超期服役水輪發(fā)電機組安全評估與延壽運行分析

章勛 胡定輝 桂紹波 鄭濤平 田子勤

摘要： 超期服役水輪發(fā)電機組繼續(xù)穩(wěn)定運行可能存在安全隱患，必須對其進行安全評估。以葛洲壩水電站為例，對超期服役的水輪發(fā)電機組開展了安全評估工作。結(jié)果表明：① 通過分析現(xiàn)有超期服役水輪發(fā)電機組運行的基本情況，提出了開展安全評估的工作范圍、方法和準(zhǔn)則;② 通過采取現(xiàn)場外觀檢查評估、試驗檢測、數(shù)值計算（關(guān)鍵部件剛強度分析與疲勞強度計算）和綜合評估的方法，對水輪發(fā)電機組的現(xiàn)狀、性能等指標(biāo)進行檢測和分析，根據(jù)分析結(jié)果，可以評估出超期服役水輪發(fā)電機組的剩余壽命，在此基礎(chǔ)上，可以給出相關(guān)的改造建議和改造方案。研究成果可為類似電站水輪發(fā)電機組的安全評估提供借鑒。

關(guān) 鍵 詞： 水輪發(fā)電機組; 超期服役; 安全評估; 壽命預(yù)測; 葛洲壩水電站

中圖法分類號： ?TV734.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.035

0 引 言

水輪發(fā)電機組的壽命評估是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，發(fā)電機、水輪機等大型設(shè)備歷經(jīng)數(shù)萬小時的運行，實際上就是長期的熱處理或者高強度的負(fù)荷試驗;材料老化、疲勞破壞、絕緣介質(zhì)損耗、局部放電量增大等問題是高溫、高壓、脈動壓力長期作用的必然結(jié)果[1-3]。尤其是對于部分超期服役的水輪發(fā)電機組而言，老化問題日益突出，隨意延長壽命運行依據(jù)不足，風(fēng)險性很大。因此，如何科學(xué)地評估超期服役水輪發(fā)電機組的剩余壽命，保證超期服役水輪發(fā)電機組設(shè)備的繼續(xù)安全運行是一個亟待解決的關(guān)鍵問題[4-5]?，F(xiàn)階段，針對火電機組，有較多關(guān)于機組安全評估的規(guī)范及文獻(xiàn)，針對機組重要部件，有著較為詳細(xì)的疲勞損傷機制和疲勞壽命計算方法的介紹[6-8];而關(guān)于水輪發(fā)電機組安全評估與延壽運行領(lǐng)域，尚沒有明確的技術(shù)規(guī)范和相關(guān)導(dǎo)則。本文以葛洲壩水電站為例，參照火電機組延壽評估方法[9]，在超期服役水輪發(fā)電機組安全評估與延壽運行領(lǐng)域開展一些探索。

1 水輪發(fā)電機組運行現(xiàn)狀

葛洲壩水電站共裝設(shè)有2臺170 MW機組和19臺125 MW機組，自投產(chǎn)以來，水輪發(fā)電機組及其電氣、機械附屬設(shè)備已連續(xù)運行了30多年，年運行小時數(shù)均在6 000 h以上，基本上已經(jīng)到了設(shè)備設(shè)計壽命期。因此，按照國家規(guī)定，必須進行相應(yīng)的超期服役延壽運行方面的安全評估。

葛洲壩水電站170 MW機組連續(xù)運行時間較長，機組至今未進行相關(guān)改造，而且距上次大修時間已隔10余年，機組部件明顯老化[10]。同時，由于170 MW機組當(dāng)時為試驗性機組，在最大水頭27 m附近為限制運行區(qū)，機組運行存在高水頭運行風(fēng)險、振動值超標(biāo)、葉片裂紋及磨蝕、轉(zhuǎn)輪室磨蝕和裂紋、發(fā)電機定子絕緣性能下降等隱患。

葛洲壩水電站125 MW機組隨著運行年限的增加，存在著設(shè)備老化、效益降低等現(xiàn)象。其中，15臺機組的發(fā)電機和19臺機組的水輪機近期已完成了增容改造，而且保持著良好的滾動檢修狀態(tài)。改造工程完成后，機組的主要參數(shù)滿足設(shè)計和規(guī)范要求，機組運行穩(wěn)定，空化性能、熱穩(wěn)定性能、能量性能等均良好，各項性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期目的和要求[11-12]。

2 安全評估方法和準(zhǔn)則

目前水電行業(yè)內(nèi)，尚沒有明確的機組超期運行安全評估技術(shù)方面的要求。根據(jù)水輪發(fā)電機組的特點，以及根據(jù)對水輪發(fā)電機組風(fēng)險源進行的分析，水輪發(fā)電機組安全及壽命評估主要是對水輪發(fā)電機組的重要關(guān)鍵部件及設(shè)備進行評估檢測。其中，水輪機的評估部件包括轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、導(dǎo)軸承、大軸、蝸殼、尾水管、調(diào)速系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)部件及其預(yù)埋部件;發(fā)電機的評估部件包括定子、轉(zhuǎn)子、推力軸承、導(dǎo)軸承、大軸和勵磁系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)部件及其預(yù)埋部件等[13-15]。

對于水輪發(fā)電機組超期服役安全評估及其剩余壽命預(yù)測，主要是采取現(xiàn)場外觀檢查評估（包括實地檢查和查閱資料2種方式）、結(jié)構(gòu)部件檢測、現(xiàn)場綜合性能試驗、數(shù)值計算（關(guān)鍵部件剛強度分析與疲勞強度計算）以及綜合評估的方式。

3 水輪發(fā)電機組評估細(xì)則及結(jié)果

3.1 外觀檢查評估細(xì)則及結(jié)果

外觀檢查評估主要是通過對設(shè)備的現(xiàn)場檢查和查閱運行日志、檢修記錄、試驗記錄、技改資料等相關(guān)資料，對水輪發(fā)電機組主要部件進行外觀檢查，主要包括對水輪機轉(zhuǎn)輪、水導(dǎo)軸承、接力器、受油器、頂蓋、底環(huán)和導(dǎo)葉、蝸殼及尾水管進人門、發(fā)電機上機架及機座、發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架（包括磁極及磁軛）、發(fā)電機推力支架、發(fā)電機各軸承油槽、發(fā)電機制動器、發(fā)電機防飛逸保護裝置等部件。具體試驗檢測項目如表1所列。

經(jīng)過現(xiàn)場外觀檢查，未見機組有明顯缺陷，焊縫部件焊縫完整，部件外觀未見明顯的銹跡、污物、裂紋，未見不正常噪聲、撞擊聲和振動聲等;通過現(xiàn)場外觀檢測及查閱電站運行日志、檢修日志等，表明各機組運行狀況基本良好。

3.2 試驗檢測

試驗檢測主要針對水輪發(fā)電機組主要設(shè)備開展例行和專項試驗檢測工作，通過分析試驗檢測數(shù)據(jù)，獲取各設(shè)備設(shè)施的性能狀況。水輪機現(xiàn)場試驗檢測主要包括：水輪機開停機狀態(tài)性能檢測、水輪機能量特性檢測試驗、水輪機關(guān)鍵部件應(yīng)力檢測、水輪機關(guān)鍵部件無損探傷檢測等。發(fā)電機現(xiàn)場試驗檢測主要包括：發(fā)電機主要參數(shù)檢測、發(fā)電機通風(fēng)試驗、發(fā)電機關(guān)鍵部件應(yīng)力檢測、發(fā)電機關(guān)鍵部件無損探傷檢測等。機組具體試驗檢測項目如表2所列。

通過現(xiàn)場對3臺機組進行停機狀態(tài)抽檢、開停機試驗，并查閱了電站在機組擴容改造及缺陷處理時的試驗日志，結(jié)果表明：主軸、導(dǎo)葉連桿、支持蓋及螺栓、轉(zhuǎn)輪、主軸密封、水導(dǎo)軸承（除油箱）、錐體下環(huán)、軸及連接螺栓、轉(zhuǎn)子支架及緊固螺栓、上端軸緊固螺栓、推力支架、上機架與定子機座等施測部件均未發(fā)現(xiàn)裂紋或其他類型的超標(biāo)缺陷;同時轉(zhuǎn)輪、主軸、導(dǎo)水機構(gòu)、推力支架、定子、機架等部件受力工作狀態(tài)正常，表明機組工作狀態(tài)正常，滿足規(guī)范要求。

3.3 數(shù)值計算

通過數(shù)值模擬計算，分析了水輪發(fā)電機組主要部件的應(yīng)力和變形情況、剛度和強度，并預(yù)估了水輪發(fā)電機組關(guān)鍵部件的疲勞壽命[16-17]。葛洲壩水電站裝設(shè)的是軸流式水輪發(fā)電機組，其中水輪機主要部件包括：頂蓋、支持蓋、控制環(huán)、導(dǎo)葉、接力器、轉(zhuǎn)輪、水輪機主軸、水導(dǎo)軸承、蝸殼盤形閥、尾水管盤型閥、蝸殼進人門、轉(zhuǎn)輪室進人門、錐管進人門、尾水管進人門、關(guān)鍵部件聯(lián)接螺栓等。發(fā)電機主要部件包括：定子機座、上機架、下機架（或推力支架）、磁極、磁軛、轉(zhuǎn)子支架、主軸、導(dǎo)軸承、推力軸承、發(fā)電機上端軸、制動風(fēng)閘、空氣冷卻器、主軸聯(lián)接螺栓、上端軸緊固螺栓、轉(zhuǎn)子支架緊固螺栓、定子機座緊固螺栓、上機架緊固螺栓等。

分別計算出不同工況下各關(guān)鍵部件的計算應(yīng)力，并對以下內(nèi)容進行分析研究：是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的許用應(yīng)力，是否低于材料的屈服極限，最大等效應(yīng)力是否出現(xiàn)在局部區(qū)域?qū)儆趹?yīng)力集中。根據(jù)分析結(jié)果來判斷各關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)剛強度是否滿足設(shè)計要求，并通過統(tǒng)計累積損傷，分別計算出各關(guān)鍵部件的使用年限計算值。

經(jīng)過對關(guān)鍵部件的剛強度疲勞狀況進行計算分析，結(jié)果表明：葛洲壩水電站的水輪機、發(fā)電機各關(guān)鍵部件的剛強度均滿足設(shè)計要求。以3號機組為例，通過剛強度疲勞計算分析，得到了關(guān)鍵部件使用壽命的計算值，如表3所列。

4 水輪發(fā)電機組安全評估結(jié)論及建議

經(jīng)過綜合評估，發(fā)現(xiàn)葛洲壩水電站機組自投產(chǎn)以來，能嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程要求，按計劃開展各類機組檢修、增容改造和安全技術(shù)改造工作，具有較高的安全運行可靠性。同時電站技術(shù)安全監(jiān)督工作的全面展開，發(fā)現(xiàn)問題能得到及時處理;并且建立了健全的安全生產(chǎn)責(zé)任體系，擁有較好的貫徹落實了安全生產(chǎn)規(guī)章制度和操作規(guī)程，機組安全狀態(tài)水平得以提升，因此具備延壽運行的基本安全條件。

經(jīng)過外觀檢查、試驗檢測以及剛強度疲勞計算分析，結(jié)果表明：電站水輪發(fā)電機組及其附屬設(shè)備總體運行狀態(tài)合格，未發(fā)現(xiàn)部件內(nèi)外部的嚴(yán)重缺陷、裂紋，關(guān)鍵部件受力工作狀態(tài)，主要檢測參數(shù)指標(biāo)均在規(guī)范規(guī)定的合理范圍內(nèi)。

根據(jù)葛洲壩水電站機組的更新改造完成情況，將機組分成第1類機組（水輪機和發(fā)電機均未進行改造）、第2類機組（水輪機和發(fā)電機均已進行改造）、第3類機組（水輪機已改造，發(fā)電機未改造）共3類。對3類機組進行了安全評估，并得出如下結(jié)論及建議。

4.1 第1類機組（1號和2號機組）

機組主要部件剛強度及疲勞計算可基本滿足要求，但機組投運已近40 a，經(jīng)運行狀態(tài)檢查分析，機組目前的運行狀況不佳且存在安全隱患。

（1） 1號和2號機組為試驗性機組，采用的是4葉片，經(jīng)當(dāng)初國家建委批準(zhǔn)，其設(shè)計原則為在23 m水頭下安全運行，23 m水頭以上試驗運行。因此，無法滿足運行調(diào)度的要求，如果長期在高水頭下運行，則存在一定的安全隱患。

（2） ?剛強度偏低導(dǎo)致穩(wěn)定性較差，支持蓋垂直振動平均值維持較高水平，且振幅隨水頭升高而逐漸增加。

（3） 轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)多次貫穿性裂紋，且磨蝕導(dǎo)致葉片與轉(zhuǎn)輪室間隙已嚴(yán)重超過設(shè)計值，造成水能利用率降低，機組效率下降。

（4） 發(fā)電機定子絕緣電阻降低、泄露電流增大，絕緣性能逐步下降。

綜合評估認(rèn)為：第1類機組可在正常工況下延壽運行5 a，機組需在5 a內(nèi)進行更新改造，改造完成后機組延壽運行時間可等同第2類機組（自改造完成次月開始計算）。在對機組進行改造前，密切關(guān)注機組各項關(guān)鍵指標(biāo)，尤其是部分超過規(guī)范推薦值的指標(biāo)參數(shù)，如有擴大應(yīng)及時處理，確保機組的安全穩(wěn)定運行，并盡早開展機組的改造工作。

4.2 第2類機組

這類機組的水輪機與發(fā)電機均已完成增容改造，對關(guān)鍵部件進行了更換或改造加強，能量指標(biāo)及穩(wěn)定性較改造前有顯著提高，有效保障了機組安全，機組運行平穩(wěn)。通過計算分析水輪機和發(fā)電機主要部件的應(yīng)力情況和疲勞壽命，機組主要部件強度均滿足規(guī)范要求，主要部件計算剩余疲勞壽命均遠(yuǎn)大于40 a。經(jīng)綜合評估認(rèn)為，第2類機組可在正常工況下延壽運行35 a（從增容改造完成時間開始計算）。

4.3 第3類機組

這類機組的水輪機已完成增容改造，對關(guān)鍵部件進行了更換、改造，能量指標(biāo)及穩(wěn)定性較改造前有顯著提高，有效保障了機組安全;發(fā)電機部分尚未進行改造，但總體情況正常。通過計算分析水輪機和發(fā)電機主要部件的應(yīng)力情況和疲勞壽命，機組主要部件強度均滿足規(guī)范要求，主要部件的計算剩余疲勞壽命均大于40 a。但因發(fā)電機部分尚未進行改造，與水輪機性能不匹配，限制了機組優(yōu)異性能的發(fā)揮，且部分部件存在安全隱患，在目前的狀態(tài)下可延壽5 a。經(jīng)綜合評估認(rèn)為，第3類機組水輪機可在正常工況下延壽運行35 a（從增容改造完成時間開始計算），發(fā)電機需在5 a內(nèi)完成改造，改造后發(fā)電機延壽運行時間可等同第2類機組。

5 結(jié) 論

水輪發(fā)電機組使用壽命一般為30～40 a，而中國有大批在20世紀(jì)80年代投運的水電站，其機組已即將到達(dá)使用壽命，亟需對機組進行延壽運行安全評估。針對水輪發(fā)電機組安全評估與延壽運行應(yīng)包括的評估部件、評估指標(biāo)的確定以及延壽運行壽命值的具體計算，行業(yè)內(nèi)目前尚沒有明確的技術(shù)規(guī)范和有關(guān)導(dǎo)則。

本文結(jié)合葛洲壩水電站機組改造的具體情況，經(jīng)研究，采取了現(xiàn)場外觀檢查評估、結(jié)構(gòu)部件檢測、現(xiàn)場綜合性能試驗、數(shù)值計算（關(guān)鍵部件剛強度分析與疲勞強度計算）和綜合評估相結(jié)合的方法，開展了機組安全評估和延壽運行分析工作的相關(guān)探索。經(jīng)過綜合評估，評估出了葛洲壩水電站各類機組的可延壽壽命，相關(guān)評估成果已順利得到行業(yè)監(jiān)管部門的審批。本文應(yīng)用于葛洲壩水電站機組安全評估和延壽運行分析的工作思路和方法，可供行業(yè)同仁參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] ?尹昌新，陸壽山，赫玉國，等.水力發(fā)電廠安全性評論查評依據(jù)[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2] 中華人民共和國水利部.水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計規(guī)范：SL654-2014[S].北京：中國水利水電出版社，2014.

[3] 姜方紅，潘利坦，王磊.密云水電站超期服役機組壽命評估研究及應(yīng)用[J].水電站機電技術(shù)，2014，37（3）：129-130.

[4] 郝江濤，劉念，幸晉渝，等.電力設(shè)備的壽命評估[J].四川電力技術(shù)，2005（1）：5-7.

[5] 王崇斌.超期服役機組安全運行監(jiān)測設(shè)備[J].吉林電力技術(shù)，1987（6）：82.

[6] 楊哲一，崔雄華，史志剛.火電廠老機組延壽評估方法研究[J].鑄造技術(shù)，2018，39（10）：2401-2405.

[7] 金萬里，李永德，張越，等.超期服役機組的損傷模型研究及壽命評估分析[J].動力工程，2001（4）：1292-1294.

[8] ?李炳濤.火力發(fā)電廠機組延壽技術(shù)[J].華北電力技術(shù)，1997（8）：1-4.

[9] 中華人民共和國國家能源局.火電機組壽命評估技術(shù)導(dǎo)則：DLT654-2009[S].北京：中國電力出版社，2009.

[10] ?吳定平，王慶書，李竹梅.葛洲壩電站6F機組發(fā)電機定子部分增容改造情況分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（12）：141-142.

[11] 付國宏，秦風(fēng)斌，李文金，等.葛洲壩電廠19號機組改造增容分析[J].水電與新能源，2019，33（11）：75-78.

[12] 王紅曼，黃莉，羅遠(yuǎn)紅.葛洲壩125 MW機組增容改造水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].四川電力技術(shù)，2017，40（6）：53-57.

[13] 廖書長，張思青，張艷，等.基于壽命預(yù)測的水輪機最佳改造時間模型[J].水力發(fā)電，2008（2）：46-48.

[14] 李偉，張禮達(dá).混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命估算方法[J].科學(xué)之友，2010（4）：3-5.

[15] 潘羅平，安學(xué)利，周葉.基于大數(shù)據(jù)的多維度水電機組健康評估與診斷[J].水利學(xué)報，2018，49（9）：1178-1186.

[16] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.水輪機、蓄能泵和水泵水輪機更新改造和性能改善導(dǎo)則：GB/T 28545-2012[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[17] 王少波，王正偉，孔德銘，等.混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2006（4）：135-138.

（編輯：趙秋云）

引用本文：

章勛，胡定輝，桂紹波，等.超期服役水輪發(fā)電機組安全評估與延壽運行分析

[J].人民長江，2021，52（8）：230-234.

Safety evaluation and life extension operation analysis on hydraulic

turbine-generator units in extended service

ZHANG Xun，HU Dinghui，GUI Shaobo，ZHENG Taoping，TIAN Ziqin，

（ Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China ）

Abstract：

It is necessary to carry out safety evaluation on hydraulic turbine-generator units in extended service.In this paper，taking the Gezhouba Hydropower Station as an example，we carry out a safety evaluation for the hydraulic turbine-generator units in extended service.The working scope，methods and criteria of safety evaluation are put forward by analyzing the basic operation conditions of the existing hydraulic turbine-generator units in extended service.Through on-site appearance inspection and evaluation，test detection and numerical calculation （stiffness and strength analysis of key components and fatigue strength calculation） and the comprehensive evaluation method，we detect and analyze the current situation and performance of the hydraulic turbine-generator unit.According to the analysis results，we can evaluate the residual life of extended service hydraulic turbine-generator units，and give the relevant reformation suggestion and plan.The research results can provide reference for the safety evaluation of similar hydraulic turbine-generator units in extended service.

Key words：

hydraulic turbine-generator unit;extended service;safety evaluation;prediction of residual life;Gezhouba Hydropower Station