回龙抽水蓄能电站发电电动机改造关键技术分析

白会峰，李 博，肖海波，耿沛尧，宋洪占

（1.国网新源控股有限公司回龙分公司，河南省南阳市 473000；2.哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市 150040）

0 引言

回龙抽水蓄能电站（以下简称回龙电站）总装机容量120MW，机组额定水头379m，转速750r/min，是国内转速最高的抽水蓄能机组，回龙电站于2005年12月投入商业运行，两台机组投运后一直存在推力轴承瓦温高、下导轴承甩油等缺陷[1]。2017、2018年结合机组综合治理改造对发电电动机结构进行优化改造。本文结合发电电动机优化改造过程中遇到的问题，对其进行分析与总结。

1 存在的问题及改进

1.1 推力轴承

回龙电站推力轴承位于转子上方并布置在上机架中心体上部，采用自身泵（镜板泵）外循环冷却方式。自身泵是利用轴承旋转部件加工数个径向或后倾泵孔形成。当机组运行时，可形成稳定的压头。在旋转体的外侧，附加有集油装置，将泵打出的油汇集入系统油管并进入油冷却器，经冷却后沿环管、喷油管再喷到瓦的进油边附近。由于回龙电站镜板厚度较小，为简化泵孔的加工工艺，在推力头厚度方向的中间位置钻8个φ40mm的径向孔。推力轴承油路示意图如图1所示。

图1 推力轴承油循环回路示意图Figure 1 The sketch map of oil distribution

1.1.1 存在的问题

回龙电站自2005年投运以来一直存在推力轴承瓦温高现象，夏季机组发电工况推力轴承瓦温整体在70～75℃，接近二级报警值，因此结合电站综合治理改造对机组推力轴承结构进行优化改造。

推力瓦温高的主要原因：推力轴承集油装置密封采用间隙密封且密封未设置迷宫，集油装置密封不严，导致自身泵（镜板泵）泵出油量不足，机组运行过程中从回油窗观察推力轴承循环油量明显较少。

1.1.2 改进内容

（1）1号、2号机推力头及镜板返厂进行全面测量，其中推力头与主轴配合公差，按照过盈方式对推力头内孔进行长焊、重新加工配车。

（2）主机厂对推力轴承自身泵（镜板泵）外循环的设计压头和流量进行复核，验证自身泵（镜板泵）外循环系统设计是合适的，油循环系统满足正常工况运行要求，因此推力轴承维持自身泵（镜板泵）外循环结构，循环方式不做变更。推力轴承集油装置密封由金属圆环更换为梳齿型密封，提高集油装置的密封可靠性，增加推力外循环压头，使外循环油路更为通畅。改进后集油装置密封如图2所示。

图2 改进后集油装置密封Figure 2 Sealing of improved oil gathering device

（3）在推力轴承油盆内部增加一层封油板，将推力油盆分为上下两个空间，稳定运行时的推力油位，现场改进效果如图3和图4所示；更换推力轴承油挡及油盆盖，并增加呼吸器，油挡仍采用随动接触式密封，但增加密封体层数。同时更换了推力轴承接驳装置及测温电阻[2]。

图3 改造前Figure 3 The picture before transformation

图4 改造后Figure 4 The picture after transformation

1.2 导轴承

上导轴承布置在上机架中心体内，为分块瓦自调式结构，有 10块内表面铸有轴承合金的扇形轴瓦。在导轴承油槽内装有油冷却器，润滑油的循环冷却采用内循环方式。下导轴承布置在下机架中心体内，采用润滑油内部自循环分块瓦结构，有10块内表面铸有轴承合金的扇形轴瓦。下导油冷却器采用环形结构。

1.2.1 存在的问题

（1）上、下导轴承采用球面支柱+调整垫片方式调整轴瓦间隙，在分配间隙时由于多个垫片叠加或者垫片变形易引起测量误差大和分配间隙不准，影响机组轴线调整准确度，导致机组运行后振摆超标或瓦温不均。

（2）两台机组下导轴承自2005年投运以来一直存在严重的甩油、漏油现象；上、下导轴承的测温电阻通过接线柱方式引出，故障率高难以维护，且接驳处存在渗油情况。

1.2.2 改进内容

（1）上导轴承导瓦间隙调整方式在继续保留原有球面支柱支撑和垫片调整的基础上，增加楔子板结构。在上导轴承导瓦上部安装封油板和密封对上油箱进行密封，更换上导轴承油挡，并增设上导吸油雾装置。更换上导轴承接驳装置及测温电阻。改造示意图和现场改进效果图如图5～图8所示。

（2）下导轴承导瓦间隙调整方式在继续保留原有球面支柱支撑和垫片调整的基础上，增加楔子板结构（改造方式同上导）。将下导滑转子12-φ20mm泵孔封堵1/3，即封堵4个泵孔，封堵材料选用Q235B，直径φ19mm的圆柱，长度15mm，4个封堵均匀布置在圆周位置，封堵位置不超过滑转子外圆表面，点焊牢固，减少上油箱泵油量，如图9所示；下导滑转子上部6-φ10mm的均压孔封堵4个，封堵材料选用Q235B，直径φ9mm的圆柱，长度15mm，封堵位置不超过滑转子外圆表面，点焊牢固，减小油盆内外压差，如图10所示；在导轴承座圈上增加20个φ30mm的回油孔，在下导瓦托板上增加10个φ60mm溢油管，加大回油量，油回路示意图和现场改造后效果如图11和图12所示；更换下导吸油雾装置和油挡。同时将下导轴承接驳装置及测温电阻进行更换。

图5 改造前上导轴承剖面图Figure 5 Profile of upper guide bearing before transformation

图6 改造后上导轴承剖面图Figure 6 Profile of upper guide bearing after transformation

图7 改造前Figure 7 The picture before transformation

图8 改造后Figure 8 The picture after transformation

1.3 转子

转子外径为φ2644mm，由磁极、转子磁轭及主轴组成，采用一根轴结构，磁轭与大轴采用20SiMn，并整锻成一体，大轴长8160mm。在转子磁轭的上下端装设离心式风扇，在下部风扇下端装有可拆卸的制动环。

1.3.1 存在的问题

（1）转子磁极连接引线采用硬连接方式，磁极连接引线弯曲半径较小，在磁极引线弯头处易产生应力，机组运行时在机组振动、线圈相对位移及热胀冷缩等综合作用下，导致磁极引线弯头处疲劳损伤，进而形成裂纹熔断。2012年1号机8号磁极连接引线熔断；2013年B级检修对2号机磁极连接引线探伤检查时，发现2号磁极正极引线有一条长约1mm裂纹，负极引线有一条长约3mm裂纹。

图9 封堵泵油孔Figure 9 Plugging the oil hole of pump

图10 封堵均压孔Figure 10 Plugging the balanced hole

图11 下导轴承油回路示意图Figure 11 The sketch map of oil distribution

图12 下导轴承改造后Figure 12 The picture after transformation

（2）转子穿轴引线采用多层软铜片（0.5mm×63mm×650mm）与滑环连接，在拆装滑环及转子吊装过程中需引线多次折曲，两台机组软铜片均有断裂现象，部分软铜片有裂纹，存在安全隐患。

（3）转子磁轭上部φ1260圆周上有180°被转子引线所覆盖，如试配键相角位于该区域，配重位置无法使用，仅能采用相邻角度配重产生分量的方法，但该方法难以达到配重效果，且配重位置半径较小，配重重量受限。根据以往动平衡试验情况，如在计算试配位置没有合适预留螺栓孔，则配重块需焊在上、下风扇环面上，试配时需在发电机内部进行多次焊接和切割动火作业，安全风险高。

1.3.2 改进内容

（1）1、2号机组磁极全部返回主机厂检修，对磁极连接进行优化，增大了磁极连接R角弯曲半径，防止机组运行时磁极连接弯头处产生的应力，在振动、线圈相对位移及热胀冷缩作用下，磁极连接弯头处疲劳损伤，进而形成裂纹熔断，有效地提高了转子磁极的运行可靠性[3]。改进示意图和现场改进后效果如图13、图14和图15、图16所示。

图13 磁极连接改进前Figure 13 Connection of the magnetic pole before improvement

（2）更换1、2号机集电环和转子穿轴引线，并将上端引出线连接方式改为可拆卸式，有效地避免了检修过程中拆装滑环及转子吊装时引线折断，消除了安全隐患，同时增加绝缘板将转子上部中心孔进行封堵，现场改进后效果如图17和图18所示。同时在转子上下风扇上配钻了配重孔，解决了动平衡试验时配重难的问题，缩短了检修时间，提高了检修效率。

图14 磁极连接改进前Figure 14 Connection of the magnetic pole after improvement

图15 改进前磁极连接安装效果Figure 15 Details of the connection before improvement

图16 改进后磁极连接安装效果Figure 16 Details of the connection after improvement

图17 转子引线改造前Figure 17 Rotor lead before transformation

图18 转子引线改造后Figure 18 Rotor lead after transformation

（3）拆除历年检修安装在转子上的配重块。在转子上下风扇上配钻了配重孔，增大了配重半径，增多了配重位置，解决了动平衡试验时配重难的问题，缩短了检修时间，提高了检修效率。配重位置如图19和图20中红色区域所示。

图19 改进前配重位置Figure 19 Position of counterweight before improvement

1.4 定子

定子由定子机座、定子铁芯、定子绕组、端箍、测温装置和绝缘件组成，定子铁芯下端采用大齿压板结构，定子铁芯叠片时采用双鸽尾筋定位，并用穿心螺杆压紧，在穿心螺杆与铁芯间设有分段绝缘套管。

图20 改进后配重位置Figure 20 Position of counterweight after improvement

1.4.1 存在的问题

（1）定子铁芯穿心螺杆采用半绝缘结构，绝缘套管采用分段式（隔2个通风槽一段），在没有绝缘套管防护的位置，碳粉、油泥等杂物通过通风槽附着在穿心螺杆上，造成定子铁芯穿心螺杆绝缘不合格。在机组检修中，每次均需花费大量时间清扫穿心螺杆，提升穿心螺杆绝缘；部分穿心螺杆，由于空间位置限制，绝缘无法处理。

（2）1号机定子线棒和铁芯测温电阻已损坏过半，严重影响机组的运行监视，存在安全隐患，由于测温元件为预埋件，损坏后无法更换。

1.4.2 改进内容

1号机定子整体吊出返回主机厂进行检修，定子铁芯重新叠片，更换约50%铁芯冲片；定子测温电阻全部更换为某厂家全铠装测温电阻，消除了设备安全隐患。定子线棒更换55根，穿心螺杆90根全部更换，并改为全绝缘结构（采用全绝缘套管），提高了设备可靠性。为适应原穿孔要求，2号机定子穿心螺杆重新设计制造，螺孔尺寸不变，螺杆直径尺寸适当减小，表面采用绝缘材料缠绕[4]。

1.5 其他改进内容

（1）在推力轴承上部增加纯机械式碳粉吸尘装置，如图21所示。风扇用M20螺栓把紧固定在推力头上。在转子旋转过程中将顶罩内混合有碳粉的风抽入支撑架内。风经过碳粉过滤毡后，碳粉粘附在毡子上，完成碳粉过滤。本结构优点是不用外加吸尘器，节省空间，定期更换过滤毡即可。增设碳粉吸尘装置后，转子绝缘较改造前明显上升。

图21 碳粉吸尘装置

（2）将1号发电电动机上机架支臂与机坑之间4台千斤顶进行改造。改造前千斤顶采用碟形弹簧+管支撑结构，随着机组发电、抽水等工况频繁启动，常年运行后碟形弹簧易发生疲劳变形，从而导致上机架对称预紧力发生变化，振动增大。本次改造取消了碟形弹簧，采用了新型的阻尼器+管支撑结构。阻尼器内部充满了高压的弹性胶泥介质，在发电机轴承高速振动激励下提供高“动态”刚度，从而减少发电机轴承的整体径向位移，延长轴承寿命；在低速状况下，提高了较低的“静态”刚度，将施加在混凝土结构上的载荷降至最低，避免对机坑混凝土结构施加任何拉伸载荷。现场改造后效果如图22和图23所示。

图22 改造前Figure 22 The picture before transformation

（3）1、2号机机械制动装置全部更换，管路及阀门全部更换为不锈钢材质。更换后的制动器在备用状态下上下腔均无压，延长了制动器内部上下腔密封寿命，有效地降低了制动器上下腔串压的可能性[5]。

（4）1、2号发电电动机及其控制系统全部更新改造，取消原加热器控制箱、吸油雾装置控制箱、高压油顶起装置控制箱等，将上述辅助设备控制系统集成到发电机辅助控制柜，控制逻辑集中，减少PLC，节约了现场空间，降低了缺陷发生率。盘柜PLC和继电器全部采用某品牌，方便日后控制系统检修和维护。

图23 改造后Figure 23 The picture after transformation

2 主要改善性能和效果分析

改造后1、2号机组运行稳定，各部轴承及机架振摆数据均满足GB 8564—2003《水轮发电机组安装技术规范》和主机厂设计要求，各部轴承及机架振动摆度值均大大优于俢前值，具体见表1。

1、2号机组投运后，经几个月持续观察，推力轴承、上导轴承、下导轴承、水导轴承轴瓦温度稳定，各部轴承瓦温较俢前均大幅降低，推力轴承油温高缺陷得到彻底消除，各部轴承改造前后瓦温具体见表2。1、2号机下导轴承结构优化改造后，两台机下导甩油问题均得到了有效治理，目前1、2号机下导油位稳定。

表1 改造前后振动摆度值对比Table 1 Comparison of vibration and swing before and after transformation

表2 改造前后各部轴承瓦温对比Table 2 Comparison of bearing temperature before and after transformation

3 结束语

回龙电站在机组综合治理改造设计安装阶段对发电电动机存在的问题和缺陷进行认真评估、分析，并及时协调设备厂家出具改造方案，成功避免了一系列质量问题发生，提高了机组运行可靠性。本文涉及的机组设备设计修改、工艺改进，有的已得到现场运行调试的验证，有的仍有待进一步考验，希望本文对其他蓄能电站发电电动机改造提供有益参考。