隨機(jī)提供水輪機(jī)大部件現(xiàn)場加工專用設(shè)備

郭大川

摘 要：文章介紹了水輪機(jī)運行和修復(fù)概況以及國外目前水輪機(jī)修復(fù)改造中大件現(xiàn)場加工的苗頭，引入制造廠隨水輪機(jī)供貨的同時提供大件現(xiàn)場加工專用設(shè)備的理念。從而縮短修復(fù)工期，取得良好經(jīng)濟(jì)效益，更有助于進(jìn)一步提高水力資源利用率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；汽蝕；磨損；專用設(shè)備

1 概述

我國水輪機(jī)制造業(yè)為滿足水電建設(shè)，特別是巨型電站的需要，與時俱進(jìn)地提供了現(xiàn)代化的水輪機(jī)。水輪機(jī)模型效率提高到95%以上，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。展望未來，全球能源日趨緊張，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，為了可持續(xù)發(fā)展，各國對可再生能源非?？粗?，除水力資源外，正在大力研發(fā)新興的可再生能源，然而難度大、成本高。我國擁有技術(shù)可開發(fā)的水力資源為5.42億千瓦，經(jīng)濟(jì)可開發(fā)的為4.02億千瓦，現(xiàn)已裝機(jī)2億千瓦。在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，把已裝機(jī)組的運行加權(quán)平均效率再提高，把水電站水能資源利用率再提高，哪怕是百分之零點幾，也是驚人的數(shù)量，而且投資少、見效快，綠色環(huán)保。

2 水輪機(jī)運行和修復(fù)概況

水輪機(jī)投運后，經(jīng)常發(fā)生通流部件的空蝕和泥沙磨損破壞，尤其是水頭高含沙量多的電站十分嚴(yán)重。如黃河干流的鹽鍋峽電站，4號機(jī)于1961年1月18日發(fā)電，到1963年4月24日第一次大修，間隔期為兩年三個月，共運行10626h，修復(fù)工期約為一個月，至1964年12月13日，又進(jìn)行第二次大修，間隔期僅一年半，共運行9842.5h，修復(fù)工期一個半月，大修前通流部件磨蝕破壞嚴(yán)重，導(dǎo)葉立面和上下端面都出現(xiàn)較大間隙，以致機(jī)組開停都有困難。位于大渡河下游的龔嘴電站，裝7臺單機(jī)容量為100MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，首臺于1971年底投運。當(dāng)時水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪、止漏環(huán)、導(dǎo)葉都采用20MnSi，底環(huán)為ZG35，頂蓋為12Mn，材料的抗磨性能較差，水輪機(jī)通流部件磨損破壞嚴(yán)重。大修前，轉(zhuǎn)輪上下止漏環(huán)間隙由設(shè)計的2～2.45mm擴(kuò)大到10～15mm，導(dǎo)葉端面間隙由設(shè)計的0.32～0.85mm擴(kuò)大到5～8mm，以及頂蓋，止漏環(huán)，轉(zhuǎn)輪葉片曾多次出現(xiàn)穿透性裂紋，多次造成提前大修。2003年機(jī)組由國內(nèi)廠家和GE公司以技貿(mào)合作方式進(jìn)行現(xiàn)代化改造，主要部件采用現(xiàn)代抗磨蝕性能好的材料，但改造后的擴(kuò)修期僅為3年左右。

我國早期運行的水輪機(jī)，由于設(shè)計、制造水平，使用材質(zhì)和運行工況等諸多原因，通流部件磨蝕破壞嚴(yán)重，大修周期短，常常由于威脅安全運行而導(dǎo)致非計劃性大修。20世紀(jì)80年代后，隨著設(shè)計制造水平的提高，耐磨蝕材料的進(jìn)一步改善，對老機(jī)組的現(xiàn)代化改造后大修周期達(dá)到4～5年，水質(zhì)好的可達(dá)到7～8年，但磨蝕破壞依然嚴(yán)重，大修前機(jī)組性能指標(biāo)明顯降低。大修期短，大部件需返廠修復(fù)，停機(jī)時間長，損失大的問題有待解決。

3 關(guān)于大部件的現(xiàn)場加工及設(shè)備

作者一位朋友曾擔(dān)任美國Garrison， Glen Canyon和Mossyrock水電站修復(fù)改造現(xiàn)場監(jiān)理工程師和咨詢工程師。據(jù)他介紹在美國和加拿大水電站水輪機(jī)大部件的修復(fù)及老機(jī)組的改造中，傳統(tǒng)要在工廠加工的大部件加工的項目，現(xiàn)在開始采用專用設(shè)備在現(xiàn)場完成。實踐證明，節(jié)省了工時，縮短了工期保證了加工精度，獲得了經(jīng)濟(jì)效益。專用設(shè)備是一種組合式柔性設(shè)備，可隨機(jī)組大小任意組合，通用性強(qiáng)，該設(shè)備廠只提供服務(wù)不提供設(shè)備，這種新的服務(wù)方式在美國和加拿大受到歡迎而日益推廣。

3.1 加工設(shè)備

大型組合立車（Boring Machine），采用該設(shè)備可現(xiàn)場加工水輪機(jī)的基礎(chǔ)環(huán)、座環(huán)、抗磨板、固定止漏環(huán)等大型部件。該設(shè)備安裝在支座上，其支座由焊接在錐管或基礎(chǔ)環(huán)上的支板支撐。設(shè)備按機(jī)組中心找正，水平調(diào)整是通過其內(nèi)環(huán)平面實現(xiàn)。內(nèi)環(huán)平面的加工波浪度在0.001"（0.025mm）之內(nèi)。平面的上方布置兩個傳感器，用來監(jiān)視和調(diào)整立車的銑頭，控制加工刀具的跳動，保證加工的精度。更換不同尺寸的銑頭，可以加工平面，立面和斜面，并可拋光表面。

小型組合加工設(shè)備（Boring Bar），采用該設(shè)備可以在現(xiàn)場一次加工底環(huán)和頂蓋上導(dǎo)葉的三個軸承孔，也可以進(jìn)行同鏜轉(zhuǎn)輪和主軸的聯(lián)軸銷螺栓孔，該設(shè)備采用液壓驅(qū)動。

3.2 現(xiàn)場加工實例

Carrison電站1號機(jī)（位于美國North Dukota，建于1950年，裝5臺單機(jī)100MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組）在修復(fù)改造前測量發(fā)現(xiàn)，座環(huán)上法蘭面水平度達(dá)0.182"（4.629mm）、基礎(chǔ)環(huán)上平面達(dá)0.250"（6.35mm）。Glea Canyon電站1號機(jī)（位于美國Arizona，建于20世紀(jì)60年代初，裝8臺單機(jī)容量150MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組）在修復(fù)改造前測量，基礎(chǔ)環(huán)上平面不平度達(dá)0.156"（3.96mm）。Mossyrock電站（位于華盛頓州，裝2臺單機(jī)容量175mm混流式水輪發(fā)電機(jī)組，由瑞典NoHaB公司提供）拆掉導(dǎo)葉測量抗磨板水平度最大值達(dá)0.125"（3.45mm）。這些測量數(shù)據(jù)表明，水輪機(jī)的埋入部件經(jīng)長年運行發(fā)生很大的傾斜和變形，在機(jī)組修復(fù)改造中如不處理難以保證修復(fù)后的優(yōu)質(zhì)運行。這些基礎(chǔ)埋入部件在現(xiàn)場加工比返廠修復(fù)將會獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益。

3.3 加工工時

上述三個電站現(xiàn)場加工均采用兩班制，加工工時（包括輔助工時）統(tǒng)計如下：（1）基礎(chǔ)環(huán)上平面（3-5天）。（2）止漏環(huán)及配合面的加工（2-2.5天）。（3）上、下抗磨板更換及加工（6-10天）。（4）導(dǎo)葉軸套孔同鏜（4-6天）。（5）轉(zhuǎn)輪和主軸聯(lián)接孔同鏜（5-7天）。

4 水輪機(jī)制造廠隨機(jī)提供大件現(xiàn)場加工專用設(shè)備

綜上所述，水輪機(jī)的運行和修復(fù)現(xiàn)狀基本是由于某些部件磨蝕等破壞到危及機(jī)組安全運行。部件強(qiáng)度破壞或不能修復(fù)的程度才進(jìn)行大修。大修前，機(jī)組的效率等能量指標(biāo)明顯降低。大修時，機(jī)組要大解體，有的大部件要返廠加工，延長了修復(fù)工期，增加了損失。鑒于美國、加拿大近來某些水電站在水輪機(jī)修復(fù)改造中，放棄了大件到工廠加工的傳統(tǒng)做法，請加工商到現(xiàn)場利用專用設(shè)備加工獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益。針對具體加工對象（大件），量身設(shè)計現(xiàn)場加工專用設(shè)備。這樣，專用設(shè)備的固定支撐，定位導(dǎo)向、切削傳動等系統(tǒng)都能更好地結(jié)合水輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點，做到實用化、簡單化、專業(yè)化。比美國、加拿大的做法更科學(xué)有效。電站有了現(xiàn)場大修加工專用設(shè)備，大修變得簡便快捷。

5 結(jié)束語

制造廠隨機(jī)提供大件現(xiàn)場加工專用設(shè)備，可以縮短機(jī)組大修工期，增加電能生產(chǎn)，為用戶取得巨大經(jīng)濟(jì)效益。更深層次意義影響了大修期的確定，改善了大修前機(jī)組運行狀態(tài)，有效利用水力資源。中國擁有巨額的川流不息的水利資源，其利用率在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，再提高百分之零點幾，需要多部門參與，權(quán)威組織協(xié)調(diào)，作者謹(jǐn)以此文拋磚引玉。

參考文獻(xiàn)

[1]王立言.鍋峽水電廠投運初期水輪機(jī)存在問題情況調(diào)查[M].中國水利水電出版社，2008.

[2]侯遠(yuǎn)航，等.龔嘴水電廠2號水輪機(jī)基礎(chǔ)環(huán)及尾水管改[M].中國水利水電出版社，2008.

[3]沈菊英.我國高水頭混流式水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)展[C].建國四十周年水電設(shè)備成就學(xué)術(shù)討論會，1989.

[4]姚啟鵬.劉家峽水電廠2號水輪機(jī)導(dǎo)葉和抗磨板磨蝕現(xiàn)場分析[M].中國水利水電出版社，2008.