丹江口水電廠4號水輪機(jī)改造

譚哲文

（湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司 長沙市 410014）

徐國盛 郭 婭

（湖北省漢江水利水電集團(tuán)有限責(zé)任公司 丹江口市 442700）

丹江口水力發(fā)電廠共裝有6臺150MW水輪發(fā)電機(jī)組，6臺機(jī)組于1973年10月全部投產(chǎn)發(fā)電，隨著南水北調(diào)中線水源工程丹江口大壩加高后，大壩由初期正常蓄水位157m，將提高至170m，由于大壩加高后水頭抬高，為適應(yīng)水力參數(shù)的變化，丹江口水電廠6臺水輪機(jī)要做相應(yīng)的改造，其中4號機(jī)于1972年4月投產(chǎn)，至今已運(yùn)行38年，設(shè)備老化嚴(yán)重，部分部件需要進(jìn)行更換。

此次4號水輪機(jī)組主要改造工作包括：

（1）更換新的轉(zhuǎn)輪，采用阿爾斯通設(shè)計(jì)制造的轉(zhuǎn)輪，型號：HLF211AO-LJ-595，額定出力173.25MW，額定水頭63.5m，額定流量301.4m3/s。

（2）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)改造包括底環(huán)、活動(dòng)導(dǎo)葉、套筒、頂蓋等設(shè)備的更換，控制環(huán)耳柄的處理。

（3）主軸密封改造，更換工作密封，增加一套檢修密封。

（4）對固定導(dǎo)葉進(jìn)行修型。

在此次改造中，新設(shè)備的安裝較為順利，而重點(diǎn)和難點(diǎn)在于新舊設(shè)備的銜接上，主要表現(xiàn)在：舊水輪機(jī)軸與新轉(zhuǎn)輪安裝；頂蓋、底環(huán)與座環(huán)的銜接；固定導(dǎo)葉修型。

1 轉(zhuǎn)輪安裝

新轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口直徑D1為5757.6mm，出口直徑D2為5972.4mm，凈重96.28t。由于水輪機(jī)軸不進(jìn)行更換，也未運(yùn)至廠家進(jìn)行配裝，因此，在現(xiàn)場要進(jìn)行轉(zhuǎn)輪與大軸的聯(lián)接同鏜鉸。聯(lián)軸前，首先在安裝場對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了調(diào)平，水平度在0.02mm/m，大軸首次吊入后檢查兩法蘭面間隙大部分為零，但局部有0.04mm間隙，長度為200mm。后大軸吊起逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，重新吊入檢查兩法蘭面間隙均為零，兩部件止口中心偏差在0.02mm以內(nèi)。由于舊水輪機(jī)軸下止口銹蝕嚴(yán)重，為保證同心度，我們又測量了軸領(lǐng)與上下止漏環(huán)同心度，經(jīng)測量，軸領(lǐng)與上下止漏環(huán)同心度最大為0.01mm。在后續(xù)的工作中檢查發(fā)現(xiàn)有3個(gè)轉(zhuǎn)輪銷釘孔與大軸銷釘孔最大偏差1.5mm，已經(jīng)超過了最大鏜鉸量，后經(jīng)廠家同意，將此處銷釘孔鏜鉸量由Ф148mm增大到Ф153mm，并現(xiàn)場加工相應(yīng)的銷釘。測量各部數(shù)據(jù)合格后對轉(zhuǎn)輪及大軸進(jìn)行了同鏜鉸，螺栓全部把緊后測量了同心度為0.02mm，水輪機(jī)軸法蘭水平為0.02mm/m，均符合國標(biāo)及設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)分析認(rèn)為，舊水輪機(jī)軸下法蘭面存在不平度，當(dāng)轉(zhuǎn)輪與水輪機(jī)軸首次配合時(shí)不太理想，累積誤差增大，造成了兩法蘭面間隙的產(chǎn)生，當(dāng)把大軸旋轉(zhuǎn)后與轉(zhuǎn)輪法蘭面配合間隙消除。因此筆者認(rèn)為，在進(jìn)行新舊設(shè)備安裝配合時(shí)，兩設(shè)備要進(jìn)行多次配合試裝，尋找出最理想的配合狀態(tài)。為了確保機(jī)組安裝精度，我們又測量了大軸的垂直度，最大偏差為0.013mm/m，滿足機(jī)組后期穩(wěn)定運(yùn)行。轉(zhuǎn)輪室基礎(chǔ)環(huán)楔子板水平用水準(zhǔn)儀調(diào)整合格后點(diǎn)焊，將轉(zhuǎn)輪吊入機(jī)坑，測量大軸上法蘭水平度為0.02mm/m，符合設(shè)計(jì)安裝要求。

2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)安裝

2.1 底環(huán)預(yù)裝

新底環(huán)采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，最大外徑Ф7015mm，重量13.6t，下固定止漏環(huán)與底環(huán)加工成一整體，方便機(jī)組拆裝和下迷宮環(huán)間隙測量。此次機(jī)組改造未進(jìn)行基礎(chǔ)環(huán)、座環(huán)等埋設(shè)部件的更換，因此，需將基礎(chǔ)環(huán)法蘭面進(jìn)行了拋光打磨。測量24點(diǎn)基礎(chǔ)環(huán)及座環(huán)頂蓋法蘭面、密封盤根槽水平及相對高度差數(shù)據(jù)，要求水平度不大于0.2mm，由于機(jī)組運(yùn)行多年，基礎(chǔ)環(huán)銹蝕磨損嚴(yán)重，且機(jī)組安裝初期安裝標(biāo)準(zhǔn)較低，造成基礎(chǔ)環(huán)水平偏差較大，最大偏差0.65mm，與設(shè)計(jì)要求的0.20mm和國標(biāo)[2]要求的0.40mm相差較大。后經(jīng)研究協(xié)商，將基礎(chǔ)環(huán)進(jìn)行打磨處理，直到水平達(dá)到0.20mm。見表1。

表1 基礎(chǔ)環(huán)水平 mm

將底環(huán)吊入機(jī)坑，利用之前確定的機(jī)組中心調(diào)整底環(huán)水平和中心，調(diào)整合格后發(fā)現(xiàn)有5個(gè)底環(huán)螺栓孔與基礎(chǔ)環(huán)螺栓孔錯(cuò)位較大，無法把合，后經(jīng)廠家同意，先對底環(huán)臨時(shí)加固，待導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝完畢后再對底環(huán)進(jìn)行擴(kuò)孔處理。將底環(huán)把合加固后，配鉆銷釘孔并打入定位銷。

后經(jīng)研究認(rèn)為，原基礎(chǔ)環(huán)把合螺栓孔分布圓不均造成了底環(huán)螺栓孔偏孔現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.2. 頂蓋預(yù)裝

新頂蓋為分瓣加工，最大外徑Ф7510mm，重量45.02 t。當(dāng)測量座環(huán)法蘭面時(shí)發(fā)現(xiàn)水平最大偏差0.85mm，對座環(huán)進(jìn)行處理（與基礎(chǔ)環(huán)處理方法相同），將水平控制在國標(biāo)要求的0.40mm以內(nèi)。在吊頂蓋之前，已對稱吊裝了8個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉和套筒，已便控制頂蓋與底環(huán)的周向偏差。后將頂蓋吊入機(jī)坑，利用已調(diào)整好的底環(huán)中心對頂蓋水平（表2）和中心進(jìn)行調(diào)整，頂蓋中心最大偏差0.04mm，并測量了剩余16個(gè)套筒上、中軸套與底環(huán)下軸套同心度在0.20mm以內(nèi)，調(diào)整合格后把合與座環(huán)聯(lián)接螺栓，配鉆銷釘孔。

2.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)正式安裝

因新底環(huán)和頂蓋與導(dǎo)葉端面密封為橡膠銅條密封（如圖1所示），為了方便導(dǎo)葉端面間隙測量以及防止在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)調(diào)整試驗(yàn)動(dòng)作過程中碾傷密封塊，因此，在正式安裝前將底環(huán)和頂蓋密封條、密封塊以及密封壓板進(jìn)行了預(yù)裝，待導(dǎo)水機(jī)構(gòu)全部數(shù)據(jù)調(diào)整合格后，再進(jìn)行密封裝置的正式安裝。在調(diào)整導(dǎo)葉立面間隙時(shí)，關(guān)閉導(dǎo)葉，特別要注意要使導(dǎo)葉的關(guān)閉位置角度一致，利用鋼絲繩和導(dǎo)鏈捆綁導(dǎo)葉上下兩道，鋼絲繩纏繞導(dǎo)葉一周半，在鋼絲繩和導(dǎo)葉之間墊銅皮以防損壞導(dǎo)葉表面，捆緊后檢查立面間隙，對超出范圍的松開重新排導(dǎo)葉直到合格。立面間隙調(diào)整合格后（此時(shí)已連接連桿）松開鋼絲繩。由于頂蓋和底環(huán)調(diào)整驗(yàn)收要求較高，為導(dǎo)葉立面間隙調(diào)整帶來了很大方便，導(dǎo)葉立面間隙全部為零，且用時(shí)較短，動(dòng)作試驗(yàn)靈活。

表2 頂蓋水平 mm

圖1 頂蓋端面密封圖

3 主軸密封改造

此次水輪機(jī)改造也對主軸工作密封進(jìn)行了更換，增加了檢修密封。主軸工作密封要求嚴(yán)密、耐磨、結(jié)構(gòu)簡單。此次水輪機(jī)主軸工作密封更換為靜壓自調(diào)節(jié)式軸向密封，密封元件為自補(bǔ)償型，在使用年限內(nèi)，對磨損可自動(dòng)調(diào)整。增加的主軸檢修密封為充氣圍帶式，停機(jī)時(shí)可自動(dòng)投入防止漏水，便于更換主軸工作密封。充氣圍帶有壓縮空氣管接頭，其充氣壓力為0.7MPa。主軸工作密封和檢修密封便于檢修和維護(hù)。

4號水輪機(jī)改造完成后，于2010年4月18日投運(yùn)，至11月2日機(jī)組小修已運(yùn)行6個(gè)多月。在投運(yùn)之初主軸密封漏水較少，但一周之后主軸密封漏水逐漸增大，尾水放空閥操作廊道地面已淹沒，滲漏水泵啟動(dòng)頻繁（4min～5 min啟動(dòng)一次）。我們利用機(jī)組C級檢修時(shí)間，拆除了工作密封，檢查發(fā)現(xiàn)工作密封導(dǎo)向桿蓋板銹蝕嚴(yán)重，導(dǎo)向桿卡死，無法上下自由竄動(dòng)，造成密封底座卡澀，抗磨環(huán)無法起到封水作用，致使工作密封漏水增大。

后查圖2發(fā)現(xiàn)此蓋板材料為Q235-A，此種材料容易生銹，因此，在機(jī)組C級檢修時(shí)將此處蓋板更換為不銹鋼蓋板，防止蓋板銹蝕致使導(dǎo)向桿卡死，造成工作密封大量漏水。經(jīng)處理之后，運(yùn)行至今漏水量大為減少。

圖2 主軸密封圖

4 固定導(dǎo)葉修型

丹江口水電廠4號機(jī)是20世紀(jì)70年代設(shè)備，過流面凹坑凸起較多，蝸殼焊縫有開裂現(xiàn)象，影響機(jī)組效率及安全運(yùn)行，因此過流面需進(jìn)行處理。

由于舊機(jī)組的改造無法對蝸殼及埋設(shè)部件進(jìn)行改造，只能對其進(jìn)行修整，隨著水頭流量等水力參數(shù)的變化，固定導(dǎo)葉的型線與圓周方向的切角也要相應(yīng)的進(jìn)行改變。修型時(shí)主要考慮固定支柱要具有足夠的強(qiáng)度、剛度的同時(shí)，還必須有良好的水力性能。此次修型主要是對其進(jìn)水邊和出水邊進(jìn)行的鏟磨，見圖3。

5 改造效果

機(jī)組改造后，在機(jī)組充水試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)機(jī)組漏水得到了明顯的好轉(zhuǎn)，水車室漏水聲較其它未改造機(jī)組小得多，且在做惰性停機(jī)時(shí)只用了10min，機(jī)組就完全停止下來，較其它機(jī)組少一半時(shí)間。底環(huán)、頂蓋與發(fā)電機(jī)同心度較好，這為后期機(jī)組軸線調(diào)整和機(jī)組安全運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖3 固定導(dǎo)葉修型前后對照圖

通過對導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的改造，機(jī)組效率得到了一定的提高，由于水位未達(dá)到設(shè)計(jì)水頭要求，校核額定出力條件不滿足，但當(dāng)水頭到62m時(shí)，機(jī)組出力可以達(dá)到171MW，超過了預(yù)期效果。

4號機(jī)運(yùn)行了6個(gè)月后進(jìn)行了停機(jī)檢查，檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片無汽蝕，各部件運(yùn)行良好，但轉(zhuǎn)輪下環(huán)進(jìn)水邊有汽蝕現(xiàn)象，已進(jìn)行了補(bǔ)焊打磨處理。后經(jīng)分析認(rèn)為，由于大壩未加高完成，機(jī)組運(yùn)行水頭較低，運(yùn)行工況差，造成了汽蝕現(xiàn)象。

主軸密封在投運(yùn)初期，由于工作密封導(dǎo)向桿與蓋板銹蝕卡澀，造成漏水增大，利用機(jī)組停機(jī)檢查時(shí)間，更換了此蓋板，漏水得到了好轉(zhuǎn)，至今漏水較少。

6 結(jié)語

丹江口水電廠4號水輪機(jī)組改造采用了當(dāng)前較為先進(jìn)的加工制造技術(shù)和施工措施，設(shè)計(jì)上的合理和安裝精度的提高，成為機(jī)組一次性開機(jī)成功的保證，機(jī)組各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，振動(dòng)擺度較改造之前得到了明顯的好轉(zhuǎn)。通過此次機(jī)組改造，筆者認(rèn)為，在進(jìn)行舊機(jī)組改造時(shí)，不同于新機(jī)組安裝，涉及方面較廣，協(xié)調(diào)難度大，牽扯人員多，施工不可預(yù)見性大。因此，舊機(jī)組改造要特別注意新舊設(shè)備的銜接，詳細(xì)測量記錄舊設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸和埋設(shè)部件把合螺栓孔分布尺寸等，以便新設(shè)備的順利安裝。固定導(dǎo)葉修型在丹江口水電廠機(jī)組改造中尚屬首次，通過此次修型，固定導(dǎo)葉具有良好的流線型，為機(jī)組效率的提高奠定了基礎(chǔ)。

1 劉大愷.水輪機(jī)[M].北京：中國水利水電出版社，1996 .

2 GB/T8564 -2003 .水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范[S].

3 榮連成.丹江口固定導(dǎo)葉工地修型工藝[R].2009 .