超期服役水轮发电机组安全评估与延寿运行分析

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-09-03 08:14 热度：

　　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170MW机组和19台125MW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6000h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170MW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170MW机组当时为试验性机组，在最大水头27m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125MW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。

　　通过现场对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。

　　3.3数值计算

　　通过数值模拟计算，分析了水轮发电机组主要部件的应力和变形情况、刚度和强度，并预估了水轮发电机组关键部件的疲劳寿命[16-17]。葛洲坝水电站装设的是轴流式水轮发电机组，其中水轮机主要部件包括:顶盖、支持盖、控制环、导叶、接力器、转轮、水轮机主轴、水导轴承、蜗壳盘形阀、尾水管盘型阀、蜗壳进人门、转轮室进人门、锥管进人门、尾水管进人门、关键部件联接螺栓等。发电机主要部件包括:定子机座、上机架、下机架(或推力支架)、磁极、磁轭、转子支架、主轴、导轴承、推力轴承、发电机上端轴、制动风闸、空气冷却器、主轴联接螺栓、上端轴紧固螺栓、转子支架紧固螺栓、定子机座紧固螺栓、上机架紧固螺栓等。

　　分别计算出不同工况下各关键部件的计算应力，并对以下内容进行分析研究:是否满足标准规定的许用应力，是否低于材料的屈服极限，最大等效应力是否出现在局部区域属于应力集中。根据分析结果来判断各关键部件结构刚强度是否满足设计要求，并通过统计累积损伤，分别计算出各关键部件的使用年限计算值。

　　经过对关键部件的刚强度疲劳状况进行计算分析，结果表明:葛洲坝水电站的水轮机、发电机各关键部件的刚强度均满足设计要求。以3号机组为例，通过刚强度疲劳计算分析，得到了关键部件使用寿命的计算值，如表3所列。

　　4水轮发电机组安全评估结论及建议

　　经过综合评估，发现葛洲坝水电站机组自投产以来，能严格按照相关规程要求，按计划开展各类机组检修、增容改造和安全技术改造工作，具有较高的安全运行可靠性。同时电站技术安全监督工作的全面展开，发现问题能得到及时处理;并且建立了健全的安全生产责任体系，拥有较好的贯彻落实了安全生产规章制度和操作规程，机组安全状态水平得以提升，因此具备延寿运行的基本安全条件。

　　经过外观检查、试验检测以及刚强度疲劳计算分析，结果表明:电站水轮发电机组及其附属设备总体运行状态合格，未发现部件内外部的严重缺陷、裂纹，关键部件受力工作状态，主要检测参数指标均在规范规定的合理范围内。

　　相关知识推荐：发电机组类论文能发的sci期刊

　　根据葛洲坝水电站机组的更新改造完成情况，将机组分成第1类机组(水轮机和发电机均未进行改造)、第2类机组(水轮机和发电机均已进行改造)、第3类机组(水轮机已改造，发电机未改造)共3类。对3类机组进行了安全评估，并得出如下结论及建议。

　　4.1第1类机组(1号和2号机组)

　　机组主要部件刚强度及疲劳计算可基本满足要求，但机组投运已近40a，经运行状态检查分析，机组目前的运行状况不佳且存在安全隐患。

　　(1)1号和2号机组为试验性机组，采用的是4叶片，经当初国家建委批准，其设计原则为在23m水头下安全运行，23m水头以上试验运行。因此，无法满足运行调度的要求，如果长期在高水头下运行，则存在一定的安全隐患。

　　(2)刚强度偏低导致稳定性较差，支持盖垂直振动平均值维持较高水平，且振幅随水头升高而逐渐增加。

　　(3)转轮叶片出现多次贯穿性裂纹，且磨蚀导致叶片与转轮室间隙已严重超过设计值，造成水能利用率降低，机组效率下降。

　　(4)发电机定子绝缘电阻降低、泄露电流增大，绝缘性能逐步下降。

　　综合评估认为:第1类机组可在正常工况下延寿运行5a，机组需在5a内进行更新改造，改造完成后机组延寿运行时间可等同第2类机组(自改造完成次月开始计算)。在对机组进行改造前，密切关注机组各项关键指标，尤其是部分超过规范推荐值的指标参数，如有扩大应及时处理，确保机组的安全稳定运行，并尽早开展机组的改造工作。

　　4.2第2类机组

　　这类机组的水轮机与发电机均已完成增容改造，对关键部件进行了更换或改造加强，能量指标及稳定性较改造前有显著提高，有效保障了机组安全，机组运行平稳。通过计算分析水轮机和发电机主要部件的应力情况和疲劳寿命，机组主要部件强度均满足规范要求，主要部件计算剩余疲劳寿命均远大于40a。经综合评估认为，第2类机组可在正常工况下延寿运行35a(从增容改造完成时间开始计算)。

　　4.3第3类机组

　　这类机组的水轮机已完成增容改造，对关键部件进行了更换、改造，能量指标及稳定性较改造前有显著提高，有效保障了机组安全;发电机部分尚未进行改造，但总体情况正常。通过计算分析水轮机和发电机主要部件的应力情况和疲劳寿命，机组主要部件强度均满足规范要求，主要部件的计算剩余疲劳寿命均大于40a。但因发电机部分尚未进行改造，与水轮机性能不匹配，限制了机组优异性能的发挥，且部分部件存在安全隐患，在目前的状态下可延寿5a。经综合评估认为，第3类机组水轮机可在正常工况下延寿运行35a(从增容改造完成时间开始计算)，发电机需在5a内完成改造，改造后发电机延寿运行时间可等同第2类机组。

　　5结论

　　水轮发电机组使用寿命一般为30～40a，而中国有大批在20世纪80年代投运的水电站，其机组已即将到达使用寿命，亟需对机组进行延寿运行安全评估。针对水轮发电机组安全评估与延寿运行应包括的评估部件、评估指标的确定以及延寿运行寿命值的具体计算，行业内目前尚没有明确的技术规范和有关导则。

　　本文结合葛洲坝水电站机组改造的具体情况，经研究，采取了现场外观检查评估、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)和综合评估相结合的方法，开展了机组安全评估和延寿运行分析工作的相关探索。经过综合评估，评估出了葛洲坝水电站各类机组的可延寿寿命，相关评估成果已顺利得到行业监管部门的审批。本文应用于葛洲坝水电站机组安全评估和延寿运行分析的工作思路和方法，可供行业同仁参考。——论文作者：章勋，胡定辉，桂绍波，郑涛平，田子勤

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

文章地址：http://www.sciqk.com/lwfw/dzlw/11770.html