葛洲壩125 MW機(jī)組增容改造水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(東方電氣東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

葛洲壩125 MW機(jī)組增容改造水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王紅曼，黃莉，羅遠(yuǎn)紅

(東方電氣東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

葛洲壩水電站自1981年7月第1臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電以來(lái)，至今運(yùn)行已逾30年。為了充分利用水能，提高三峽水電站與葛洲壩水電站的綜合效益，中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司對(duì)葛洲壩大江水電站機(jī)組實(shí)施增容改造，東方電氣東方電機(jī)有限公司對(duì)其中6臺(tái)套水輪機(jī)進(jìn)行增容改造。

葛洲壩水電站；水輪機(jī)；增容改造；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引 言

葛洲壩水利樞紐是三峽水利樞紐的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，用于改善長(zhǎng)江航運(yùn)條件和發(fā)電。葛洲壩水電站為徑流式水電站，總裝機(jī)容量為2 715 MW，保證出力768 MW，年發(fā)電量約15 700 GWh。水電站分為大江水電站和二江水電站，總裝機(jī)21臺(tái)，其中大江水電站裝設(shè)14臺(tái)單機(jī)容量125 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，二江水電站裝設(shè)2臺(tái)單機(jī)容量170 MW和5臺(tái)單機(jī)容量125 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組。水電站自1981年7月第1臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電以來(lái)，至今運(yùn)行已逾30年。為了充分利用水能，提高三峽水電站與葛洲壩水電站的綜合效益，中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司決定對(duì)葛洲壩大江水電站機(jī)組實(shí)施增容改造。

東方電氣東方電機(jī)有限公司(簡(jiǎn)稱東方電機(jī))與長(zhǎng)江電力股份有限公司簽訂了葛洲壩水電站6臺(tái)125 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組增容改造合同。合同要求在水力參數(shù)基本不變的前提下，水輪機(jī)單機(jī)容量從改造前的129 MW增容至153 MW，增幅近20%，難度巨大。葛洲壩水輪機(jī)增容改造的主要范圍包括轉(zhuǎn)輪裝配、主軸密封裝配及水導(dǎo)軸承裝配3部分。在水輪機(jī)改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，始終堅(jiān)持質(zhì)量第一、用戶第一的設(shè)計(jì)思想，博采眾家之長(zhǎng)，充分借鑒和利用之前在大型軸流式機(jī)組上成功的研制經(jīng)驗(yàn)，并將相關(guān)的最新研究成果運(yùn)用于葛洲壩水輪機(jī)增容改造設(shè)計(jì)中，以保證機(jī)組改造后滿足合同要求，能安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 基本數(shù)據(jù)和性能

1.1 水輪機(jī)基本參數(shù)

水輪機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 水輪機(jī)改造增容后滿足的技術(shù)指標(biāo)

1)空化系數(shù)

電站空化系數(shù)為0.93(原水輪機(jī)安裝高程36.6 m不變)。

2)出力保證

在額定水頭18.6 m下，水輪機(jī)在額定轉(zhuǎn)速62.5 r/min運(yùn)行，水輪機(jī)額定出力不小于153 MW。

3)效率保證

水輪機(jī)最高效率不低于94.03%。

4)空蝕磨損破壞保證

水輪機(jī)運(yùn)行8 000 h，賣方應(yīng)保證不會(huì)因空蝕、磨損導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪的金屬失重超0.5D12kg，單個(gè)葉片的空蝕面積、剝落質(zhì)量不得大于全部葉片平均損壞量的兩倍。保證的先決條件是8 000 h內(nèi)，功率小于35%功率保證值，運(yùn)行的時(shí)間不超過(guò)800 h，超功率保證值運(yùn)行時(shí)間不超過(guò)100 h。

表1 水輪機(jī)基本參數(shù)

2 改造后水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

水輪機(jī)改造關(guān)鍵技術(shù)有以下幾點(diǎn)：

1)機(jī)組主軸密封形式研究，在軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組上首次使用自補(bǔ)償型工作密封形式；

2)水導(dǎo)軸承支撐方式研究，由原有的頂瓦螺釘支撐考慮改為楔子塊式支撐方式；

3)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)及吊具的研究，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制轉(zhuǎn)輪及吊具的重量，使得在電站廠房起吊設(shè)備不變的情況下，對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行空中翻身。

葛洲壩小機(jī)增容改造采用東方電機(jī)新開(kāi)發(fā)的D673轉(zhuǎn)輪。該轉(zhuǎn)輪經(jīng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院模型中立試驗(yàn)驗(yàn)證，效率高，空化性能好，穩(wěn)定性好。該機(jī)組涉及到的改造部件有轉(zhuǎn)輪裝配、軸承裝配、密封裝配、導(dǎo)流錐、相關(guān)工具部分及備品備件，見(jiàn)圖1。

2.1 轉(zhuǎn)輪裝配

1)轉(zhuǎn)輪型號(hào)為D673，轉(zhuǎn)輪直徑10.2 m，輪轂比0.415。在轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于原水輪機(jī)主軸不更換，因此轉(zhuǎn)輪接力器仍布置于轉(zhuǎn)輪體上端的，采用傳統(tǒng)的“操作架”方案。但與原結(jié)構(gòu)相比，新轉(zhuǎn)輪接力器缸與轉(zhuǎn)輪體整鑄為一體，此種結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單、緊湊，并可保證在轉(zhuǎn)輪輪轂比由0.44縮小為0.415后，且轉(zhuǎn)輪接力器缸直徑由原Φ 2 750 mm增加到Φ 2 850 mm的情況下，轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度仍滿足設(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)輪接力器缸結(jié)構(gòu)改造前后對(duì)比見(jiàn)圖2和圖3。

圖1 葛洲壩小機(jī)改造后水輪機(jī)剖面

圖2 葛洲壩小機(jī)改造前轉(zhuǎn)輪

圖3 葛洲壩小機(jī)改造后轉(zhuǎn)輪

2)每個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)操作油管將最大為4.0 MPa的壓力油引入轉(zhuǎn)輪接力器上下腔操作活塞帶動(dòng)活塞桿、操作架、連桿、轉(zhuǎn)臂、葉片軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，葉片轉(zhuǎn)角為-15°～+15°，接力器行程為375 mm。連桿與操作架通過(guò)連桿銷直接連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了加工量，方便安裝。加工時(shí)，將操作架把合在轉(zhuǎn)輪體上一次鏜孔，以保證精度。操作架由原來(lái)的整體鑄鋼件20Mn改為鋼板焊接與中心筒鑄鋼20Mn相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的重量比原來(lái)減輕了5.2 t，且產(chǎn)品質(zhì)量更能得到保證，如圖4所示。

圖4 葛洲壩小機(jī)改造后操作架

3)改造前活塞桿與活塞一體整體鍛造，材質(zhì)為鍛鋼20SiMn(見(jiàn)圖5)。由于該結(jié)構(gòu)尺寸和重量過(guò)大，采購(gòu)成本增加，所以新結(jié)構(gòu)采用活塞桿與活塞通過(guò)卡環(huán)組裝結(jié)構(gòu)，材質(zhì)分別為鍛鋼20SiMn和鑄鋼20Mn。該結(jié)構(gòu)材料、加工成本均有所降低，如圖6所示。

圖5 改造前活塞和活塞桿

圖6 改造后活塞和活塞桿

圖7 改造后轉(zhuǎn)輪接力器缸活塞組合密封

4)轉(zhuǎn)輪接力器缸活塞采用孔用方形圈加導(dǎo)向環(huán)的組合密封。導(dǎo)向環(huán)的主要作用是為液壓缸的活塞和活塞桿提供精確的導(dǎo)向支撐，并可以吸收徑向負(fù)載；同時(shí)防止油缸內(nèi)金屬運(yùn)動(dòng)部件之間的接觸。 較以前鑄鐵活塞環(huán)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪接力器缸串油量由原來(lái)5～10 L/min降為最大0.09 L/min。圖7為改造后轉(zhuǎn)輪接力器缸活塞組合密封。

2.2 軸承裝配

1)水輪機(jī)導(dǎo)軸承為稀油潤(rùn)滑、非同心分瓦塊自潤(rùn)滑軸承，軸承未設(shè)專門(mén)的冷卻裝置，利用導(dǎo)流錐上下環(huán)板與立筋形成4個(gè)環(huán)形外油箱。運(yùn)行時(shí)，油通過(guò)4組連通管與外油箱進(jìn)行循環(huán)，依靠導(dǎo)流錐外流過(guò)的水自行冷卻。該結(jié)構(gòu)可以較方便地從上部對(duì)導(dǎo)軸承進(jìn)行檢查、調(diào)整和更換一部分導(dǎo)軸承部件。軸瓦采用巴氏合金瓦襯，并采用非同心瓦，工地不需刮瓦，軸瓦間隙調(diào)節(jié)靠楔塊完成，易調(diào)整且可靠。未設(shè)冷卻裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、增加機(jī)組檢修維護(hù)的空間位置等優(yōu)點(diǎn)。

2)軸承中設(shè)有10塊軸瓦，每塊瓦上裝有1只電阻測(cè)溫計(jì)監(jiān)測(cè)瓦溫，另有2只電阻測(cè)溫計(jì)用于測(cè)量油溫。軸承最高運(yùn)行溫度為60℃，報(bào)警溫度為65℃，停機(jī)溫度為70℃。軸承油箱上設(shè)有油位計(jì)，以監(jiān)測(cè)軸承油箱內(nèi)的油位， 見(jiàn)圖8和圖9。

2.3 主軸密封裝配

1)主軸密封由工作密封和檢修密封組成，安裝在主軸聯(lián)軸螺栓護(hù)蓋上。

2)工作密封為恒壓式向下端面密封。其工作原理為：不銹鋼密封滑環(huán)固定在主軸轉(zhuǎn)輪端法蘭背面上，復(fù)合材料制成的密封圈把合在密封環(huán)上，密封環(huán)安裝在支持環(huán)內(nèi)側(cè)，滑動(dòng)接觸面設(shè)有密封圈。工作時(shí)依靠密封環(huán)的自重力、密封環(huán)與支持環(huán)間的彈簧力、密封腔內(nèi)的水壓力，將密封圈與密封環(huán)貼合，達(dá)到密封效果。

3)密封彈簧及密封件均采用國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品，密封元件為端面自補(bǔ)償型，在使用年限內(nèi)，對(duì)磨損可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

圖8 改造后軸承裝配在廠內(nèi)預(yù)裝

圖9 改造后軸承裝配廠內(nèi)預(yù)裝

4)密封環(huán)與密封圈設(shè)有通水孔，依靠清潔水潤(rùn)滑、冷卻密封圈和密封滑環(huán)間的接觸面，防止干摩擦燒損密封圈，可以通過(guò)該傳感器進(jìn)行測(cè)量并報(bào)警；同時(shí)，因密封環(huán)可上下移動(dòng)，故可保證密封圈逐漸磨損和機(jī)組抬機(jī)時(shí)的正常密封。密封環(huán)上裝有位移傳感器，用于測(cè)量密封圈的磨損量。

圖10 改造后主軸密封裝配

5)主軸密封冷卻水壓為0.2～0.6 MPa，密封正常潤(rùn)滑水量約為2～3 L/s。

6)檢修密封采用空氣圍帶式密封，空氣壓力為0.5～0.8 MPa，當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，圍帶充氣膨脹與主軸轉(zhuǎn)輪端法蘭外圓緊密貼合，達(dá)到密封的目的，見(jiàn)圖10和圖11。

圖11 改造后主軸密封裝配廠內(nèi)預(yù)裝

2.4 轉(zhuǎn)輪裝配翻身工具

1)由于增容改造后參加轉(zhuǎn)輪裝配翻身重量有所增加，而電站現(xiàn)有吊車的起吊能力不能超260 t。以前還存在起吊鋼絲繩打滑現(xiàn)象，見(jiàn)圖12。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的轉(zhuǎn)輪裝配翻身吊具。新吊具使轉(zhuǎn)輪裝配翻身工具由原來(lái)結(jié)構(gòu)重量20 t減輕到10 t,材料由鑄鋼20SiMn改為鋼板Q235B焊接結(jié)構(gòu)。

圖12 改造前電站轉(zhuǎn)輪裝配翻身

2)新吊具在轉(zhuǎn)輪裝配翻身過(guò)程中，能夠有效防止鋼絲繩打滑，減少對(duì)電站吊車的沖擊載合，滿足葛洲壩水電站的使用要求，確保機(jī)組順利安裝。該工具可運(yùn)用到接力器缸不動(dòng)而活塞動(dòng)的軸流轉(zhuǎn)槳式的轉(zhuǎn)輪裝配翻身，見(jiàn)圖13。

圖13 改造后轉(zhuǎn)輪裝配翻身過(guò)程

3 結(jié) 語(yǔ)

葛洲壩125 MW機(jī)組增容改造是目前東方電機(jī)自主設(shè)計(jì)和制造的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，通過(guò)此次改造，成功使得葛洲壩大江水電站單機(jī)容量從125 MW增容至150 MW，機(jī)組增容幅度達(dá)到20%，其技術(shù)難度是世界罕見(jiàn)的。機(jī)組在設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分吸收東方電機(jī)和國(guó)外已運(yùn)行機(jī)組的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，謹(jǐn)慎反復(fù)計(jì)算確定了最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。該機(jī)組結(jié)構(gòu)合理，工藝性、經(jīng)濟(jì)性良好，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)水平處于國(guó)際一流水平。為此，于2016年12月獲得德陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)，2015年9月獲得東方電氣集團(tuán)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，轉(zhuǎn)輪翻身工具已獲得國(guó)家專利。

Gezhouba hydropower station has been operating for 30 years since its first generating unit was combined to the grid in July 1981. In order to make full use of hydropower and improve the comprehensive benefits of Three Gorges hydropower station and Gezhouba hydropower station, China Yangtze power co., LTD tries to increase the capacity of the generating units of Gezhouba Dajiang hydropower station. Dongfang Electric Machinery Co., Ltd. carries out the capacity expansion of 6 sets of water turbines.

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TM312

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1003-6954(2017)06-0053-05

王紅曼(1969)，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

2017-09-15)