超期服役水轮发电机组安全评估与延寿运行分析

　　摘要： 超期服役水轮发电机组继续稳定运行可能存在安全隐患，必须对其进行安全评估。以葛洲坝水电站为例，对超期服役的水轮发电机组开展了安全评估工作。结果表明：① 通过分析现有超期服役水轮发电机组运行的基本情况，提出了开展安全评估的工作范围、方法和准则;② 通过采取现场外观检查评估、试验检测、数值计算(关键部件刚强度分析与疲劳强度计算)和综合评估的方法，对水轮发电机组的现状、性能等指标进行检测和分析，根据分析结果，可以评估出超期服役水轮发电机组的剩余寿命，在此基础上，可以给出相关的改造建议和改造方案。研究成果可为类似电站水轮发电机组的安全评估提供借鉴。

　　关 键 词： 水轮发电机组; 超期服役; 安全评估; 寿命预测; 葛洲坝水电站

　　0 引 言

　　水轮发电机组的寿命评估是一项复杂的系统工程，发电机、水轮机等大型设备历经数万小时的运行，实际上就是长期的热处理或者高强度的负荷试验;材料老化、疲劳破坏、绝缘介质损耗、局部放电量增大等问题是高温、高压、脉动压力长期作用的必然结果[1-3]。尤其是对于部分超期服役的水轮发电机组而言，老化问题日益突出，随意延长寿命运行依据不足，风险性很大。因此，如何科学地评估超期服役水轮发电机组的剩余寿命，保证超期服役水轮发电机组设备的继续安全运行是一个亟待解决的关键问题[4-5]。现阶段，针对火电机组，有较多关于机组安全评估的规范及文献，针对机组重要部件，有着较为详细的疲劳损伤机制和疲劳寿命计算方法的介绍[6-8];而关于水轮发电机组安全评估与延寿运行领域，尚没有明确的技术规范和相关导则。本文以葛洲坝水电站为例，参照火电机组延寿评估方法[9]，在超期服役水轮发电机组安全评估与延寿运行领域开展一些探索。

　　1 水轮发电机组运行现状

　　葛洲坝水电站共装设有2台170 MW机组和19台125 MW机组，自投产以来，水轮发电机组及其电气、机械附属设备已连续运行了30多年，年运行小时数均在6 000 h以上，基本上已经到了设备设计寿命期。因此，按照国家规定，必须进行相应的超期服役延寿运行方面的安全评估。

　　葛洲坝水电站170 MW机组连续运行时间较长，机组至今未进行相关改造，而且距上次大修时间已隔10余年，机组部件明显老化[10]。同时，由于170 MW机组当时为试验性机组，在最大水头27 m附近为限制运行区，机组运行存在高水头运行风险、振动值超标、叶片裂纹及磨蚀、转轮室磨蚀和裂纹、发电机定子绝缘性能下降等隐患。

　　葛洲坝水电站125 MW机组随着运行年限的增加，存在着设备老化、效益降低等现象。其中，15台机组的发电机和19台机组的水轮机近期已完成了增容改造，而且保持着良好的滚动检修状态。改造工程完成后，机组的主要参数满足设计和规范要求，机组运行稳定，空化性能、热稳定性能、能量性能等均良好，各项性能指标均达到了预期目的和要求[11-12]。

　　2 安全评估方法和准则

　　目前水电行业内，尚没有明确的机组超期运行安全评估技术方面的要求。根据水轮发电机组的特点，以及根据对水轮发电机组风险源进行的分析，水轮发电机组安全及寿命评估主要是对水轮发电机组的重要关键部件及设备进行评估检测。其中，水轮机的评估部件包括转轮、导叶、导轴承、大轴、蜗壳、尾水管、调速系统等关键系统部件及其预埋部件;发电机的评估部件包括定子、转子、推力轴承、导轴承、大轴和励磁系统等关键系统部件及其预埋部件等[13-15]。

　　对于水轮发电机组超期服役安全评估及其剩余寿命预测，主要是采取现场外观检查评估(包括实地检查和查阅资料2种方式)、结构部件检测、现场综合性能试验、数值计算(关键部件刚强度分析与疲劳强度计算)以及综合评估的方式。

　　3 水轮发电机组评估细则及结果

　　3.1 外观检查评估细则及结果

　　外观检查评估主要是通过对设备的现场检查和查阅运行日志、检修记录、试验记录、技改资料等相关资料，对水轮发电机组主要部件进行外观检查，主要包括对水轮机转轮、水导轴承、接力器、受油器、顶盖、底环和导叶、蜗壳及尾水管进人门、发电机上机架及机座、发电机转子支架(包括磁极及磁轭)、发电机推力支架、发电机各轴承油槽、发电机制动器、发电机防飞逸保护装置等部件。具体试验检测项目如表1所列。

　　经过现场外观检查，未见机组有明显缺陷，焊缝部件焊缝完整，部件外观未见明显的锈迹、污物、裂纹，未见不正常噪声、撞击声和振动声等;通过现场外观检测及查阅电站运行日志、检修日志等，表明各机组运行状况基本良好。

　　3.2 试验检测

　　试验检测主要针对水轮发电机组主要设备开展例行和专项试验检测工作，通过分析试验检测数据，获取各设备设施的性能状况。水轮机现场试验检测主要包括：水轮机开停机状态性能检测、水轮机能量特性检测试验、水轮机关键部件应力检测、水轮机关键部件无损探伤检测等。发电机现场试验检测主要包括：发电机主要参数检测、发电机通风试验、发电机关键部件应力检测、发电机关键部件无损探伤检测等。机组具体试验检测项目如表2所列。

　　通過现场对3台机组进行停机状态抽检、开停机试验，并查阅了电站在机组扩容改造及缺陷处理时的试验日志，结果表明：主轴、导叶连杆、支持盖及螺栓、转轮、主轴密封、水导轴承(除油箱)、锥体下环、轴及连接螺栓、转子支架及紧固螺栓、上端轴紧固螺栓、推力支架、上机架与定子机座等施测部件均未发现裂纹或其他类型的超标缺陷;同时转轮、主轴、导水机构、推力支架、定子、机架等部件受力工作状态正常，表明机组工作状态正常，满足规范要求。

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文章名称： 超期服役水轮发电机组安全评估与延寿运行分析

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