湖南五凌電力科技有限公司 時志能 五凌電力有限公司 張 勛 姚佳軒

引言

新中國成立以來典型年份/水電裝機容量（萬千瓦）如下：1949/16、1978/1728、1990/3604、1995/5283、2000/7935、2005/11739、2010/21340、2015/31954、2020/37000、2021/39100。隨著水電機組運行時間的推移，尤其是1990年以前投運的電站，盡管其輔助設備日益更新（含勵磁、調(diào)速、監(jiān)控、保護、油氣水系統(tǒng)等），但機組主要設備的運行狀況不斷惡化，關鍵結(jié)構部件逐漸進入疲勞期。受發(fā)電企業(yè)設備使用情況及技改資金安排的限制，大部分機械部件采取設備修復或局部適應性改造等措施，并未涉及整體性的更換，機組運行故障率逐年升高，主設備的檢修周期逐漸縮短，歷年投入的技改資金逐漸增加，設備改造或狀態(tài)評價逐漸成為發(fā)電企業(yè)的日常管理。

根據(jù)GB/T 15468、GB/T 21718等規(guī)范的要求，水輪機依據(jù)容量大小，其設計壽命不少于25～40年，水輪發(fā)電機則暫未發(fā)布相關規(guī)定。2016年國家能源局下發(fā)國能資質(zhì)[2016]351號通知，明確規(guī)定發(fā)電機組運行達到設計使用年限的，應當向所在地派出能源監(jiān)管機構申請退役，不得繼續(xù)并網(wǎng)發(fā)電。到期未申請退役的，由派出能源監(jiān)管機構進行公示并依法注銷許可，首次從國家政策層面對水電機組達到設計使用年限后的并網(wǎng)條件進行了規(guī)定。為避免早期投運水電機組退網(wǎng)，水電機組主設備的超期服役問題日益凸顯，且隨著主要機械設備的疲勞使用，也逐漸成為限制水力發(fā)電企業(yè)發(fā)展、影響企業(yè)安全運營的重要因素之一。

1 評估方法

水輪發(fā)電機組的延壽評估是一項復雜的系統(tǒng)性工程[1]，涉及的專業(yè)面廣，然而針對水電機組超期服役問題，目前尚未發(fā)布相關的標準或規(guī)程，主要是參照《火電機組壽命評估技術導則》以及相關方法進行評估，分為現(xiàn)場檢查、綜合評估，必要時進行部件的專項檢測。評估對象包括水輪機、發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、主變壓器、繼電保護、直流系統(tǒng)、水工建筑物等，根據(jù)發(fā)電企業(yè)在機組運行過程中開展的設備狀態(tài)評估、預防性試驗、性能測試、日常運行及維護記錄、機組檢修頻次及范圍、專業(yè)機構出具的鑒定報告等資料，對機組運行的經(jīng)濟性、安全可靠性、設備缺陷等進行分析，達到對機組安全穩(wěn)定運行全面評估的目標，并提出延壽改造建議，為機組超期服役是否具備條件提供科學依據(jù)（圖1）。

圖1 延壽評估流程示意圖

1.1 現(xiàn)場檢查

現(xiàn)場檢查是對主要機電設備的運行狀況進行檢查[2-4]，重點對消缺記錄、故障頻發(fā)部件及缺陷程度、主要的性能指標是否發(fā)生重大變化等資料進行分析，同步開展缺陷危害程度分析。針對未更換的主機機械設備（含蝸殼或管型座、配水環(huán)管、導水機構、轉(zhuǎn)輪室、尾水管、轉(zhuǎn)輪、上下機架、頂蓋、支持蓋、主軸及聯(lián)軸螺栓、轉(zhuǎn)子中心體、定子基座、推力軸承及導軸承等），檢查其是否存在明顯缺陷，焊縫部件的焊縫是否完整，是否存在明顯的銹跡及裂紋，過流部件還應檢查空蝕和空化的程度；電氣設備主要檢查預防性試驗、性能測試等的結(jié)果，從而表明機組各主要部件處于可利用的運行狀態(tài)。

1.2 運行狀態(tài)評價

運行狀態(tài)評價主要結(jié)合水輪發(fā)電機組及其輔助設備進行，內(nèi)容包括：

水輪機：結(jié)合機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)或穩(wěn)定性試驗、甩負荷、黑啟動、導葉漏水量等數(shù)據(jù)，對水輪機的運行狀態(tài)進行評價，判定各指標是否符合相關國標或行標要求，機組出力是否達到或接近原設計要求。部分重要金屬結(jié)構件還應結(jié)合數(shù)值仿真模擬結(jié)果進行評價[5]，若缺少機組振動、擺度數(shù)據(jù)，則主要依據(jù)軸承瓦溫進行評價；發(fā)電機、主變壓器：通過分析對比出廠數(shù)據(jù)、交接試驗數(shù)據(jù)、大修后試驗數(shù)據(jù)和近年的日常巡檢資料，包括負荷、電壓、電流、各部位溫度等的變化曲線圖和預防性試驗數(shù)據(jù)對絕緣性能進行評價，發(fā)電機還應結(jié)合關鍵結(jié)構部件的裂紋檢測進行評價。

電氣一次設備：結(jié)合預防性試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)電氣一次設備數(shù)據(jù)是否合格、運行是否穩(wěn)定、日常檢修維護是否正常等，對一次設備進行評價；電氣二次設備：結(jié)合保護設備周期定檢、保護動作正確率及投入率數(shù)據(jù)、直流系統(tǒng)定期充放電及其電壓、電流測量等內(nèi)容對二次設備進行評價；水工建筑物：根據(jù)國家能源局派出機構按照《水電站大壩安全定期檢查辦法》的規(guī)定，檢查專項復核報告，依據(jù)復核結(jié)果評價是否滿足設計要求，輸水系統(tǒng)應結(jié)合混凝土結(jié)構是否損壞、壓力鋼管應結(jié)合應力測試及數(shù)值仿真、管壁測厚趨勢變化等進行評價；其他：特種設備主要根據(jù)國家相應檢測機構出具的鑒定結(jié)果進行評價，廠區(qū)內(nèi)的油氣水管路應結(jié)合定期的管壁測厚結(jié)果進行評價。

2 延壽評估及檢測建議

水輪發(fā)電機組及輔助設備的延壽運行，根據(jù)機組及輔助設備是否改造及改造程度可以分為未改造、局部改造、整體改造三類（表1）。依據(jù)相關標準要求，水輪發(fā)電機組的輔助設備（如勵磁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、繼保等）一般的更換周期為12年，由于此類設備更換周期短、資金占用量較少，發(fā)電企業(yè)均能按照規(guī)定使用壽命進行更換。若主設備未發(fā)現(xiàn)重大缺陷、裂紋或外部運行條件未發(fā)現(xiàn)重大變更，機組的主要機械設備通常采取常規(guī)性檢修或局部更換部件，對其性能予以修復或保持，主要檢測參數(shù)滿足相關部件的規(guī)范要求，則判定機組滿足持續(xù)安全穩(wěn)定運行條件。

表1 機組基本參數(shù)及主要機械結(jié)構評價內(nèi)容

2.1 未改造機組

某機組結(jié)構型式為軸流轉(zhuǎn)槳式，額定容量為57.2MW，投運至今已安全運行56年，除機組例行檢修更換部分易損件外，水輪機和發(fā)電機主要結(jié)構部件均未更換。因歷次的轉(zhuǎn)輪葉片空蝕修復，破壞了水輪機的原設計翼型，機組出力略微下降；各主要機械部件經(jīng)無損檢測后未發(fā)現(xiàn)貫穿性結(jié)構裂紋；發(fā)電機因絕緣老化絕緣性能呈現(xiàn)衰減趨勢，但仍滿足原設計要求；機組主要測點的振動和擺度值、壓力脈動在部分負荷工況存在超標現(xiàn)象，發(fā)電企業(yè)采取避振運行的方式予以限制。綜合機組歷年檢修記錄、日常維護記錄及性能測試結(jié)果，該類機組可根據(jù)運行情況定期（如兩年）向電力監(jiān)管機構提交延壽評估資料，或?qū)C組延壽周期持續(xù)至下一次機組大修。

2.2 局部改造機組

某機組結(jié)構型式為燈泡貫流式，額定容量為32MW，投運至局部改造前已安全運行22年，受設備引進吸收及梯級電站建設影響，水輪機存在低水頭無法運行、額定水頭無法達到額定出力、穩(wěn)定運行區(qū)間狹窄等難題，為徹底解決上述頑疾，2021年對水輪機轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪室、主軸密封進行了更換。通過采取局部改造措施，實現(xiàn)了機組超低水頭運行、額定水頭達到額定出力、穩(wěn)定運行區(qū)間滿足設計的35～100%額定容量要求，機組汛期低水頭段的發(fā)電量得到有效提升。

發(fā)電機則采取擴大性A 修、更換定子線棒等措施，修復或提升了發(fā)電機的絕緣性能。綜合分析水輪機和發(fā)電機的運行狀態(tài)，該類機組可按照水輪機、發(fā)電機分別向電力監(jiān)管機構提供兩大設備的延壽周期，其中已經(jīng)改造的設備（水輪機）可根據(jù)新設備使用年限予以延壽，未改造的設備可根據(jù)運行情況定期向電力監(jiān)管機構提交延壽評估資料，或?qū)⑵溲訅壑芷诔掷m(xù)至下一次機組大修。

2.3 整體改造機組

某機組結(jié)構型式為臥式混流式，原設計額定容量為6MW，投運至改造前已安全運行50年，依托水利部對農(nóng)村小水電改造的補貼政策，除尾水管的部分預埋段無法更換外，2020年對轉(zhuǎn)輪、導水機構、定子、轉(zhuǎn)子、主軸、軸承系統(tǒng)進行了整體改造。通過整體改造，機組加權平均效率提升4%以上、額定容量提升至6.6MW，徹底解決了水輪機的空蝕和裂紋、發(fā)電機絕緣問題，年設計發(fā)電量增加5%以上。結(jié)合機組目前的運行狀態(tài)，機組主要振動和擺度測點峰峰值、軸承瓦溫等指標滿足相關標準要求，綜合出力明顯提升，該類機組可按照新安裝設備的設計壽命向電力監(jiān)管機構提供延壽建議。

3 結(jié)語

隨著國家能源監(jiān)管機構對水電機組超期服役的日益重視，發(fā)電企業(yè)應加強設備的日常管理，定期對主要機械設備進行狀態(tài)評價、對機組控制類系統(tǒng)進行性能測試；此外應建立過流部件、轉(zhuǎn)輪、主軸、發(fā)電機機架、軸承系統(tǒng)、定子和轉(zhuǎn)子絕緣的動態(tài)監(jiān)測臺賬，根據(jù)設備性能劣化的趨勢合理安排相應的技改計劃及資金，及時有序地推進超期服役機組設備的局部改造整體改造，必要時可結(jié)合電廠外部環(huán)境及原流道的設計裕度進行增容改造，從而達到徹底解決機組運行或設計缺陷目的，確保機組安全穩(wěn)定運行。