定工況下測量定、轉子繞組和定子鐵芯的溫升。從發(fā)電機定子、轉子溫升測量結果來看，定子鐵芯與定子線圈溫度比較接近，測得定子平均溫度為53.60 ℃，扣除冷卻風溫25.40 ℃，溫升約28.20 ℃，測得轉子平均溫度為37.75 ℃，扣除冷卻風溫25.40 ℃，溫升約12.35 ℃。與電站以往運行情況對比，發(fā)電機溫升在正常范圍，滿足保證值要求。

在發(fā)電機空轉、滿負荷運行等工況下測量冷卻器的出風口處、定子上端部的進風處、定子下端部的進風處的總風量，并計算了發(fā)電機滿負荷狀態(tài)下的損耗。試驗檢測表明：空載狀態(tài)下，空冷器通風風量為99.64 m3/s、空冷器上端風量為52.06 m3/s、空冷器下端風溝風量為39.27 m3/s;滿載狀態(tài)下，空冷器通風風量為111.46 m3/s、空冷器上端風量為54.03 m3/s、空冷器下端風溝風量為39.79 m3/s，滿載狀態(tài)下發(fā)電機總風量為232.94 m3/s。與電站以往運行情況對比，運行通風狀態(tài)良好，發(fā)電機損耗在正常范圍。

但是，通過查閱運行資料，機組在預防性試驗中的結果顯示，該機組的定子絕緣電阻下降，泄漏電流有明顯增長的趨勢。

3.2發(fā)電機關鍵部件應力檢測與分析

關鍵部件應力檢測主要以推力支架為例。推力支架應力檢測應變片布置在推力支架靠近進人門附近的2個側面，應變片分別標記為SG13、SG14、SG15、SG16，其中SG13、SG14位于靠近進人門位置;SG13、SG15為水平方向，SG14、SG16為豎直方向。

經過檢測，發(fā)現在開、停機過程中，發(fā)電機推力支架各測點應變隨負荷增大的變化微小或不變，因此認為發(fā)電機推力支架、定子、機架等固定部件在機組運行中受力變化不大，受力工作狀態(tài)正常。

3.3發(fā)電機關鍵部件無損探傷檢測與分析

對發(fā)電機主軸及連接螺栓、轉子支架及緊固螺栓、上端軸緊固螺栓、推力軸承、上機架與定子機座等關鍵部件進行超聲波檢測，對推力支架等進行磁粉檢測[16]，均未發(fā)現裂紋或其他類型的超標缺陷。同時，經查閱資料了解到，近年來，水電站在機組缺陷處理時均按規(guī)范要求對發(fā)電機關鍵部件及缺陷部位進行無損探傷檢查，未發(fā)現嚴重缺陷，葛洲壩發(fā)電機關鍵部件無損探傷檢測滿足規(guī)范要求，發(fā)電機施測部件工作狀態(tài)正常。

4結 語

基于現場試驗檢測并結合查閱葛洲壩水電站設計資料、運行日志、維護檢修記錄、技改資料，進行了分析，結果表明：170 MW機組未見嚴重明顯缺陷、裂紋等，施測部件受力工作狀態(tài)正常，水輪發(fā)電機組及其附屬設備總體運行狀態(tài)合格，主要檢測參數指標基本在規(guī)范規(guī)定的合理范圍內。但機組投運已近40 a，經對其運行狀態(tài)進行檢查分析，機組目前的運行狀況不佳，而且存在高水頭下穩(wěn)定運行安全隱患、剛強度偏低、穩(wěn)定性較差、轉輪葉片出現多次貫穿性裂紋、定子絕緣電阻降低、泄露電流增大、絕緣性能逐步下降等不利于機組長期穩(wěn)定運行的問題。為此，提出以下建議。

（1） 盡快對葛洲壩水電站170 MW級機組進行更新改造，以延長機組使用壽命。

（2） 在機組完成改造前，應密切關注機組各項關鍵指標，尤其是部分超過規(guī)范推薦值的指標參數，確保機組的安全穩(wěn)定運行。

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（編輯：趙秋云）

Abstract：There are potential safety hazards in hydropower units which have been in service for a long time or have deviated from the design conditions，so their operational status must be tested and evaluated.Two 170 MW axial-flow hydroelectric generating units in Gezhouba Hydropower Station have been put into operation for nearly 40 years.Due to the limitation of the manufacturing level at that time，the area above 23 m water head was a restricted operation area.Since the operation of the Three Gorges Hydropower Station，the annual operation hours of the two units have increased and they have been operating frequently in the area above 23 m water head.Therefore，it is urgent to test and evaluate the operation status to ensure the safe operation.The units test was divided into two parts： turbine and generator.The adopted methods include comprehensive performance test and key component structure test.The test detection contents for hydraulic turbine included the performance detection of start-stop state，the stability test detection，the stress detection and analysis of key components and the nondestructive detection and analysis of key components.While the contents of generator test included main parameter detection and analysis，generator ventilation test，temperature rise test，stress detection and analysis of key components，nondestructive testing and analysis of key components，etc.By analyzing the test results，combined with the units operation log，maintenance records，technical transformation data，etc.，the operation status and safety stability of the units were evaluated.The results showed that the main detection parameters were basically within the reasonable range of specificatios，but at the same time，the unit also had problems such as low stiffness and strength，poor stability，and attenuated stator insulation resistance.It was proposed that the relevant units should be updated as soon as possible，and the key indicators of the units should be paid close attention to before completing the transformation.

Key words：hydroelectric generating unit;safety stability;test detection;Gezhouba Hydro-power Station