沙河抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)推力頭起拔方法研究

王以軍（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213333）

沙河抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)推力頭起拔方法研究

王以軍
（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213333）

摘要：沙河抽水蓄能電站裝機(jī)2×50MW，兩臺(tái)機(jī)組分別于2002年6、7月份投入商業(yè)運(yùn)行。多年來沙河抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)推力頭經(jīng)過多次起拔，總結(jié)出一套安全、快速、可行的方法。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；推力頭；起拔；研究

1　電站簡(jiǎn)介

沙河抽水蓄能電站位于國(guó)家5A級(jí)旅游度假區(qū)美麗的天目湖畔，距南京市120km。沙河抽水蓄能電站是江蘇省第一座水電站，裝有2臺(tái)50MW的抽水蓄能機(jī)組，總裝機(jī)容量100MW。機(jī)組額定轉(zhuǎn)速均為300r/min，年設(shè)計(jì)發(fā)電量1.82億kW·h，承擔(dān)江蘇電網(wǎng)調(diào)峰填谷、調(diào)節(jié)潮流、事故備用等任務(wù)，并作為江蘇電網(wǎng)黑啟動(dòng)的電源點(diǎn)。

電站主機(jī)設(shè)備由法國(guó)阿爾斯通公司提供，發(fā)電電動(dòng)機(jī)型號(hào)為SFD50-20/630，型式為三相、立軸、懸式、密閉自循環(huán)空冷、同步可逆式。水泵水輪機(jī)與發(fā)電電動(dòng)機(jī)通過法蘭連接。轉(zhuǎn)動(dòng)方向俯視：順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為水輪機(jī)工況，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為水泵工況。發(fā)電電動(dòng)機(jī)額定電壓10.5kV。定子重量73500kg；轉(zhuǎn)子重量112800kg；上機(jī)架重量11700kg；下機(jī)架重量5 500kg。轉(zhuǎn)子直徑4364mm；主軸長(zhǎng)度6450mm；直徑630mm。發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1230t·m2。

2　推力頭結(jié)構(gòu)與作用

沙河抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)為懸式結(jié)構(gòu)，即推力軸承位于上部機(jī)架上，在轉(zhuǎn)子上方，通過推力頭將機(jī)組整個(gè)旋轉(zhuǎn)部分的重量懸掛起來，并且還承受來自水力機(jī)械的軸向推力。轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)輪需吊出檢修時(shí)，必須將推力頭拔出后才能取出轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)輪。推力頭上方通過半插在推力軸頭中的卡環(huán)限制推力頭向上位移。推力頭通過6只螺栓與鏡板相連。

沙河抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)推力頭材質(zhì)為ASTM A668，高度480mm，與發(fā)電機(jī)軸配合高度425mm，過盈配合高度275mm，過盈量達(dá)0.20mm；推力頭外徑分1000mm和815mm兩段，各段高度分別為225mm、255mm；推力頭重1680kg?？ōh(huán)分瓣組裝，材質(zhì)S355J，高度78mm，內(nèi)徑355mm，單瓣卡環(huán)重70kg。推力頭結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1推力頭結(jié)構(gòu)圖

3　推力頭起拔方法

推力頭起拔方法有很多種，最終目的是將推力頭與大軸分離。推力頭起拔難度又和推力頭與大軸配合的緊密程度密切相關(guān)。當(dāng)推力頭與大軸為間隙配合或過渡配合時(shí)，常溫狀態(tài)下即可起拔推力頭；而當(dāng)推力頭與大軸為過盈配合特別是過盈量較大時(shí)，則必須通過加熱推力頭釋放過盈量的方法進(jìn)行起拔。下面介紹幾種常見的推力頭起拔方法。

3.1轉(zhuǎn)子自重起拔法

一般轉(zhuǎn)子帶軸是發(fā)電機(jī)組最重的部件，沙河抽水蓄能電站轉(zhuǎn)子帶軸達(dá)110多噸。取出推力頭卡環(huán)，通過機(jī)組液壓頂轉(zhuǎn)子系統(tǒng)將轉(zhuǎn)子頂起一定高度，對(duì)推力頭進(jìn)行加熱，在達(dá)到一定膨脹量后，利用轉(zhuǎn)子的自重使得推力頭和大軸產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，逐步取出推力頭。此種方法雖然有較大的起拔力，但平衡難以掌握，安全危險(xiǎn)較高，一般很少采用。

3.2頂絲起拔法

頂絲起拔是指在取出卡環(huán)且推力頭加熱完成后，在對(duì)稱方向用3根或以上螺桿將推力頭與推力頭起拔專用工具相連，通過同步擰緊螺桿上的螺母的方法來起拔推力頭（見圖2）。此種方法速度慢、耗費(fèi)人力，但由于起拔力不大，安全系數(shù)較高，只要控制好推力頭的水平度，安排好人力輪換，配以一定程度的加力桿，能夠較為順利地拔出推力頭。

圖2頂絲起拔推力頭

3.3千斤頂起拔法

千斤頂起拔是指在取出卡環(huán)且推力頭加熱完成后，在推力頭與推力頭起拔專用工具之間對(duì)稱方向上放置2臺(tái)以上千斤頂，通過同步操作千斤頂?shù)姆椒▉砥鸢瓮屏︻^（見圖3）。千斤頂可用螺旋式、液壓式，其中液壓式千斤頂壓力可達(dá)百噸級(jí)以上。用千斤頂起拔省時(shí)省力，但千斤頂操作力很大且有死行程，同步難以掌握，易造成推力頭的不水平。若使用專用環(huán)形液壓千斤頂可避免以上缺點(diǎn)。

圖3千斤頂起拔推力頭

3.4手拉葫蘆/橋機(jī)起拔法

手拉葫蘆起拔是指在取出卡環(huán)且推力頭加熱完成后，將推力頭起拔專用工具與推力頭相連，再用手拉葫蘆與推力頭起拔專用工具對(duì)稱相連，通過同步拉動(dòng)手拉葫蘆來起拔推力頭（見圖4）。一般情況下手拉葫蘆懸掛在橋機(jī)的大鉤上，也可通過緩慢起升橋機(jī)大鉤來起拔推力頭。手拉葫蘆/橋機(jī)起拔法較為省力，但推力頭水平度較難掌握。

圖4手拉葫蘆/橋機(jī)起拔推力頭

根據(jù)機(jī)組特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)情況，以上推力頭起拔方法可單獨(dú)使用，也可幾種方法配合使用，如頂絲起拔法與起重機(jī)械起拔法結(jié)合使用等。

4　沙河抽水蓄能電站推力頭起拔加熱工藝改進(jìn)

為了取得較好的接觸緊密度與良好的運(yùn)行平穩(wěn)度，推力頭與大軸常為過盈配合，且過盈量較大，這就需要熱拔推力頭。推力頭加熱方法有火焰加熱法、陶瓷片加熱法、云母加熱法、渦流加熱法、履帶板加熱法等。

由于法國(guó)阿爾斯通公司未提供具體的推力頭起拔工藝，沙河抽水蓄能電站推力頭起拔延用機(jī)組安裝時(shí)法國(guó)阿爾斯通公司提供的兩瓣組裝式云母加熱器，其單瓣加熱器參數(shù)為：額定電壓400V，額定功率10kW，尺寸815mm×240mm。由于該加熱器升溫速度慢，現(xiàn)場(chǎng)熱損失較大，用該加熱器熱起拔推力頭正常要耗時(shí)8h左右。2012年1號(hào)機(jī)組擴(kuò)大性A級(jí)檢修，用千斤頂法起拔推力頭的過程中出現(xiàn)推力頭與大軸卡死現(xiàn)象，導(dǎo)致了軸頭和推力頭被拉毛。經(jīng)研究分析，其主要原因是推力頭起拔水平控制不到位，而法國(guó)阿爾斯通公司提供的加熱器功率偏小，只適用于推力頭的回裝而不適用于推力頭的起拔也是原因之一。因此，電站決心改進(jìn)推力頭加熱工藝。

考慮到推力頭為精加工件，為了防止局部加熱過快，導(dǎo)致推力頭形變，對(duì)加熱面積進(jìn)行了優(yōu)化，即由原來的單一上層加熱，改為上、下兩層同時(shí)加熱（見圖5）；加熱器功率由原來20kW改為45kW。計(jì)算過程如下：

首先計(jì)算推力頭加熱所需的有效熱量Q1，公式為Q1=G×C×（T1-T0）

式中：G為工件重量，取1.8×103kg；

C為鋼比熱（0.48kcal/kg℃）。

從環(huán)境溫度升至120℃按8h計(jì)算，則每小時(shí)平均所需熱量為Q1=1.8×103×0.48×120/8=12960kcal/h。

其次計(jì)算保溫材料的熱損失Q2，公式為Q2=[（T1-T2）/（S/λ+f）]×F

式中：T1為目標(biāo)溫度，取120℃；

T2為環(huán)境溫度，取0℃；

S為硅酸鋁纖維毯厚度，取0.05m；

λ為硅酸鋁纖維毯導(dǎo)熱系數(shù)，取0.046kcal/ （mh℃）；

F為保溫材料表面積，取2m2；

f為綜合傳熱系數(shù)，取0.06。

則Q2=[（120-0）/（0.05/0.046+0.06）]×2=209cal/h。

再計(jì)算保溫材料的蓄熱量Q3，公式為Q3=V× γ×C×（T1-T2）/t

式中：T1為目標(biāo)溫度，取120℃；

T2為環(huán)境溫度，取0℃；

V為硅酸鋁纖維毯體積，取0.1m3；

γ為硅酸鋁纖維毯容重，取128kg/m3；

C為保溫材料比熱，取0.24；

則Q3=0.1×128×0.24×(120-0)/8=46kcal/h。

最后計(jì)算推力頭升溫至120℃每小時(shí)所需總熱量Q：

Q=Q1+Q2+Q3=12960+209+46=13215kcal/h

換算成電功率，則為P=（Q/860）×K

式中：860為熱量與功率換算常數(shù)；

K為經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償系數(shù)，取3。

P=（13215/860）×3=45kW。

通過以上計(jì)算加熱總功率為45kW。分兩層加熱，上層加熱器尺寸853mm×255mm，3塊組裝，單塊功率7.5kW/220V；下層加熱器尺寸1046mm× 225mm，3塊組裝，單塊功率7.5kW/220V。

新型加熱器采用脈沖導(dǎo)電控制溫升速度，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)溫升速度需要，進(jìn)行相應(yīng)溫升時(shí)間、上限溫度等參數(shù)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)快速、可控加熱功能。

2013年2號(hào)機(jī)組擴(kuò)大性A級(jí)檢修中采用了上述新型大功率加熱器對(duì)推力頭進(jìn)行加熱，對(duì)推力頭外圍進(jìn)行嚴(yán)密保溫，并輔助冰塊、壓縮空氣對(duì)大軸冷卻，運(yùn)用“熱脹冷縮”原理快速形成溫差，同時(shí)嚴(yán)格控制推力頭水平度，采用了頂絲加手拉葫蘆起拔的方法，最終用時(shí)僅1.17h就順利拔出2號(hào)機(jī)推力頭。

圖5雙層加熱器

5　推力頭起拔注意事項(xiàng)

推力頭能否順利起拔，取決于事先能否編制合適的安全技術(shù)方案并嚴(yán)格執(zhí)行。每臺(tái)機(jī)組的推力頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材質(zhì)、尺寸、主要參數(shù)等都不盡相同，要根據(jù)自身特點(diǎn)采取不同的起拔工藝。但推力頭的起拔基本原理是相通的，均需要注意以下問題。

5.1起拔過程中的水平度維持

起拔過程中的水平度維持特別重要，推力頭只有在水平狀況下才能順利拔出。起拔過程中要派專人時(shí)刻監(jiān)視水平度（水平儀監(jiān)視或用千分尺測(cè)量均分點(diǎn)的長(zhǎng)度來監(jiān)視），稍有不慎，推力頭很容易與大軸卡死，造成起拔失敗。

5.2推力頭膨脹量

對(duì)于與大軸過盈配合的推力頭來講，特別是過盈量較大的情況下（如沙河抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)推力頭過盈量為0.20mm，遠(yuǎn)大于一般推力頭0.07mm的過盈量），須采取加熱措施，使得推力頭形成一定的膨脹量，才能順利起拔推力頭。推力頭膨脹量的選取主要根據(jù)廠家設(shè)備說明書，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并與推力頭的加熱速度直接相關(guān)。溫度不夠，推力頭膨脹量達(dá)不到要求；時(shí)間過長(zhǎng)，大軸將跟隨推力頭一同膨脹，因此推力頭需要在較短時(shí)間內(nèi)取得一定的膨脹量。

5.3起拔過程的連續(xù)性

正常情況下，推力頭在加熱到一定程度取得合適的膨脹量后應(yīng)即刻起拔，而且起拔是連續(xù)不間斷的。為了安全起拔，一般都要斷開加熱電源。而加熱電源斷開后較短時(shí)間內(nèi)膨脹量即會(huì)變小，則須迅速起拔推力頭。在保持推力頭水平狀態(tài)的條件下，使推力頭四周均勻受力并保持連續(xù)性，推力頭將會(huì)順利拔出。

5.4不得野蠻施工

要嚴(yán)格執(zhí)行既定安全技術(shù)方案起拔推力頭，過程中也可能遇到意想不到的困難或情況，如采取雙千斤頂同步起拔過程中，一只千斤頂故障導(dǎo)致推力頭受力不均而傾斜，此時(shí)必須調(diào)整好推力頭的水平度后才能繼續(xù)起拔，而且起拔不動(dòng)時(shí)不能強(qiáng)行起拔，否則會(huì)造成推力頭卡死的嚴(yán)重后果。

6　結(jié)束語(yǔ)

沙河抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)推力頭的起拔嘗試過多種工藝方法，有深刻的教訓(xùn)，也有非常成功的經(jīng)驗(yàn)，最終總結(jié)出一套安全、快速、可行的工藝流程，為國(guó)內(nèi)同類抽水蓄能機(jī)組起拔推力頭提供借鑒。

中圖分類號(hào)：TK730.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）01-0040-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.013

收稿日期：2014-08-22

作者簡(jiǎn)介：王以軍（1975-），男，高級(jí)工程師，從事水電站生產(chǎn)運(yùn)行管理工作。