談 泰 權(quán), 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)
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(jī)組(4號機(jī)組)安裝完畢,7月初電站充水試運行,12月初第一臺機(jī)組正式向系統(tǒng)送電。
漁子溪電站機(jī)組是上世紀(jì)70年代初國內(nèi)自行設(shè)計投產(chǎn)的高水頭混流式水輪發(fā)電機(jī)組,受當(dāng)時我國水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計、制造、安裝水平的限制,機(jī)組從投運初期一直小毛病不斷,出現(xiàn)過嚴(yán)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(jī)的可靠運行問題。同時,漁子溪電站4號水輪發(fā)電機(jī)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(yán)重,達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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。
2008年“5·12”汶川特大地震導(dǎo)致漁子溪電站發(fā)生山體透水事故,發(fā)電機(jī)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(jìn)入漁子溪電站廠房,發(fā)電機(jī)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(jī)各部件嚴(yán)重銹蝕?;謴?fù)重建時為盡快恢復(fù)災(zāi)后供電,只采取了清水沖洗及烘干等簡單處理,便逐臺恢復(fù)了機(jī)組發(fā)電。
2.1.1 發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、主軸的安全性分析
發(fā)電機(jī)定子由機(jī)座、鐵芯、定子線圈等組成,在兩次自然災(zāi)害后,定子機(jī)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(jī)設(shè)備的安全隱患。
水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是由發(fā)電機(jī)主軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極等零部件組成,與水輪機(jī)主軸一起組成了水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動部件,轉(zhuǎn)子既具有一般機(jī)械轉(zhuǎn)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(jī)運行時間極長,水輪發(fā)電機(jī)主軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極以及水輪機(jī)主軸等部件的交變應(yīng)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(jī)上、下機(jī)架的安全性分析
發(fā)電機(jī)上機(jī)架為負(fù)荷機(jī)架,要承受整個水輪發(fā)電機(jī)組的重量和軸向水推力,隨著機(jī)組的運轉(zhuǎn),交變應(yīng)力作用到上機(jī)架上,由于長時間運行,上機(jī)架極易產(chǎn)生疲勞破壞。
下機(jī)架雖為非負(fù)荷機(jī)架,但是要承受下導(dǎo)軸承傳遞的交變徑向力,也存在極大的疲勞損壞風(fēng)險。
2.1.3 發(fā)電機(jī)推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承的安全性分析
發(fā)電機(jī)各部軸承的安全性關(guān)系到整個機(jī)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(jī)組事故停機(jī),帶來電量損失,并浪費大量的人力、物力、財力進(jìn)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(fēng)險。若上導(dǎo)甩油、漏油,則會對發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子線圈造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。
由于漁子溪電站4號發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子、上下機(jī)架、推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承以及水輪機(jī)主軸存在以上安全隱患,既影響了機(jī)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(jī)組帶病運行,機(jī)組中修、小修不斷,嚴(yán)重影響電站的發(fā)電效益,且頻繁地裝拆機(jī)組,對水輪發(fā)電機(jī)的各個部件特別是易損部件造成很大影響,將加快機(jī)組的老化,會進(jìn)一步影響機(jī)組的正常運行。
漁子溪電站作為國家三線建設(shè)的重點項目,建成后,為四川省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。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(kuò)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(guān)于吸取俄羅斯薩揚水電站事故教訓(xùn)進(jìn)一步加強(qiáng)水電站安全監(jiān)督管理的意見”規(guī)定“對已存在損傷的設(shè)備部件要加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督,對已老化和不能滿足安全生產(chǎn)要求的設(shè)備部件要及時進(jìn)行更新”[1]及國家電網(wǎng)公司關(guān)于水電站技術(shù)改造有關(guān)規(guī)范和規(guī)定,應(yīng)對漁子溪電站4號水輪發(fā)電機(jī)存在安全隱患的部件進(jìn)行改造、更換。
本次漁子溪電站4號水輪發(fā)電機(jī)部件的技術(shù)改造應(yīng)充分考慮利用原有水輪發(fā)電機(jī)固定部分的設(shè)施,并對改造部分做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。本次改造屬于水輪發(fā)電機(jī)關(guān)鍵零部件的改造,主要是增加設(shè)備運行可靠性,同時,提高設(shè)備的運行效率,延長設(shè)備的檢修周期,最大限度地提高水能利用率。此次改造相當(dāng)于4號機(jī)組的擴(kuò)大性大修,在恢復(fù)原設(shè)備性能基礎(chǔ)上提高其性能,增加設(shè)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(jī)轉(zhuǎn)動部分改造,包括發(fā)電機(jī)主軸、磁軛、磁極等部件改造更換,其中下導(dǎo)軸領(lǐng)與主軸采用整體鍛造方式;
(2)漁子溪電站4號發(fā)電機(jī)定子改造,包括發(fā)電機(jī)定子機(jī)座、鐵芯、定子線圈改造更換;
(3)漁子溪電站4號發(fā)電機(jī)上、下機(jī)架改造更換;
(4)漁子溪電站4號發(fā)電機(jī)推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承改造,增設(shè)油汽分離和回收裝置,并將發(fā)電機(jī)上導(dǎo)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(jī)主軸改造更換。
漁子溪電站4號水輪發(fā)電機(jī)型號為SF40-12/4250,屬于高轉(zhuǎn)速立軸懸式水輪發(fā)電機(jī),其額定轉(zhuǎn)速為500 rpm,飛逸轉(zhuǎn)速為839 rpm。發(fā)電機(jī)總體技術(shù)方案應(yīng)與原發(fā)電機(jī)基本保持一致,只是在發(fā)電機(jī)的細(xì)部結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化,為增加發(fā)電機(jī)定子機(jī)座的剛、強(qiáng)度,定子機(jī)座采用分兩瓣結(jié)構(gòu);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(jī)改造的電磁方案進(jìn)一步優(yōu)化。原發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承設(shè)置在推力軸承下方,本次改造將發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承與推力軸承合一,并將上導(dǎo)軸承置于推力軸承上方。
定子機(jī)座采用分兩瓣結(jié)構(gòu),提高定子的整體剛度、強(qiáng)度。定子機(jī)座為鋼板焊接結(jié)構(gòu),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。
轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動零件都經(jīng)剛度和強(qiáng)度的分析計算,以便能安全地承受最大飛逸轉(zhuǎn)速5 m而不產(chǎn)生任何有害變形,且材料的計算應(yīng)力不超過屈服點的2/3。轉(zhuǎn)子外徑為φ3 360 mm,裝配后總重約88 t。
上機(jī)架為負(fù)荷機(jī)架,不僅要承受來自推力軸承的軸向負(fù)荷,還要承受來自導(dǎo)軸承的徑向負(fù)荷。為鋼板焊接輻射形結(jié)構(gòu),由中心體和若干個支臂組成,支臂為工字型結(jié)構(gòu)。
下機(jī)架為非負(fù)荷機(jī)架,由中心體與若干個輻射的工字型截面支臂組成。下機(jī)架兼作制動器基礎(chǔ)。
推力軸承位于上機(jī)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(jié)構(gòu)。由推力頭鏡板、推力瓦、支柱螺釘和軸承座等組成。
上導(dǎo)軸承布置在上機(jī)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(dǎo)滑轉(zhuǎn)子作為摩擦面,采用分塊巴氏合金瓦,采用抗重螺栓支撐結(jié)構(gòu),且增設(shè)吸油霧裝置。
下導(dǎo)軸承布置在下機(jī)架中心體內(nèi),采用分塊巴氏合金瓦,采用抗重螺栓支撐結(jié)構(gòu),且增設(shè)吸油霧裝置。
漁子溪電站4號機(jī)組水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)主軸聯(lián)軸后,經(jīng)軸線調(diào)整,機(jī)組盤車結(jié)果如表1所示。
表1 機(jī)組盤車數(shù)據(jù)記錄表 單位:0.01 mm
漁子溪電站4號機(jī)組水輪發(fā)電機(jī)改造后采用推力、上導(dǎo)軸承合一的結(jié)構(gòu),上導(dǎo)至鏡板間的距離可忽略不計,機(jī)組轉(zhuǎn)速為500 r/min,機(jī)組各部相對擺度值滿足《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》(GB/T8564-2003)中的要求。其中,上導(dǎo)、下導(dǎo)及法蘭的相對擺度值小于0.02 mm/m,水導(dǎo)相對擺度值小于0.03 mm/m,機(jī)組軸線調(diào)整合格[2]。
漁子溪電站4號水輪發(fā)電機(jī)改造工程施工結(jié)束后,機(jī)組開機(jī)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(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)采用巴氏合金瓦,各部軸承溫度滿足《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)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(jī)組各交接驗收試驗合格,并于2019年6月成功并網(wǎng)運行。
結(jié)合漁子溪電站實際,對4號機(jī)組水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造,將推力外循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)改為內(nèi)循環(huán)
表2 漁子溪電站4號機(jī)組開機(jī)各部振動、擺度、溫度統(tǒng)計表
冷卻結(jié)構(gòu),優(yōu)化了機(jī)組結(jié)構(gòu),且省去了機(jī)組大修后開機(jī)試驗過程中推力冷卻器濾網(wǎng)清掃工作,節(jié)約了開機(jī)試驗時間。除此之外,避免了機(jī)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(jī)組運維工作量。
漁子溪電站4號水輪發(fā)電機(jī)改造后機(jī)組各部振動、擺度、溫度均在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),改造質(zhì)量滿足要求。漁子溪電站4號水輪發(fā)電機(jī)作為映秀灣電廠第一臺改造發(fā)電機(jī),其成功改造為映秀灣電廠另外10臺機(jī)組發(fā)電機(jī)改造提供了寶貴經(jīng)驗,也為國內(nèi)其他相似機(jī)組改造提供了參考。