渔子溪电站4号水轮发电机改造

2020-07-03谈泰权，王昌林，秦泰松

四川水力发电 2020年3期

谈泰权，王昌林，秦泰松

(国网四川省电力公司映秀湾水力发电总厂，四川都江堰 611830)

1 电站概况

渔子溪电站始建于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，厂房内第一台机组(4号机组)安装完毕，7月初电站充水试运行，12月初第一台机组正式向系统送电。

渔子溪电站机组是上世纪70年代初国内自行设计投产的高水头混流式水轮发电机组，受当时我国水轮发电机的设计、制造、安装水平的限制，机组从投运初期一直小毛病不断，出现过严重的振动问题。虽然经过多次的大、小修理，但仍然没有彻底解决发电机的可靠运行问题。同时，渔子溪电站4号水轮发电机运行至今已经有40多年历史，且于2008年、2010年先后两次被污水浸泡，主要部件锈蚀严重，达到了国家标准规定的使用寿命极限。在运行中出现过定子端部绝缘受损情况，已直接影响到发电机的安全稳定运行，仅靠大修或局部处理很难彻底根治这些隐患。

2 机组缺陷及改造可行性分析

2.1 安全性分析

2008年“5·12”汶川特大地震导致渔子溪电站发生山体透水事故，发电机在水中浸泡3个月以上。2010年“8·13”映秀特大泥石流将岷江河道堵塞，洪水经尾水口倒灌进入渔子溪电站厂房，发电机再次在含有大量淤泥和油污的水中浸泡4个月以上，由此，发电机各部件严重锈蚀。恢复重建时为尽快恢复灾后供电，只采取了清水冲洗及烘干等简单处理，便逐台恢复了机组发电。

2.1.1 发电机定子、转子、主轴的安全性分析

发电机定子由机座、铁芯、定子线圈等组成，在两次自然灾害后，定子机座和铁芯只经过简单处理，没有更换改造，现已成为发电机设备的安全隐患。

水轮发电机转子是由发电机主轴、转子支架、磁轭、磁极等零部件组成，与水轮机主轴一起组成了水轮发电机组的转动部件，转子既具有一般机械转动部件的特征，又必须具有良好的电磁性能。由于渔子溪电站4号发电机运行时间极长，水轮发电机主轴、转子支架、磁轭、磁极以及水轮机主轴等部件的交变应力循环次数非常高，极易产生疲劳破坏。

除此之外，轴承甩油、漏油产生的油污附着在定子线圈、磁极线圈上，加重了线圈绝缘老化。

2.1.2 发电机上、下机架的安全性分析

发电机上机架为负荷机架，要承受整个水轮发电机组的重量和轴向水推力，随着机组的运转，交变应力作用到上机架上，由于长时间运行，上机架极易产生疲劳破坏。

下机架虽为非负荷机架，但是要承受下导轴承传递的交变径向力，也存在极大的疲劳损坏风险。

2.1.3 发电机推力轴承、上导轴承、下导轴承的安全性分析

发电机各部轴承的安全性关系到整个机组能否安全运行，主要反映在各部轴承轴瓦的运行温度是否在规定的范围内，是否存在甩油、漏油现象。若出现温度过高或烧瓦现象，会引起机组事故停机，带来电量损失，并浪费大量的人力、物力、财力进行事故检修。若出现甩油、漏油现象，不仅污染环境，损失资源，且存在极大的运行风险。若上导甩油、漏油，则会对发电机定、转子线圈造成不可逆转的损害。

2.2 效能与成本分析

由于渔子溪电站4号发电机转子、定子、上下机架、推力轴承、上导轴承、下导轴承以及水轮机主轴存在以上安全隐患，既影响了机组的安全稳定运行，也增加了运行、检修工作量。同时，由于机组带病运行，机组中修、小修不断，严重影响电站的发电效益，且频繁地装拆机组，对水轮发电机的各个部件特别是易损部件造成很大影响，将加快机组的老化，会进一步影响机组的正常运行。

2.3 政策适应性分析

渔子溪电站作为国家三线建设的重点项目，建成后，为四川省社会经济发展作出了巨大贡献。水能作为可再生的清洁能源，属于国家政策大力支持和发展的能源项目，特别是对老电站的增效和扩容改造，国家更加支持。除此之外，根据电监会安全[2010]2号文件“关于吸取俄罗斯萨扬水电站事故教训进一步加强水电站安全监督管理的意见”规定“对已存在损伤的设备部件要加强技术监督，对已老化和不能满足安全生产要求的设备部件要及时进行更新”[1]及国家电网公司关于水电站技术改造有关规范和规定，应对渔子溪电站4号水轮发电机存在安全隐患的部件进行改造、更换。

3 改造范围

本次渔子溪电站4号水轮发电机部件的技术改造应充分考虑利用原有水轮发电机固定部分的设施，并对改造部分做到技术先进、经济合理。本次改造属于水轮发电机关键零部件的改造，主要是增加设备运行可靠性，同时,提高设备的运行效率，延长设备的检修周期，最大限度地提高水能利用率。此次改造相当于4号机组的扩大性大修，在恢复原设备性能基础上提高其性能，增加设备运行的可靠性，改造范围如下：

(1)渔子溪电站4号发电机转动部分改造，包括发电机主轴、磁轭、磁极等部件改造更换，其中下导轴领与主轴采用整体锻造方式；

(2)渔子溪电站4号发电机定子改造，包括发电机定子机座、铁芯、定子线圈改造更换；

(3)渔子溪电站4号发电机上、下机架改造更换；

(4)渔子溪电站4号发电机推力轴承、上导轴承、下导轴承改造，增设油汽分离和回收装置，并将发电机上导轴承和推力轴承组合在一个油槽内；

(5)渔子溪电站4号水轮机主轴改造更换。

4 改造技术方案

渔子溪电站4号水轮发电机型号为SF40-12/4250,属于高转速立轴悬式水轮发电机，其额定转速为500 rpm，飞逸转速为839 rpm。发电机总体技术方案应与原发电机基本保持一致，只是在发电机的细部结构方面进行优化，为增加发电机定子机座的刚、强度，定子机座采用分两瓣结构；为确保电磁参数合理、可靠，对用于渔子溪电站4号水轮发电机改造的电磁方案进一步优化。原发电机上导轴承设置在推力轴承下方，本次改造将发电机上导轴承与推力轴承合一，并将上导轴承置于推力轴承上方。

4.1 定子改造

定子机座采用分两瓣结构，提高定子的整体刚度、强度。定子机座为钢板焊接结构，定子铁芯采用50W270冷轧硅钢片,厚度0.5 mm，更换全部定子绕组，采用F级绝缘。

4.2 转子改造

转子支架与主轴在制造厂内热套在一起，然后装压磁轭，挂装磁极。全部转动零件都经刚度和强度的分析计算，以便能安全地承受最大飞逸转速5 m而不产生任何有害变形，且材料的计算应力不超过屈服点的2/3。转子外径为φ3 360 mm，装配后总重约88 t。

4.3 上、下机架改造

上机架为负荷机架，不仅要承受来自推力轴承的轴向负荷，还要承受来自导轴承的径向负荷。为钢板焊接辐射形结构，由中心体和若干个支臂组成，支臂为工字型结构。

下机架为非负荷机架，由中心体与若干个辐射的工字型截面支臂组成。下机架兼作制动器基础。

4.4 推力轴承、上导轴承、下导轴承改造

推力轴承位于上机架上方的推力油槽内，推力轴承采用刚性支柱式扇形瓦结构。由推力头镜板、推力瓦、支柱螺钉和轴承座等组成。

上导轴承布置在上机架中心体内，置于推力轴承上方，与推力轴承共用一个油槽，以上导滑转子作为摩擦面，采用分块巴氏合金瓦，采用抗重螺栓支撑结构，且增设吸油雾装置。

下导轴承布置在下机架中心体内，采用分块巴氏合金瓦，采用抗重螺栓支撑结构，且增设吸油雾装置。

5 改造效果

渔子溪电站4号机组水轮机、发电机主轴联轴后，经轴线调整，机组盘车结果如表1所示。

表1 机组盘车数据记录表单位：0.01 mm

渔子溪电站4号机组水轮发电机改造后采用推力、上导轴承合一的结构，上导至镜板间的距离可忽略不计，机组转速为500 r/min，机组各部相对摆度值满足《水轮发电机组安装技术规范》(GB/T8564-2003)中的要求。其中，上导、下导及法兰的相对摆度值小于0.02 mm/m，水导相对摆度值小于0.03 mm/m，机组轴线调整合格[2]。

渔子溪电站4号水轮发电机改造工程施工结束后，机组开机时各部振动、摆度、温度如表2所示。

推力轴承采用塑料瓦，上导、下导、水导采用巴氏合金瓦，各部轴承温度满足《水轮发电机基本技术条件》(GB/T7894-2009)第“6.3轴承温度”的要求[3]。

除此之外，渔子溪电站4号机组各交接验收试验合格，并于2019年6月成功并网运行。