混流式水輪機導(dǎo)水葉操作系統(tǒng)的改造與漏水治理

薛捍權(quán)，高忠繼

(云峰發(fā)電廠，吉林 集安 134200)

云峰水利樞紐位于鴨綠江中上游的吉林省集安市青石鎮(zhèn)境內(nèi)，是中朝兩國在鴨綠江界河上合資興建、利益共享、中方管理的大型水利樞紐工程。工程共裝發(fā)電機組4臺，原設(shè)計單機容量100 MW，總裝機容量400 MW，年均發(fā)電量17.5億kWh。后期50 Hz 2臺機組經(jīng)過增容改造單機容量為115 MW，現(xiàn)全廠總裝機容量430 MW，實際多年平均流量為228 m3/s，年平均發(fā)電量15.23億kWh。

云峰發(fā)電廠水輪發(fā)電機組是由4臺混流式水輪發(fā)電機組成。型號為HL662－LJ－410，設(shè)計水頭89 m;設(shè)計流量135 m3/s;額定轉(zhuǎn)速150 r/min，是以調(diào)節(jié)峰荷為主要目的大中型水電站。機組自1965年第1臺機組投入發(fā)電至今，運行40余年。

混流式水輪機的漏水主要體現(xiàn)在導(dǎo)水機構(gòu)的過流部件上。以控制流量的導(dǎo)水葉為中心，頂蓋與底環(huán)結(jié)合密封，從而達到控制漏水量的根本目的。由于機組長年進行峰荷調(diào)節(jié)，動作頻繁，導(dǎo)水機構(gòu)中的頂蓋、導(dǎo)葉、套筒等部件軸承與軸承套之間磨損嚴(yán)重，使各傳動部件的配合間隙增大，尤其有的水輪機頂蓋與底環(huán)之間，以前的導(dǎo)葉端面密封無密封膠條，采用的是硬性止口，機組經(jīng)過幾十年運行后，漏水量不斷增大。在首次進行設(shè)備改造過程中，通過人工對頂蓋與底環(huán)的端面加工了密封槽。受當(dāng)時技術(shù)條件限制，加工精度與實際要求存在一定誤差，密封效果不好，導(dǎo)致水輪機達不到預(yù)期效果，造成水能利用率降低，同時給機組的安全運行帶來很大隱患。

1 漏水的危害及測量

a． 漏水危害的定義。漏水的危害［1－3］是指，當(dāng)機組在停運的情況下，工作輪前端的導(dǎo)水葉處于完全關(guān)閉，操作工作輪的壓力鋼管內(nèi)的水源完全處于密封狀態(tài)，保證工作輪開始轉(zhuǎn)動時提供最大流量，使水能轉(zhuǎn)換成最有效的機械能，而當(dāng)導(dǎo)水葉密封不嚴(yán)時，部分水流通過導(dǎo)水葉流失，造成資源浪費，嚴(yán)重時將導(dǎo)致機組誤開機。同時漏水對設(shè)備的危害也十分嚴(yán)重，漏水不斷通過導(dǎo)水葉外泄，導(dǎo)致周圍設(shè)備嚴(yán)重空蝕，大大降低了設(shè)備的使用壽命，增加了維護量。

b． 漏水對導(dǎo)水機構(gòu)的危害。機組停機時導(dǎo)水機構(gòu)必須封水嚴(yán)密，否則不但會增加漏水量而且會加劇間隙空蝕破壞，導(dǎo)葉關(guān)閉后如漏水嚴(yán)重時可能造成機組無法停機。

c． 漏水對機組調(diào)節(jié)的危害。對于中、高水頭并在電網(wǎng)中擔(dān)任尖峰負(fù)荷的機組來說，減少停機時的漏水損失尤為重要，因為這些機組有相當(dāng)長時間處于停機狀態(tài)。

機組在較長時間內(nèi)低轉(zhuǎn)速運行時，對推力軸承穩(wěn)定運行造成嚴(yán)重威脅，同時還會造成漏氣量大，壓水不到位，從而導(dǎo)致較大的有功功率損失。

d． 漏水量的計算公式。漏水量的計算可利用單位時間t內(nèi)壓力管道的漏水量qG進行估算［3］。由于進水閘門存在不同程度的漏水量，所以qG并不是導(dǎo)葉實際漏水量，而導(dǎo)葉實際漏水量qD為

式中 qD——導(dǎo)葉實際漏水量，m3/s;

qZ——進水閘門漏水量，m3/s;

qG——壓力管道漏水量，m3/s。

qZ可在機組檢修過程中，通過對壓力管道內(nèi)的漏水水流斷面面積和漏水水流流速的測定求得。在關(guān)閉工作閘門測量壓力管道的漏水量時，如果工作閘門的側(cè)路閥漏水較大時，在 (1)式中應(yīng)加上。如果蝸殼排水閥或鋼管排水閥漏水較大時，應(yīng)在 (1)式中減去。

e． 導(dǎo)水葉端面間隙的重要性。為了減少漏水，必須提高導(dǎo)葉的加工精度，使導(dǎo)葉上、下端面和頂蓋、底環(huán)之間，導(dǎo)葉與導(dǎo)葉之間的立面間隙盡可能小，但即使達到規(guī)定的技術(shù)要求，在機組安裝投產(chǎn)后由于溫度的變化和廠房基礎(chǔ)變形等不利因素也可能造成導(dǎo)葉裝配間隙增大，嚴(yán)重時亦導(dǎo)致導(dǎo)葉卡阻現(xiàn)象，實際上中、小型水輪機的端面總間隙和為0.5～0.6 mm，大型水輪機端面總間隙和一般為1.0～1.5 mm。

導(dǎo)水葉端面間隙測量點通常是在兩個導(dǎo)水葉為一個單元的外側(cè)上、下4個部位。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):上、下端面間隙和的上限等于機組設(shè)計的最大間隙和，上、下端面間隙和的下限不小于機組設(shè)計的最小間隙和的70%。端面間隙分配一般在70%～30%。

f． 導(dǎo)水葉立面間隙的測量。通常在導(dǎo)水葉全關(guān)閉有油壓下進行，為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，也可在無油壓下進行復(fù)測。測量點主要在兩個導(dǎo)水葉搭接面的上、中、下3個部位。測量時，人工使用0.05 mm的塞尺進行。有、無油壓下導(dǎo)水葉的立面間隙均為零。在無油壓下進行測量過程中，如果局部有間隙，其長度不能超過導(dǎo)水葉的1/4。

2 導(dǎo)水葉漏水原因分析

2.1 接力器壓緊行程對導(dǎo)水葉漏水量的間接影響

a． 壓緊行程作用

導(dǎo)水葉漏水量不但和導(dǎo)水葉的端面、立面間隙有直接的關(guān)系，也和接力器的壓緊行程密切相關(guān)。導(dǎo)葉關(guān)閉時，蝸殼水壓的作用，以及操作臂變形及各軸銷與軸套之間存在間隙，使導(dǎo)葉有向開側(cè)方向移動的趨勢。為了避免由此引起的漏水現(xiàn)象，導(dǎo)葉關(guān)閉后還要向關(guān)側(cè)移動幾毫米，以保證過緊量。

b． 壓緊行程的調(diào)節(jié)

壓緊行程是通過調(diào)節(jié)兩接力器與控制環(huán)之間的連桿上調(diào)整螺母來完成的。大、中型水輪機接力器的壓緊行程為6～8 mm。

c． 人為誤差造成的漏水

工作人員在進行調(diào)節(jié)過程中，受人為因素的影響，由于工作人員的眼睛看刻度尺時有誤差，可能使兩接力器的壓緊行程不十分同步，使得兩連桿長短出現(xiàn)輕微偏差，操作機構(gòu)動作無法完全協(xié)調(diào)，也會導(dǎo)致漏水。

2.2 機組調(diào)節(jié)頻繁導(dǎo)致導(dǎo)水機構(gòu)部件之間的磨損

機組調(diào)節(jié)頻繁，導(dǎo)致操作機構(gòu)各連接部件磨損嚴(yán)重，間隙過大。機組在運行期間，總要進行調(diào)節(jié)峰荷，如果調(diào)節(jié)頻繁，會造成操作機構(gòu)的連接軸銷與軸套之間出現(xiàn)研磨現(xiàn)象，當(dāng)磨損程度超過規(guī)定指標(biāo)范圍時，會使導(dǎo)水葉各部間隙均發(fā)生變化，間隙值增大。操作機構(gòu)無法控制導(dǎo)水葉完全關(guān)閉，導(dǎo)水葉關(guān)閉不嚴(yán)，是漏水的主要原因之一。

2.3 密封裝置的密封件易損嚴(yán)重導(dǎo)致漏水量增大

a． 止漏裝置的重要性

裝置導(dǎo)水機構(gòu)的止漏裝置，包括導(dǎo)葉軸承止漏及導(dǎo)水機構(gòu)在全關(guān)閉狀態(tài)下為防止蝸殼中壓力水流入下游裝置的導(dǎo)葉與導(dǎo)葉之間，導(dǎo)葉與上、下環(huán)之間的止漏裝置。

b． 止漏裝置的組成

對于中、低水頭的大、中型水輪機導(dǎo)水葉的端面與立面的止水裝置主要是依靠密封膠條來有效防止漏水。當(dāng)導(dǎo)葉完全關(guān)閉后，導(dǎo)葉尾部依靠接力器的作用力壓緊在相鄰導(dǎo)葉頭部的密封膠條上，這種結(jié)構(gòu)的密封容易在運行中出現(xiàn)膠條被刮落現(xiàn)象。

c． 軸承止漏的主要部件

導(dǎo)水葉軸徑與套筒配合密封是通過“U”型膠圈和“O”型膠圈阻止漏水。由于機組長時間運行中不斷往復(fù)運動，導(dǎo)水葉端面與立面以及軸徑總和密封裝置發(fā)生摩擦，密封膠條與“U”型膠圈和“O”型膠圈容易出現(xiàn)損壞，是導(dǎo)致導(dǎo)水葉漏水的另一主要原因。

3 改造技術(shù)方案

3.1 導(dǎo)水葉端面密封處理

根據(jù)機組原設(shè)計要求，導(dǎo)水葉上、下端面密封膠條的高度必須保證2 mm左右。機組原設(shè)計密封材料的使用以中性橡膠為主，但由于橡膠制品的柔軟性好、硬度差、抗磨性較低、加工粗糙，同時機組運行中設(shè)備長時間浸在水里，銹蝕嚴(yán)重、結(jié)合面不光滑、凸凹不平等不利因素，造成局部高度滿足不了要求，致使漏水量仍然較大 (見圖1)。通過對機組A級檢修過程中，對頂蓋下端面及底環(huán)上端面所有的密封膠條全部進行重新更換，并在膠皮條安裝槽內(nèi)加裝1 mm的膠皮板 (見圖2)，有效提高膠皮條的高度，在滿足規(guī)程要求的情況下，縮短了膠條與頂蓋及導(dǎo)葉之間的距離 (見圖3)，從而使導(dǎo)葉與頂蓋之間端面漏水量減小。同時還對機組的導(dǎo)水葉端面密封膠條的材料進行了改進，使用聚氨酯代替原中性橡膠材質(zhì) (見圖4)，提高了材料的抗磨性。保證密封膠條完好的工作到下一檢修周期。

3.2 導(dǎo)水葉立面密封處理及立面間隙調(diào)整

a． 導(dǎo)水葉立面膠條更換。利用機組進行A級檢修的機會，對所有的24個導(dǎo)水葉的立面密封膠條進行了更換 (見圖5、圖6)。通過對各種新型材料，各方面性能對比與現(xiàn)場試驗，最后確定使用聚氨酯代替原中性橡膠材質(zhì)。這種新型橡膠制品不但提高了材料的抗磨性，還有效增加了抗空蝕強度。新型密封膠條與導(dǎo)水葉經(jīng)常磨合時，其硬度適中、不易損壞，起到防止導(dǎo)水葉立面出現(xiàn)漏水的決定性作用。

b． 立面間隙調(diào)整。機組安裝完畢后，手動操作調(diào)速器將導(dǎo)水葉完全關(guān)閉，在有油壓情況下，使用鋼絲繩對導(dǎo)水葉利用捆綁式的方法 (見圖7)，將所有導(dǎo)水葉捆緊，然后用塞尺對2個相鄰導(dǎo)水葉的立面進行測量。如果發(fā)現(xiàn)多數(shù)2個相鄰導(dǎo)水葉之間的立面間隙滿足不了規(guī)程上規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，將調(diào)速系統(tǒng)的油壓全部卸掉，確保操作機構(gòu)在無油壓狀態(tài)下，將雙聯(lián)臂與導(dǎo)水葉上端拐臂分解。人工使用大錘將所有導(dǎo)水葉打靠，并使用手拉葫蘆將所有導(dǎo)水葉進一步捆緊，直至所有導(dǎo)水葉之間的立面間隙全部為零。接著通過延伸雙聯(lián)臂調(diào)整螺栓的方法，將雙聯(lián)臂與導(dǎo)水葉上端拐臂連到一起。調(diào)整后松開捆綁導(dǎo)水葉的鋼絲繩，再一次對所有導(dǎo)水葉的立面間隙進行復(fù)測，保證接力器在有油壓與無油壓時測量導(dǎo)水葉的立面間隙均為零。

3.3 導(dǎo)水機構(gòu)雙聯(lián)臂更換

雙聯(lián)臂是調(diào)整導(dǎo)水葉立面間隙的主要部件，聯(lián)接在控制環(huán)與拐臂之間，其長短直接影響導(dǎo)水葉立面間隙好壞。由于導(dǎo)水機構(gòu)雙聯(lián)臂長年工作在水車室內(nèi)，材質(zhì)為35號鋼。受現(xiàn)場環(huán)境影響易產(chǎn)生嚴(yán)重銹蝕，因此在每次檢修結(jié)束后，必須對雙聯(lián)臂整體涂上防腐漆，以保證不產(chǎn)生銹蝕，然而經(jīng)過多次機組A級檢修中，在進行導(dǎo)水葉立面間隙調(diào)節(jié)過程中，雙聯(lián)臂力臂調(diào)整螺栓頻繁出現(xiàn)亂扣問題，調(diào)整后導(dǎo)水葉立面間隙一直達不到理想狀態(tài) (見圖8)。通過多方面的調(diào)查研究，并與生產(chǎn)廠家合作，進行各項試驗，最后確定將雙聯(lián)臂在保留原有形體的基礎(chǔ)上，其主要金屬含量更換成為1Cr13(見圖9)。新雙聯(lián)臂安裝后，各項性能指標(biāo)均達到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，并且調(diào)節(jié)效果較好。由于主要成分抗銹蝕能力較強，不用在雙聯(lián)臂的表面上再涂防腐漆，保證調(diào)整螺栓可以輕松進行調(diào)節(jié)的同時，再不出現(xiàn)雙聯(lián)臂調(diào)整螺栓亂扣現(xiàn)象。

3.4 加大接力器壓緊行程調(diào)整力度

在滿足接力器壓緊行程技術(shù)指標(biāo)的前提下，加大接力器壓緊行程的壓縮量，將接力器壓緊行程調(diào)整到接近上限值。接力器壓緊行程的調(diào)整主要通過伸長與縮短控制環(huán)推拉桿與接力器活塞推拉桿來完成。由于兩推拉桿之間依靠調(diào)整螺母銜接，因此旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺母正反方向，就能達到調(diào)整的目的 (見圖10)。必須同時調(diào)整2臺接力器的推拉桿與控制環(huán)推拉桿之間的調(diào)整螺母，調(diào)整長度保持一致才會使接力器操作倒水機構(gòu)完全關(guān)閉導(dǎo)水葉后封閉效果最佳。

3.5 徹底解決導(dǎo)水葉軸徑與軸套配合以及套筒密封裝置漏水問題

圖10 接力器壓緊行程調(diào)整

導(dǎo)水葉上、中、下軸徑與各部軸套之間均屬間隙配合，根據(jù)水輪機設(shè)計要求，各部間隙由下至上逐漸變大。各軸徑與軸套之間的止水主要通過密封裝置完成。當(dāng)水流經(jīng)過導(dǎo)水葉時，大量的雜質(zhì)混在其中，水流強烈沖擊導(dǎo)水葉的密封裝置時，大量的雜質(zhì)起到了關(guān)鍵性破壞作用，造成密封裝置出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。經(jīng)過現(xiàn)場進行實際仿真試驗，確定改變密封裝置出廠原設(shè)計。在不改變各部軸徑的基礎(chǔ)上，通過縮小部分密封件的內(nèi)徑 (見圖11)，減小與軸徑之間的配合間隙達到止水的最初目的。同時，通過利用聚氨酯代替原中性橡膠更換“U”型密封圈的材質(zhì) (見圖12)，提高密封材料耐磨性的同時增強其硬度，達到止漏最終目的。

4 結(jié)束語

對水輪機導(dǎo)水葉進行根本治理后，導(dǎo)水葉套筒與根部從外觀進行檢查沒有發(fā)現(xiàn)漏水問題。接力器壓緊行程與立面間隙調(diào)整完全符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程規(guī)定。機組經(jīng)過A級檢修結(jié)束后，通過對導(dǎo)水葉漏水量各方面數(shù)據(jù)采集分析，治漏效果十分明顯。當(dāng)機組導(dǎo)水葉完全關(guān)閉的同時關(guān)閉工作閘門，工作閘門與導(dǎo)水葉前壓力鋼管段存水保持時間由原來的1.5 min，提升到現(xiàn)在的7 min。導(dǎo)水葉漏水量由原來的0.94 m3/s下降到現(xiàn)在的0.42 m3/s，基本上符合技術(shù)指標(biāo)要求。機組在運行一個周期后，進行導(dǎo)水葉漏水量各方面數(shù)據(jù)復(fù)測，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)與前面保持一致?；炝魇剿啓C漏水根本治理中密封材料的更換、雙聯(lián)臂材質(zhì)的更換、密封圈的改進等幾個方面取得了全面成功，可以在同類電站中全面推廣。

［1］ 劉大愷．水輪機 (第三版) ［M］．北京:中國水利水電出版社，1996．

［2］ 黎永才．水輪機［M］．北京:中國水利水電出版社，1989．

［3］ 康同生，劉洪漢，孫亦林，等．水輪機及其檢修［M］．北京:職工教育出版社，1987．

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