余慧慶
(浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠,浙江 衢州 324000)
湖南鎮(zhèn)水電站#5機(jī)組是在湖南鎮(zhèn)水電站大壩預(yù)留的5.4 m壓力鋼管基礎(chǔ)上擴(kuò)建而成的。水電站采用壩后全封閉廠房,按“無(wú)人值班、少人值守”設(shè)計(jì)。擴(kuò)建工程于1994年12月28日正式開(kāi)工,1996年10月29日進(jìn)入72h試運(yùn)行,1997年1月29日正式移交浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠。#5機(jī)組由重慶水輪機(jī)廠設(shè)計(jì)制造,水輪機(jī)固定部分及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、大軸等部件由杭州發(fā)電設(shè)備廠分包。
HLD85-LJ-380型水輪機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為:設(shè)計(jì)水頭,80 m;最大水頭,110.7 m;最小水頭,64.9 m;設(shè)計(jì)出力,102.5 MW;額定轉(zhuǎn)速,187.5 r/min;額定流量,140.4 m3/s;轉(zhuǎn)輪直徑,3.8 m;活動(dòng)導(dǎo)葉,24片。
SF100-32/8360型發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為:額定容量,114.25 MV·A;額定功率,100 MW;最大容量,120 MV·A;最大功率,105 MW;定子額定電壓,13.8 kV;定子額定電流,4 782 A;功率因數(shù),0.875(滯后);絕緣等級(jí),B級(jí);冷卻方式,自循環(huán)空氣冷卻。
由于條件限制,湖南鎮(zhèn)水電站#5機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)套用某電站轉(zhuǎn)輪,設(shè)計(jì)水頭為80 m,電站實(shí)際運(yùn)行水頭大多在90 m以上,機(jī)組額定輸出時(shí)的導(dǎo)葉開(kāi)度為60%~80%。在運(yùn)行過(guò)程中主要存在4個(gè)方面的問(wèn)題。
(1)轉(zhuǎn)輪裂紋。1996年機(jī)組投運(yùn)初期,發(fā)現(xiàn)尾水管壓力脈動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo),2000年小修時(shí),發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪有3條裂紋。每次檢修發(fā)現(xiàn)都有轉(zhuǎn)輪裂紋,經(jīng)過(guò)多次檢修與處理,轉(zhuǎn)輪裂紋未得到徹底消除。2006年10月,在#5機(jī)組中修時(shí)發(fā)現(xiàn)了更多的轉(zhuǎn)輪葉片裂紋,主要有:#1葉片裂紋長(zhǎng)度為170 mm;#4葉片裂紋長(zhǎng)度為300 mm;#5葉片裂紋長(zhǎng)度為350 mm;#6葉片裂紋長(zhǎng)度為400 mm;#7葉片裂紋長(zhǎng)度為200 mm;#12葉片裂紋長(zhǎng)度為400 mm;#13葉片裂紋長(zhǎng)度為300 mm。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪由于長(zhǎng)期運(yùn)行條件惡化和材料疲勞,近年來(lái)裂紋不斷擴(kuò)大且出現(xiàn)一定空蝕,停機(jī)修補(bǔ)頻繁,嚴(yán)重影響了電廠的安全運(yùn)行。因此,轉(zhuǎn)輪亟需更換。
(2)機(jī)組各部的振動(dòng)、擺度。機(jī)組的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1,即使機(jī)組在部分負(fù)荷或者在尾水管壓力脈動(dòng)作用下運(yùn)行,機(jī)組各部的振動(dòng)、擺度仍在正常范圍內(nèi)。
表1 機(jī)組振動(dòng)測(cè)量記錄 mm
(3)短管補(bǔ)氣的補(bǔ)氣量明顯減少。機(jī)組投運(yùn)初期,短管補(bǔ)氣進(jìn)口有明顯的補(bǔ)氣聲,后來(lái)逐漸消失。補(bǔ)氣短管加固后,運(yùn)行初期有較響的補(bǔ)氣聲,后來(lái)也變小了。以上情況說(shuō)明,短管補(bǔ)氣對(duì)消除尾水管壓力脈動(dòng)能起到一定作用。隨著補(bǔ)氣管的損壞,補(bǔ)氣量明顯減少。
(4)壓力脈動(dòng)情況。水輪機(jī)在較大水頭運(yùn)行時(shí),特別是在高水頭小開(kāi)度運(yùn)行時(shí),尾水管內(nèi)水壓脈動(dòng)劇烈,伴有渦帶破裂時(shí)的“放炮聲”。尾水管進(jìn)口真空壓力表指針在0.1 MPa以上擺動(dòng)。1999年7月,浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠委托河海大學(xué)對(duì)該廠湖南鎮(zhèn)水電站#5機(jī)組進(jìn)行了機(jī)組振動(dòng)測(cè)試,對(duì)尾水管壓力脈動(dòng)進(jìn)行定量測(cè)定記錄,具體結(jié)果見(jiàn)表2。尾水管壓力脈動(dòng)的主頻率為0.75 Hz,正好是機(jī)組轉(zhuǎn)頻的1/4。由表2可知,水輪機(jī)較高水頭輸出功率在80MW以下時(shí),壓力脈動(dòng)振幅均較大,開(kāi)度越小,幅度越大。1997年機(jī)組小修時(shí),檢修人員發(fā)現(xiàn)尾水管補(bǔ)氣短管全部折斷,1998年小修時(shí),檢修人員發(fā)現(xiàn)3根補(bǔ)氣管再次折斷,1999年10月小修時(shí),檢修人員又發(fā)現(xiàn)2根補(bǔ)氣管再次折斷,尾水管壁有一處裂縫。
2005年9月24日,發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子129槽至130槽之間的鐵芯下端部第1段有松動(dòng)現(xiàn)象,出現(xiàn)一片斷裂區(qū)域,斷裂的硅鋼片形狀為不規(guī)則狀,邊緣比較光滑,面積約1.8cm2。此斷裂的硅鋼片將A相第130槽上層線棒絕緣割破,引起線棒對(duì)鐵芯接地。對(duì)定子做全面仔細(xì)檢查,定子鐵芯下端部第1段與129槽至130槽的相同部位,有松動(dòng)現(xiàn)象的有28處。
2006年10月16日,湖南鎮(zhèn)水電站#5發(fā)電機(jī)組停役小修和預(yù)試,在進(jìn)行定子繞組泄漏電流和直流耐壓試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)定子A相繞組第208槽、C相繞組第209槽線棒絕緣不合格。轉(zhuǎn)子吊出后,檢查發(fā)現(xiàn)定子鐵芯及繞組存在嚴(yán)重缺陷。
對(duì)鐵芯硅鋼片松動(dòng)原因進(jìn)行了分析,筆者初步認(rèn)為有以下4個(gè)方面的問(wèn)題:
(1)發(fā)電機(jī)定子鐵芯存在先天不足,鐵芯下端部硅鋼片沒(méi)有粘合成整體或粘合質(zhì)量差,經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行中振動(dòng)的影響,下端部硅鋼片之間松動(dòng)、摩擦,破壞硅鋼片的絕緣層。
(2)發(fā)電機(jī)定子鐵芯在裝配時(shí)就存有缺陷,對(duì)28處鐵芯松動(dòng)進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)所有松動(dòng)的鐵芯兩邊與線棒之間存在較大的間隙,鐵芯生銹現(xiàn)象嚴(yán)重。#5機(jī)組廠房是封閉式廠房,環(huán)境相對(duì)潮濕,加劇了鐵芯的生銹。
(3)由于機(jī)組要承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰和守口子的任務(wù),機(jī)組啟、停特別頻繁,根據(jù)近幾年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析,機(jī)組每年平均開(kāi)機(jī)次數(shù)達(dá)1500多次。在啟、停機(jī)過(guò)程中,機(jī)組振動(dòng)最大,加快了硅鋼片松動(dòng)、腐蝕和斷裂的速度。
(4)#5機(jī)組在AGC運(yùn)行方式下,調(diào)節(jié)頻繁,暫態(tài)過(guò)程多,有時(shí)甚至?xí)谡駝?dòng)嚴(yán)重的工況點(diǎn)運(yùn)行,致使鐵芯松動(dòng)程度加劇。
對(duì)于鐵芯下端部分硅鋼片松動(dòng)及片間絕緣腐蝕缺陷而言,現(xiàn)場(chǎng)處理方法是將各硅鋼片間的銹蝕用酒精布擦干凈,用熱風(fēng)吹干后,在每片硅鋼片間涂上環(huán)氧樹(shù)脂固化,修后各端齒固定可靠。
浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠根據(jù)湖南鎮(zhèn)水電站#5機(jī)組存在的問(wèn)題,開(kāi)展了一系列測(cè)試和論證工作。1999年,由河海大學(xué)完成機(jī)組振動(dòng)測(cè)試;2000年,由哈爾濱大電機(jī)研究所完成《湖南鎮(zhèn)水電站#5機(jī)組減振增容改造論證報(bào)告》,主要論證點(diǎn)如下:
(1)水輪機(jī)參數(shù)核算。
1)水輪機(jī)功率。增容后,機(jī)組額定功率為125 MW,發(fā)電機(jī)效率按97%計(jì)算,水輪機(jī)額定功率為128.8MW。額定水頭由80.0m 提高到95.3m,轉(zhuǎn)速為72.99 r/min,流量約 1 056 L/s,小于限制工況的流量。
2)水輪機(jī)流量。經(jīng)計(jì)算,增容后水輪機(jī)額定流量為148.4 m3/s,小于壓力鋼管設(shè)計(jì)最大引用流量160 m3/s。
3)空化安全余量。改造前,在額定功率及額定水頭工況下,裝置空化系數(shù)σp對(duì)應(yīng)額定工況模型空化系數(shù)σM,其比值為1.40。改造后,在額定水頭和額定功率工況下,其比值為1.38,同改造前相當(dāng);在最大水頭、額定功率工況下,其比值為1.32,空化安全余量較大。
4)導(dǎo)葉開(kāi)口。改造前,導(dǎo)葉在額定水頭Hr=80 m,水輪機(jī)功率Pr=102.5 MW時(shí),導(dǎo)葉的開(kāi)口最大,對(duì)應(yīng)模型開(kāi)口為25.0 mm;改造后,導(dǎo)葉在額定水頭Hr=95.3 m,水輪機(jī)功率Pr=128.8 MW 時(shí),對(duì)應(yīng)模型開(kāi)口為23.6 mm,小于25.0 mm。因此,改造后導(dǎo)葉開(kāi)口不需增大。
表2 壓力脈動(dòng)檢測(cè)記錄
(2)水輪機(jī)部件和輔助設(shè)備核算。
2)調(diào)速器。調(diào)速器主配直徑為0.1 m,導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間7 s,計(jì)算油流速3.285 m/s,油流速一般允許4~8 m/s,調(diào)速器容量合適,不用更換。
3)油壓裝置。壓力油罐容器為4 m3,是導(dǎo)葉接力器容積的22.1倍,超過(guò)一般要求(18~20倍),不用更換。
4)調(diào)保計(jì)算。蝸殼前引水管路長(zhǎng)度與速度的乘積(LTvT)不大于1588 m2/s,機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在導(dǎo)葉關(guān)閉有效時(shí)間為7s的情況下,計(jì)算得出機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)最大速率上升45%,蝸殼內(nèi)最大壓力不超過(guò)1550 kPa,滿足要求。
(3)結(jié)構(gòu)論證。
1)主軸強(qiáng)度核算。主軸采用45號(hào)鋼整體鍛造,中空結(jié)構(gòu),下端法蘭與轉(zhuǎn)輪的聯(lián)接采用鍵傳遞扭矩,上端法蘭與發(fā)電機(jī)軸采用銷子螺釘聯(lián)接。計(jì)算得出:主軸剪應(yīng)力為31.500 MPa,拉伸應(yīng)力為7.374 MPa,綜合應(yīng)力為34.000 MPa,主軸強(qiáng)度滿足要求。
2)水輪機(jī)軸與發(fā)電機(jī)聯(lián)接螺釘強(qiáng)度核算。螺釘材料為35CrMo鍛鋼,屈服極限為750.000 MPa,許用剪切應(yīng)力為144.34 MPa。計(jì)算得出,螺釘剪切應(yīng)力為57.27 MPa,螺釘滿足要求。
2)從行業(yè)分布來(lái)看,以戶外運(yùn)動(dòng)為主。由于戶外運(yùn)動(dòng)參與人數(shù)眾多,消費(fèi)群體廣,像足球、滑雪、自行車(chē)等有著充足的參與力量,使戶外運(yùn)動(dòng)在小鎮(zhèn)建設(shè)中有良好的資源基礎(chǔ);
3)轉(zhuǎn)輪與主軸鍵傳遞扭矩強(qiáng)度核算。鍵材料為45號(hào)鋼,屈服強(qiáng)度為355.000MPa,許用剪切應(yīng)力為68.300 MPa,許用擠壓應(yīng)力為201.17 MPa。計(jì)算得出,鍵受剪應(yīng)力為 57.900 MPa,擠壓應(yīng)力為123.300 MPa,鍵滿足要求。
4)軸中心補(bǔ)氣。哈爾濱大電機(jī)研究所的論證認(rèn)為,根據(jù)湖南鎮(zhèn)水電站#5機(jī)組的主軸情況,選擇直徑350 mm的補(bǔ)氣管和補(bǔ)氣閥是可行的。
5)頂蓋剛度、強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)頂蓋法蘭支反力及頂蓋上的徑向力矩、截面最大切向應(yīng)力、過(guò)流面鋼板應(yīng)力、法蘭強(qiáng)度、頂蓋剛度在各種工況(正常工況、緊急停機(jī)、止漏環(huán)破壞)下進(jìn)行核算;對(duì)頂蓋座環(huán)螺桿應(yīng)力進(jìn)行核算;計(jì)算得出,頂蓋強(qiáng)度滿足要求,剛度稍差。
6)尾水錐管。重新安置新的不銹鋼板尾水錐管。
7)尾水進(jìn)入門(mén)。尾水進(jìn)入門(mén),焊加強(qiáng)肋板進(jìn)行加固。
2003年,浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠委托東方電機(jī)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱東電)開(kāi)發(fā)了適用于#5機(jī)組改造的新轉(zhuǎn)輪,東電通過(guò)CFD流體分析和多次優(yōu)化,設(shè)計(jì)了D378和D385 2個(gè)轉(zhuǎn)輪,并在DF-28水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了能量、空化、飛逸和壓力脈動(dòng)等模型試驗(yàn)。
2007年,華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院完成《湖南鎮(zhèn)水電站#5機(jī)組減振增容改造可行性論證報(bào)告》。經(jīng)過(guò)對(duì)湖南鎮(zhèn)#5機(jī)組增容改造后的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪特性參數(shù)選擇和穩(wěn)定性分析,在機(jī)組以120 MW額定功率輸出的條件下,對(duì)機(jī)組各結(jié)構(gòu)件剛度和強(qiáng)度(增加導(dǎo)葉剛強(qiáng)度、定子、轉(zhuǎn)子、下機(jī)架剛強(qiáng)度論證)、調(diào)速系統(tǒng)工作容量、輔助系統(tǒng)設(shè)備(技術(shù)供水系統(tǒng)、空冷器)容量、出口母線熱穩(wěn)定性、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、機(jī)組保護(hù)等結(jié)構(gòu)和部件進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算和評(píng)估分析,華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的論證結(jié)果認(rèn)為,#5水輪發(fā)電機(jī)組在提高額定水頭到93 m,保持流道基本不變的條件下,通過(guò)改造轉(zhuǎn)輪、大軸補(bǔ)氣裝置、定子和空冷器等部件,機(jī)組額定輸出功率可增大至120 MW,機(jī)組在相應(yīng)額定工況下均可安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
2009年,結(jié)合機(jī)組大修對(duì)#5機(jī)組進(jìn)行了增容改造。主要進(jìn)行了轉(zhuǎn)輪更新、頂蓋及底環(huán)止漏環(huán)改造、尾水管改造、補(bǔ)氣裝置改造和定子改造等項(xiàng)目。
(1)轉(zhuǎn)輪更新。型號(hào)為HLD385-LJ-390新轉(zhuǎn)輪由東電設(shè)計(jì)制造,主要參數(shù)如下:最大水頭,110.7 m;額定水頭,93.0 m;最小水頭,64.9 m;額定功率,122.45 MW;轉(zhuǎn)輪葉片數(shù),13 片;額定轉(zhuǎn)速,187.5 r/min;飛逸轉(zhuǎn)速,<373 r/min;額定流量,143.04 m3/s;額定效率,94.03%;活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù),24片。新轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為ZG0Cr13Ni5Mo,轉(zhuǎn)輪葉片采用VOD精練成型,數(shù)控加工,在轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)直接加工止漏環(huán),提高了轉(zhuǎn)輪整體性能和質(zhì)量。采用“X”葉片,轉(zhuǎn)輪出口下移,轉(zhuǎn)輪不設(shè)泄水錐,能量指標(biāo)和回收性能優(yōu)異。
(2)底環(huán)及頂蓋止漏環(huán)改造。它與新轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)配套,對(duì)頂蓋、底環(huán)止漏環(huán)重新加工。其中,將原有底環(huán)車(chē)去一部分,重新鑲套新止漏環(huán)。兩者與新轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)單邊間隙均為3 mm左右。
(3)尾水管改造。它為與新轉(zhuǎn)輪配套,總體改造分3段,直立基礎(chǔ)環(huán)和2段斜尾水管,將原尾水錐進(jìn)口段110 mm高度不銹鋼割除,對(duì)混凝土進(jìn)行修鑿,焊接4瓣基礎(chǔ)環(huán),內(nèi)圓增大到? 4270 mm。原填充環(huán)下移85 mm,與新填充環(huán)焊接一體的10塊20 mm厚斜不銹鋼尾水管上部與基礎(chǔ)環(huán)焊接,下端與12 mm厚過(guò)渡段斜不銹鋼新里襯焊接,焊接后新填充環(huán)法蘭內(nèi)徑? 4094 mm。
(4)補(bǔ)氣裝置改造。原大軸中心補(bǔ)氣由8個(gè)法蘭盤(pán)(? 50 mm)的小補(bǔ)閥補(bǔ)氣,改造后在機(jī)組軸端安裝? 250 mm補(bǔ)氣球閥,外接管路從廠外補(bǔ)氣,大大地增強(qiáng)了補(bǔ)氣量,同時(shí)減輕了廠房?jī)?nèi)補(bǔ)氣產(chǎn)生的噪音。中心補(bǔ)氣裝置分3段,分上、中、下補(bǔ)氣管,分別與機(jī)組上軸、轉(zhuǎn)子、下軸各聯(lián)接法蘭盤(pán)平齊,由? 273 mm×10 mm補(bǔ)氣管、聯(lián)接法蘭盤(pán)、250自由浮動(dòng)式中心孔補(bǔ)氣閥等部件組成。
(5)定子改造。型號(hào)為SF120-32/8360新定子由東電設(shè)計(jì)制造,主要參數(shù)如下:額定功率,120 MW;額定容量,133.33 MV·A;額定電壓,13.8 kV;額定功率因數(shù),0.9;額定轉(zhuǎn)速,187.5 r/min;定子絕緣等級(jí),F(xiàn);定子繞組溫升,59.5 K;定子鐵芯溫升,59.5 K;發(fā)電機(jī)效率,98.43%。
(1)效率試驗(yàn)。實(shí)測(cè)效率值與理論計(jì)算得出的效率值規(guī)律是一致的。改造后,水輪機(jī)效率比改造前有明顯提高。在平均水頭為92.92 m時(shí),改造后的水輪機(jī)最高效率達(dá)95.78%。
(2)穩(wěn)定性試驗(yàn)。振動(dòng)及噪聲穩(wěn)定性試驗(yàn)見(jiàn)表3,試驗(yàn)結(jié)果表明,其穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求;擺度穩(wěn)定性試驗(yàn)見(jiàn)表4,試驗(yàn)結(jié)果表明,其穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求。
表3 振動(dòng)穩(wěn)定性試驗(yàn) μm
表4 擺度穩(wěn)定性試驗(yàn) μm
(3)噪聲及壓力脈動(dòng)。從機(jī)組發(fā)電機(jī)層、蝸殼及吸出管處最大噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄可知,發(fā)電機(jī)層噪聲最小,吸出管處噪聲最大;在4種不同運(yùn)行方式下,同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的噪聲變化不大;發(fā)電機(jī)層最大噪聲為97.4 dB,蝸殼最大噪聲為104.8 dB,吸出管處最大噪聲為113.5 dB。尾水管在各工況下,基本無(wú)脈動(dòng)現(xiàn)象。
(4)調(diào)保負(fù)荷試驗(yàn)。甩負(fù)荷試驗(yàn)(100 MW)導(dǎo)葉開(kāi)度為67%,轉(zhuǎn)速上升率為17.96%,水壓上升率為38.8%。各部擺度、振動(dòng)、間隙、溫度均正常。
(5)溫升試驗(yàn)。2010年11月,#5機(jī)組在#3主變壓器改造完成情況下,進(jìn)行了72 h溫升試驗(yàn),在功率為120 MW的工況下,溫升試驗(yàn)結(jié)果如下:鐵芯溫度最高75.3℃,最低60.6℃;線圈溫度最高81.1℃,最低61.0℃;熱風(fēng)溫度平均54.0℃,冷風(fēng)溫度平均35.5℃;推力軸瓦平均溫度38.70℃,上導(dǎo)軸瓦平均溫度39.58℃,水導(dǎo)軸瓦平均溫度40.96℃。
(6)空蝕狀況檢查。截至2010年11月底,電廠技術(shù)人員對(duì)轉(zhuǎn)輪體、葉片正背面進(jìn)行了3次檢查,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)空蝕,可初步認(rèn)定改造后轉(zhuǎn)輪空化性能得到了改善。
18個(gè)月的運(yùn)行實(shí)踐結(jié)果表明,湖南鎮(zhèn)水電站#5機(jī)組減振與增容技術(shù)改造是成功的,機(jī)組穩(wěn)定性、效率、出力等達(dá)到了增容改造的預(yù)期目的。#5機(jī)組的減振增容改造,為烏溪江水力發(fā)電廠實(shí)施其他同類型機(jī)組的增容改造工作積累了成功的經(jīng)驗(yàn),同時(shí),也提出了新的課題。湖南鎮(zhèn)水電站機(jī)組投入AGC運(yùn)行,對(duì)設(shè)備安全、可靠運(yùn)行影響極大,對(duì)轉(zhuǎn)輪的水力穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度、補(bǔ)氣效果、AGC運(yùn)行出力調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)頻率及機(jī)組頻繁啟/停機(jī)造成的影響等問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。只有全面掌握機(jī)組的運(yùn)行特性,才能保證減振增容改造后的機(jī)組安全、可靠運(yùn)行,從而產(chǎn)生更大的效益。