春廠壩抽水蓄能電站機組安裝方法探討

鐘小華，杜 興

（中電建電力檢修工程有限公司，四川 成都 610000）

1 概述

春廠壩抽水蓄能電站位于小金川河支流沃日河干流下游，電站安裝1 臺變速恒頻可逆式抽水蓄能發(fā)電機組。該電站為國家重點研發(fā)項目“分布式光伏與梯級小水電互補聯(lián)合發(fā)電技術(shù)研究及應(yīng)用示范工程”組成部分，屬于國家重點研發(fā)計劃“智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備”重點專項。該科研項目于2018 年6月立項，由國網(wǎng)四川省電力公司牽頭，聯(lián)合中電建水電開發(fā)集團有限公司等15 家院校與企事業(yè)單位共同實施。

春廠壩抽水蓄能電站發(fā)電電動機由哈爾濱電機廠生產(chǎn)，水泵水輪機由重慶水輪機廠生產(chǎn)，機組轉(zhuǎn)輪由中國水利水電科學(xué)研究院研發(fā)。

發(fā)電電動機型號SFD5000-6/1690，主要參數(shù)如下：

額定容量：5 668.3 kVA（發(fā)電工況）、7 121.6 kVA（電動工況）；

額定功率：5 101.4 kW（發(fā)電工況）、6 700 kW（電動工況）；

推力負荷：電機→水機26 t、水機→電機6 t。

發(fā)電電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子（帶大軸、飛輪）、組合軸承（含徑向軸承、正反推力軸承）、徑向軸承及電機底板等部件組成。

水泵水輪機型號JFP123-WJ-108，主要參數(shù)如下：

水輪機主要參數(shù)：設(shè)計水頭130 m、設(shè)計流量4.75 m3/s；額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min、飛逸轉(zhuǎn)速1 650 r/min。

水泵主要參數(shù)：最大揚程168.8 m 下的最大流量3.65 m3/s，最小揚程159.8 m 下的最大流量3.83 m3/s。

水泵水輪機主要由座環(huán)蝸殼、導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、尾水彎管、尾水?dāng)U散管及主軸密封等部件組成。座環(huán)蝸殼為整體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)水機構(gòu)工廠內(nèi)與座環(huán)蝸殼組裝調(diào)整合格后整體發(fā)運，大軸與轉(zhuǎn)輪為軸孔聯(lián)接方式并設(shè)置錐度配合，通過平鍵傳遞扭矩。

機組主要部件重量及尺寸見表1 所示。

表1 機組主要部件重量及尺寸

機組布置于豎井內(nèi)，大軸中心高程低于安裝間40 m、低于設(shè)計尾水位31 m。

2 機組主要設(shè)備安裝施工

2.1 主要設(shè)備安裝流程

設(shè)備鋼支墩制作安裝→座環(huán)蝸殼安裝調(diào)整加固→尾水彎及擴散管安裝→定子、轉(zhuǎn)子、電機底板吊裝及初步調(diào)整→轉(zhuǎn)輪吊裝、機組精確調(diào)整→混凝土澆筑后機組復(fù)測、調(diào)整→機組附屬部件安裝調(diào)整。

2.2 設(shè)備基礎(chǔ)方案優(yōu)化

根據(jù)廠家設(shè)計，機組電機底板、座環(huán)蝸殼及尾水管均設(shè)計預(yù)留二期澆筑，其中座環(huán)蝸殼基礎(chǔ)螺栓二期孔尺寸為250 mm×250 mm×700 mm，電機底板基礎(chǔ)螺栓二期孔尺寸為300 mm×300 mm×1 250 mm。筆者認為設(shè)計方案存在如下問題：

機組額定轉(zhuǎn)速高達1 000 r/min，且一般情況下轉(zhuǎn)輪造壓時（水泵工況）座環(huán)蝸殼振動較大，故機組安裝的穩(wěn)固性要求非常高。設(shè)備基礎(chǔ)螺栓二期坑尺寸小、深度深，加之砼澆筑時設(shè)備基礎(chǔ)妨礙振搗作業(yè)，故不易澆筑密實且與一期砼結(jié)合強度較差，從而導(dǎo)致設(shè)備穩(wěn)固性差，機組安全運行風(fēng)險大。

為確保機組安裝穩(wěn)固可靠，筆者向廠家、設(shè)計、監(jiān)理建議制作設(shè)備鋼支墩，在鋼支墩上進行設(shè)備安裝調(diào)整，合格后進行砼澆筑，可以大大提高設(shè)備安裝穩(wěn)固性。在一期砼內(nèi)埋設(shè)鋼支墩及斜支撐基礎(chǔ)板，其高程低于設(shè)備基礎(chǔ)螺栓底部約200 mm。機組安裝調(diào)整合格后將設(shè)備基礎(chǔ)與鋼支墩焊接牢固，然后澆筑至設(shè)計高程，達到強度后再進行機組設(shè)備復(fù)測并精確調(diào)整。這一方案得到同意并實施。

電機底板、定子、轉(zhuǎn)子及兩部軸承總重約40.3 t，座環(huán)蝸殼（含導(dǎo)水機構(gòu)）總重約13 t。根據(jù)設(shè)備重量及尺寸：電機底板布置6 只鋼支墩；座環(huán)蝸殼布置6只鋼支墩，其中座環(huán)4 只、蝸殼進水管2 只；尾水彎管及擴散管各布置2 只支墩。

設(shè)備鋼支墩及斜支撐采用20#B 工字鋼（Q235）制作，每只鋼支墩在90°方向布置兩根斜支撐以增強穩(wěn)定性。

電機底板鋼支墩強度校核如下：

鋼支墩受壓應(yīng)力P=F/S

各支墩平均受力約7 t，實際施工時受力不可能完全一致，按最大承載10 t 進行強度校核，20#B 工字鋼截面積S為3 950 mm2。

則P=10×103×9.8/（3 950×10-6）=24.8 MPa，遠小于Q235 鋼材屈服強度235 MPa。

鋼支墩壓縮量計算：

根據(jù)胡克定律F/S=E△L/L

其中F為鋼支墩受力（10 t），S為鋼支墩橫截面積（3 950 mm2），E 為鋼材彈性模量（200～210 GPa），△L為鋼支墩壓縮量，L為鋼支墩高度（1.5 m）。

將各參數(shù)代入上式計算得△L=0.19 mm。

鋼支墩壓縮變形非常小，剛強度滿足設(shè)備安裝要求。當(dāng)機組調(diào)整合格、各鋼支墩與電機底板焊接牢固，鋼支墩與電機底板整體穩(wěn)定性也將大大提高。

座環(huán)蝸殼及尾水管重量遠小于發(fā)電機設(shè)備，鋼支墩的剛強度滿足設(shè)備安裝要求。

2.3 設(shè)備鋼支墩制作安裝

在一期砼埋設(shè)鋼支墩及斜撐基礎(chǔ)板，基礎(chǔ)板尺寸均為350 mm×350 mm×20 mm，每塊基礎(chǔ)板布置6 根Φ25 mm 長500 mm 圓鋼作為錨筋，圓鋼與基礎(chǔ)板及土建鋼筋焊接牢固，控制基礎(chǔ)板高程偏差不超過-5～0 mm，平面位置偏差不大于10 mm，水平偏差不大于1 mm/m。

一期砼澆筑養(yǎng)護7 d 后進行鋼支墩及斜支撐安裝，工字鋼頂部安裝350 mm×350 mm×20 mm 鋼板。工字鋼與基礎(chǔ)板間焊縫截面積不得低于工字鋼橫截面積，以確保焊縫強度。

2.4 座環(huán)蝸殼安裝

設(shè)備鋼支墩安裝完成達到強度后進行座環(huán)蝸殼的安裝。根據(jù)廠房坐標(biāo)基準(zhǔn)點并結(jié)合已安裝澆筑完成的上下游壓力鋼管測放座環(huán)安裝X、Y 控制線。將座環(huán)蝸殼（含導(dǎo)水機構(gòu)）吊入機坑放置于鋼支墩，鋼支墩上成對布置楔子板，調(diào)整座環(huán)高程、垂直度、與安裝控制線的距離及平行度滿足要求，然后將座環(huán)基礎(chǔ)與鋼支墩焊接牢固，焊接過程中監(jiān)測座環(huán)垂直度變化情況并及時調(diào)整焊接順序。

2.5 發(fā)電電動機安裝

2.5.1 定轉(zhuǎn)子吊裝方案優(yōu)化

根據(jù)廠家設(shè)計方案，電機底板安裝調(diào)整合格后將定轉(zhuǎn)子整體吊裝至電機底板進行調(diào)整。該方案需拆除導(dǎo)水機構(gòu)，否則大軸水輪機端將與導(dǎo)水機構(gòu)前蓋板相碰而不能吊裝就位。

為此，筆者提出在安裝間將定轉(zhuǎn)子、兩部軸承安裝于電機底板進行整體吊裝的方案。該方案無須拆裝導(dǎo)水機構(gòu)且吊裝過程簡單可控，不僅縮短機組安裝直線工期還利于提高設(shè)備吊裝安全性。

在安裝間將兩部軸承座安裝于電機底板，并按設(shè)計要求安裝絕緣墊片及調(diào)整墊片。完成轉(zhuǎn)子穿定子工作后，將組合軸承安裝于大軸軸頸，調(diào)整各推力軸瓦受力一致，然后將定轉(zhuǎn)子整體吊裝與電機底板組裝。定子放置于電機底板上，大軸則放置于兩部軸承座上，檢查兩部徑向軸瓦腰部與大軸軸頸間隙應(yīng)均勻，否則對軸承座進行調(diào)整。

廠家提供的定轉(zhuǎn)子整體吊裝專用工具設(shè)計荷載為30 t，而定轉(zhuǎn)子、電機底板、軸承座總重約40.3 t，整體吊裝時使用Φ20 mm 鋼絲繩及2 臺10 t 手拉葫蘆承載電機底板及軸承座重量，調(diào)整定子與電機底板、大軸與軸承座均脫開10～15 mm 距離，確保專用吊具只承載定轉(zhuǎn)子重量。

2.5.2 電機底板調(diào)整

以座環(huán)為基準(zhǔn)初步調(diào)整大軸，施工中通過調(diào)整電機底板進行大軸調(diào)整。轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)水機構(gòu)止漏環(huán)設(shè)計間隙較?。?.6～0.8 mm），為確保轉(zhuǎn)輪與大軸順利聯(lián)接，當(dāng)大軸與座環(huán)同心度小于0.3 mm 后安裝轉(zhuǎn)輪，然后再進行機組精確調(diào)整。

轉(zhuǎn)輪安裝處大軸為圓錐形，其與導(dǎo)水機構(gòu)前蓋板同心度不易測量準(zhǔn)確，為便于測量制作了專用測量工具，測量工具外側(cè)為圓柱形（直徑小于前蓋板鏜口內(nèi)徑約5 mm）、內(nèi)側(cè)為與大軸相同尺寸的圓錐形，將測量工具套在大軸轉(zhuǎn)輪安裝部位，通過塞尺能夠準(zhǔn)確方便地測量出大軸與前蓋板鏜口的同心度。

轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙、大軸水平、轉(zhuǎn)輪進口與導(dǎo)葉中心偏差等調(diào)整合格后對電機底板進行加固，并采用20#B 工字鋼將電機底板與座環(huán)蝸殼鋼支墩聯(lián)接以增加穩(wěn)固性，焊接過程中對止漏環(huán)間隙進行監(jiān)測。

2.5.3 砼澆后機組復(fù)測及調(diào)整

座環(huán)蝸殼、尾水管及發(fā)電機設(shè)備安裝調(diào)整完成后澆筑混凝土至設(shè)計高程，控制每層澆筑高度不大于0.5 m，減小設(shè)備澆筑位移量，澆筑過程中對轉(zhuǎn)輪止環(huán)間隙進行監(jiān)測，并根據(jù)間隙變化情況調(diào)整澆筑順序及速度。

砼澆筑完成并達到70%強度后進行轉(zhuǎn)輪前后止漏環(huán)間隙、大軸水平、徑向軸承兩側(cè)間隙復(fù)測。經(jīng)檢查，大軸水平及止漏環(huán)間隙超標(biāo)，通過在徑向軸承座與電機底板間加裝厚度0.2 mm不銹鋼墊片調(diào)整合格。

大軸調(diào)整合格后即轉(zhuǎn)子位置已確定，然后以轉(zhuǎn)子為基準(zhǔn)調(diào)整定子，在定子機座與電機底板間加裝不銹鋼墊片調(diào)整空氣間隙合格。

2.5.4 主要技術(shù)質(zhì)量要求

根據(jù)國家規(guī)范、廠家設(shè)計要求，并結(jié)合該機組實際特點，機組安裝主要技術(shù)要求控制如下：

座環(huán)垂直度：0.05～0.1 mm/m，座環(huán)向電機方向傾斜；

座環(huán)左右及切向偏斜：≤0.5 mm/m；

座環(huán)高程及平面位置偏差：≤2 mm；

轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙：兩側(cè)相差不大于0.05 mm，下部小于上部約0.1 mm；

大軸水平：≤0.02 mm/m；

徑向軸瓦與軸頸兩側(cè)間隙偏差：≤0.02 mm；

正向推力瓦與鏡板間隙偏差：≤0.02 mm（反向推力瓦為不可調(diào)式）；

定子鐵芯與轉(zhuǎn)子磁極中心偏差：≤1 mm；

轉(zhuǎn)輪進水口中心與導(dǎo)葉中心線偏差：≤1 mm；

空氣間隙：各間隙與平均間隙之差不大于±5%設(shè)計間隙。

2.6 設(shè)備問題及處理

機組組合軸承安裝時，筆者發(fā)現(xiàn)正推力瓦為偏心瓦，而該機組兼具發(fā)電抽水兩種功能，順時針、逆時針方向均應(yīng)能正常運行。經(jīng)與廠家設(shè)計人員多次溝通后，將推力瓦修刮為對稱瓦，相對推力瓦支柱螺栓偏多的瓦面被刮低約3 mm，并修刮出進油邊，使支柱螺栓兩側(cè)瓦面相等。

3 機組運行工況

機組投運后在發(fā)電及抽水工況均能夠安全穩(wěn)定運行，水輪機出力及水泵流量達到設(shè)計要求。發(fā)電及抽水額定工況下，兩部軸承座垂直振動均小于0.02 mm，軸頸擺度0.03～0.05 mm，正推力瓦溫最高41℃，兩部徑向軸瓦溫度均不大于30℃。機組安裝質(zhì)量得到廠家、設(shè)計及其他參與單位的高度認可。

4 結(jié)語

春廠壩抽水蓄能電站作為國家重點科研項目的載體，機組安裝質(zhì)量要求嚴苛。機組安裝過程中筆者深入分析設(shè)備結(jié)構(gòu)特點，并結(jié)合實際對廠家設(shè)計方案進行了優(yōu)化，有利于確保機組安裝質(zhì)量并縮短施工工期，可為類似機組的設(shè)計、安裝提供借鑒。