十三陵电站水泵水轮机状态评估

刘殿兴 张衡 李江涛 李贺宝 李长勇 赵江

摘  要：抽水蓄能机组具有转速高、容量大以及工况转换频繁的特点，在电网中通常承担调峰、调频、调相和事故备用的任务，其状态直接关系到电网的安全、可靠、稳定运行。北京十三陵抽水蓄能電厂是北京市唯一的抽水蓄能电站，该电站装设4台单机容量为200MW的可逆式水泵水轮机组，机组于1997年6月全部投运。被喻为“点亮首都北京的最后一根火柴”，承担着重要的政治保电任务。随着机组服役年限的不断增加，水泵水轮机部件可能会产生必要的空蚀、磨蚀、磨损或疲劳，造成机组性能下降，严重时甚至导致故障，对机组的安全稳定可靠运行带来较大的隐患。该文是根据《十三陵抽水蓄能电站3号机组水泵水轮机主要部件状态评估检查表》，依据《水泵水轮机状态评价导则》的评分原则，对该机组主要部件进行状态进行评估，并根据评估结果提出相应的处理建议，为电站后期的运维提供参考，并为其他电站水泵水轮机状态评估提供借鉴。

关键词：抽水蓄能电站  水泵水轮机  状态评价体系  评估模型

中图分类号：TK734                           文献标识码：A                 文章编号：1672-3791（2020）09（b）-0046-06

Status Evaluation of Pump Turbine in Shisanling Power Station

LIU Dianxing1  ZHANG Heng1  LI Jiangtao1  LI Hebao1  LI Changyong2  ZHAO Jiang2

（1.State Grid Xinyuan Shisanling Pumped Storage Power Plant， Beijing， 102200 China; 2.Voith Hydro Shanghai Co.， Ltd.， Shanghai， 200240  China）

Abstract： Special features of the power units are obvious as high speed， large capacity and fast transition for load transfer. The units are usually playing more important roles in the grid as peak load adjustment， frequently operating in partial load， condense operations and standby. Operational safety， reliability and stability become more important and critical. Beijing Shisanling Pumped storage Power Plantis the only Pumped Storage Power Station in Beijing. Four reversible pump-turbine units with a capacity of 200 MW per unit were installed in the power station. All units were put into operation in June 1997. It has been described as "the last match to light up the capital of Beijing" and undertakes an important political task of power conservation. With the increasing service life of the unit， the gradual cavitation， abrasion， wear or fatigue may occur in the components of the pump turbine， which may cause the performance of the unit to decline， even lead to failure in serious cases， and bring greater hidden dangers to the safe， stable and reliable operation of the unit. This paper evaluates the condition of the main components of the pump turbine according to State evaluation checklist of the main components of the U3 pump turbine for Shisanling Pumped Storage Power Station and the scoring principle in Guideline of Condition Assessment Pump Turbine. Based on the evaluation results， it puts forward corresponding treatment suggestions for the later operation and maintenance of the power station. It can be reference for the condition evaluation of other PSP pump turbines.

Key Words： Pump storage power plant; Pump turbine; Condition assessment system; Evaluation model

抽水蓄能机组具有转速高、容量大以及工況转换频繁的特点，在电网中通常承担调峰、调频、调相和事故备用的任务，其状态直接关系到电网的安全、可靠、稳定运行。十三陵抽水蓄能电站装设4台单机容量为200MW的可逆式水泵水轮机组，4台机机组于1997年6月全部投运。随着机组服役年限的不断增加，水泵水轮机部件可能会产生必要的空蚀、磨蚀、磨损或疲劳，导致机组性能下降，严重时可导致机组故障，对机组的安全稳定可靠运行带来较大的隐患。因此，有必要对水泵水轮机的主要部件开展状态评价研究，以便识别、分析和评估潜在的安全风险，并提出相应的应对措施，为水泵水轮机的检修维护提供科学的数据依据，保障抽水蓄能机组的可靠安全稳定运行。该文是根据十三陵电厂日常运行、检修检查记录，并在大修期间采用测量，探伤等手段对关键区域进行检查，并对数据进行归类整理形成检查表《十三陵抽水蓄能电站3号机组水泵水轮机主要部件状态评估检查表》，然后依据《水泵水轮机状态评价导则》的评分原则，对该机组主要部件状态进行评估，并根据评估结果提出相应的处理建议，为电站后期的运维提供参考，并为其他电站水泵水轮机状态评估提供借鉴。

1  状态评价部件和评价准则

根据十三陵电站水泵水轮机的特点，评价主要部件包括尾水锥管、蜗壳座环、导水机构、转轮、主轴、水导轴承、主轴密封、伸缩节（主进水阀）。评价准则以《水泵水轮机状态评价导则》试用版为依据。

2  主要部件状态评价流程

主要部件状态评价主要分为3个流程，具体见图2。首先，由电站根据运行，维护数据和检修记录按标准的状态评估检查表进行记录整理。其次，对照水泵水轮机状态评价导则评分标准对各部件各状态量进行评分，并根据扣分情况对部件或整个机组状态进行评估。最后，根据各部套或整个机组评估状态提出相应的运维建议。

3  主要部件检查表

水泵水轮机作为一个系统，其主要部件包括蜗壳座环、导水机构（包括顶盖、底环、导叶、导叶套筒、拐臂及连杆、控制环、导叶接力器）转轮、水导轴承、主轴及主轴密封。主要部件状态评估检查表作为部件状态评估的输入文件，总体涵盖了各主要部件状态评估状态量，信息分为以下几部分：基本参数、外观检查记录、NDT无损探伤、测量以及附图/照片。

该文选取尾水锥管为示例，对状态检查表进行描述。

3.1 基本参数

主要基本参数为部件基本特征，作为部件设计和运行基本要素，直接影响机组的寿命和运行状态，尾水锥管主要参数及运行时间具体见表1。

3.2 外观检查

对部件进行整体外观检查，以评估部件整体运行情况和以及和关联部件的接口，尾水锥管外观检查及业主反馈信息具体见表2。

3.3 注意事项

检查时需注意重点关注区域，以评估部件最恶劣的情况，有效排除可能故障，检查时重点关注区域具体见表3。

3.4 NDT无损探伤

根据现场情况对部件注意关键区域进行NDT探伤检查，结果具体见表4。

3.5 测量

锥管本体和油漆厚度测量情况具体见表5。

4  主要部件状态评价

在参考电流互感器状态评价导则和设备状态评价与风险评估导则的基础上，该文依据确定的水轮机状态评估检查表里的记录，对部件状态打分。表6为水轮主要部件状态评估检查表的一部分尾水锥管状态评价作为示例。

5  评价

最后根据各部件的扣分情况，汇总形成最终的评价报告，并根据部件评价给出相应的处理建议，可为机组的检修维护工作决策提供参考依据。十三陵抽水蓄能电站机组额定水头430m，额定出力为200MW，额定流量为53.6m3/s，额定转速为500rpm。其中3号机于1996年12月投入商业运营，上次检修日期为2019年5月，该报告以上次检修的记录为依据对其进行状态评估。

（1）根据检修记录尾水管局部油漆脱落，压气管接口焊缝空蚀和腐蚀较严重。根据表6水轮机主要部件状态评价表可知尾水管单项最大扣分值为16，然后根据表7主要部件状态评价表可知尾水管处于正常状态。根据状态评估结果建议利用检修的机会，对空蚀、腐蚀区域打磨、补焊、补漆，空蚀区域的打磨需光滑过渡。

（2）根据检修记录蜗壳座环存在局部的腐蚀，固定导叶局部气蚀。根据表6水轮机主要部件状态评价表可知蜗壳座环单项最大扣分值为45，然后根据表7主要部件状态评价表可知蜗壳座环处于正常状态。根据状态评估结果建议对腐蚀，油漆脱落区域进行补漆，按厂家提供的修补工艺对固定导叶进行修补。

（3）根据检修记录顶盖、底环抗磨板均存在不同程度的磨损，且顶盖底环局部空蚀锈蚀，顶盖/底环固定止漏环偏磨严重，活动导叶局部空蚀、碰伤，个别存在上下端边缘破损，套筒内部腐蚀严重，固定螺栓存在断裂，轴套润滑脂有脱落情况轴承。根据表6水轮机主要部件状态评价表可知导水机构单项最大扣分值为72，然后根据表7主要部件状态评价表可知导水机构处于异常状态。建议对抗磨板、止漏环进行更换，在更换时需要注意相应的定位基准和间隙，对导叶套筒及固定螺栓、导叶轴承进行更换，对过流面局部空蚀、锈蚀进行打磨修复并补漆。

（4）根据检修记录转轮叶片表面轻微空蚀。根据表6水轮机主要部件状态评价表可知转轮单项最大扣分值为40，然后根据表7主要部件状态评价表可知转轮处于注意状态。根据评估结果建议对叶片空蚀区域进行抛磨处理。

（5）根据检修记录主轴情况良好。根据表6水轮机主要部件状态评价表可知主轴单项最大扣分值为10，然后根据表7主要部件状态评价表可知主轴处于正常状态。根据评估结果主轴不用进行任何处理。

（6）根据检修记录水导轴承情况总体良好，个别导瓦存在局部磨损。根据表6水轮机主要部件状态评价表可知水导轴承单项最大扣分值为15，然后根据表7主要部件状态评价表可知水导轴承处于正常状态。根据评估结果建议对磨损的导瓦进行更换。

（7）根据检修记录主轴密封情况总体良好，嵌入密封环剩余磨损量3mm。根据表6水轮机主要部件状态评价表可知水导轴承单项最大扣分值为15，然后根据表7主要部件状态评价表可知水导轴承处于正常状态。根据评估结果建议对嵌入密封环和O型圈进行更换。

6  结语

水泵水轮机的状态评价是一个复杂的系统工程，该文基于水泵水轮机评价导则，对状态量按实际检查的项目进行了分化，并归纳成检查表，然后按检查表的记录对各部件的状态量进行打分，实现了水泵水轮机系统及主要部件的状态的量化评价，为机组的检修维护工作提供决策依据，并为水泵水轮机评价导则的运行进行了实践运用，对其他水泵水轮机的状态评价具有一定的参考意义。

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