丹江口水電廠4號水輪機改造

譚哲文

（湖南澧水流域水利水電開發有限責任公司 長沙市 410014）

徐國盛 郭 婭

（湖北省漢江水利水電集團有限責任公司 丹江口市 442700）

丹江口水力發電廠共裝有6臺150MW水輪發電機組，6臺機組于1973年10月全部投產發電，隨著南水北調中線水源工程丹江口大壩加高后，大壩由初期正常蓄水位157m，將提高至170m，由于大壩加高后水頭抬高，為適應水力參數的變化，丹江口水電廠6臺水輪機要做相應的改造，其中4號機于1972年4月投產，至今已運行38年，設備老化嚴重，部分部件需要進行更換。

此次4號水輪機組主要改造工作包括：

（1）更換新的轉輪，采用阿爾斯通設計制造的轉輪，型號：HLF211AO-LJ-595，額定出力173.25MW，額定水頭63.5m，額定流量301.4m3/s。

（2）導水機構改造包括底環、活動導葉、套筒、頂蓋等設備的更換，控制環耳柄的處理。

（3）主軸密封改造，更換工作密封，增加一套檢修密封。

（4）對固定導葉進行修型。

在此次改造中，新設備的安裝較為順利，而重點和難點在于新舊設備的銜接上，主要表現在：舊水輪機軸與新轉輪安裝；頂蓋、底環與座環的銜接；固定導葉修型。

1 轉輪安裝

新轉輪葉片進口直徑D1為5757.6mm，出口直徑D2為5972.4mm，凈重96.28t。由于水輪機軸不進行更換，也未運至廠家進行配裝，因此，在現場要進行轉輪與大軸的聯接同鏜鉸。聯軸前，首先在安裝場對轉輪進行了調平，水平度在0.02mm/m，大軸首次吊入后檢查兩法蘭面間隙大部分為零，但局部有0.04mm間隙，長度為200mm。后大軸吊起逆時針旋轉90°，重新吊入檢查兩法蘭面間隙均為零，兩部件止口中心偏差在0.02mm以內。由于舊水輪機軸下止口銹蝕嚴重，為保證同心度，我們又測量了軸領與上下止漏環同心度，經測量，軸領與上下止漏環同心度最大為0.01mm。在后續的工作中檢查發現有3個轉輪銷釘孔與大軸銷釘孔最大偏差1.5mm，已經超過了最大鏜鉸量，后經廠家同意，將此處銷釘孔鏜鉸量由Ф148mm增大到Ф153mm，并現場加工相應的銷釘。測量各部數據合格后對轉輪及大軸進行了同鏜鉸，螺栓全部把緊后測量了同心度為0.02mm，水輪機軸法蘭水平為0.02mm/m，均符合國標及設計要求。

經分析認為，舊水輪機軸下法蘭面存在不平度，當轉輪與水輪機軸首次配合時不太理想，累積誤差增大，造成了兩法蘭面間隙的產生，當把大軸旋轉后與轉輪法蘭面配合間隙消除。因此筆者認為，在進行新舊設備安裝配合時，兩設備要進行多次配合試裝，尋找出最理想的配合狀態。為了確保機組安裝精度，我們又測量了大軸的垂直度，最大偏差為0.013mm/m，滿足機組后期穩定運行。轉輪室基礎環楔子板水平用水準儀調整合格后點焊，將轉輪吊入機坑，測量大軸上法蘭水平度為0.02mm/m，符合設計安裝要求。

2 導水機構安裝

2.1 底環預裝

新底環采用鋼板焊接結構，具有足夠的強度和剛度，最大外徑Ф7015mm，重量13.6t，下固定止漏環與底環加工成一整體，方便機組拆裝和下迷宮環間隙測量。此次機組改造未進行基礎環、座環等埋設部件的更換，因此，需將基礎環法蘭面進行了拋光打磨。測量24點基礎環及座環頂蓋法蘭面、密封盤根槽水平及相對高度差數據，要求水平度不大于0.2mm，由于機組運行多年，基礎環銹蝕磨損嚴重，且機組安裝初期安裝標準較低，造成基礎環水平偏差較大，最大偏差0.65mm，與設計要求的0.20mm和國標[2]要求的0.40mm相差較大。后經研究協商，將基礎環進行打磨處理，直到水平達到0.20mm。見表1。

表1 基礎環水平 mm

將底環吊入機坑，利用之前確定的機組中心調整底環水平和中心，調整合格后發現有5個底環螺栓孔與基礎環螺栓孔錯位較大，無法把合，后經廠家同意，先對底環臨時加固，待導水機構預裝完畢后再對底環進行擴孔處理。將底環把合加固后，配鉆銷釘孔并打入定位銷。

后經研究認為，原基礎環把合螺栓孔分布圓不均造成了底環螺栓孔偏孔現象的出現。

2.2. 頂蓋預裝

新頂蓋為分瓣加工，最大外徑Ф7510mm，重量45.02 t。當測量座環法蘭面時發現水平最大偏差0.85mm，對座環進行處理（與基礎環處理方法相同），將水平控制在國標要求的0.40mm以內。在吊頂蓋之前，已對稱吊裝了8個活動導葉和套筒，已便控制頂蓋與底環的周向偏差。后將頂蓋吊入機坑，利用已調整好的底環中心對頂蓋水平（表2）和中心進行調整，頂蓋中心最大偏差0.04mm，并測量了剩余16個套筒上、中軸套與底環下軸套同心度在0.20mm以內，調整合格后把合與座環聯接螺栓，配鉆銷釘孔。

2.3 導水機構正式安裝

因新底環和頂蓋與導葉端面密封為橡膠銅條密封（如圖1所示），為了方便導葉端面間隙測量以及防止在導水機構調整試驗動作過程中碾傷密封塊，因此，在正式安裝前將底環和頂蓋密封條、密封塊以及密封壓板進行了預裝，待導水機構全部數據調整合格后，再進行密封裝置的正式安裝。在調整導葉立面間隙時，關閉導葉，特別要注意要使導葉的關閉位置角度一致，利用鋼絲繩和導鏈捆綁導葉上下兩道，鋼絲繩纏繞導葉一周半，在鋼絲繩和導葉之間墊銅皮以防損壞導葉表面，捆緊后檢查立面間隙，對超出范圍的松開重新排導葉直到合格。立面間隙調整合格后（此時已連接連桿）松開鋼絲繩。由于頂蓋和底環調整驗收要求較高，為導葉立面間隙調整帶來了很大方便，導葉立面間隙全部為零，且用時較短，動作試驗靈活。

表2 頂蓋水平 mm

圖1 頂蓋端面密封圖

3 主軸密封改造

此次水輪機改造也對主軸工作密封進行了更換，增加了檢修密封。主軸工作密封要求嚴密、耐磨、結構簡單。此次水輪機主軸工作密封更換為靜壓自調節式軸向密封，密封元件為自補償型，在使用年限內，對磨損可自動調整。增加的主軸檢修密封為充氣圍帶式，停機時可自動投入防止漏水，便于更換主軸工作密封。充氣圍帶有壓縮空氣管接頭，其充氣壓力為0.7MPa。主軸工作密封和檢修密封便于檢修和維護。

4號水輪機改造完成后，于2010年4月18日投運，至11月2日機組小修已運行6個多月。在投運之初主軸密封漏水較少，但一周之后主軸密封漏水逐漸增大，尾水放空閥操作廊道地面已淹沒，滲漏水泵啟動頻繁（4min～5 min啟動一次）。我們利用機組C級檢修時間，拆除了工作密封，檢查發現工作密封導向桿蓋板銹蝕嚴重，導向桿卡死，無法上下自由竄動，造成密封底座卡澀，抗磨環無法起到封水作用，致使工作密封漏水增大。

后查圖2發現此蓋板材料為Q235-A，此種材料容易生銹，因此，在機組C級檢修時將此處蓋板更換為不銹鋼蓋板，防止蓋板銹蝕致使導向桿卡死，造成工作密封大量漏水。經處理之后，運行至今漏水量大為減少。

圖2 主軸密封圖

4 固定導葉修型

丹江口水電廠4號機是20世紀70年代設備，過流面凹坑凸起較多，蝸殼焊縫有開裂現象，影響機組效率及安全運行，因此過流面需進行處理。

由于舊機組的改造無法對蝸殼及埋設部件進行改造，只能對其進行修整，隨著水頭流量等水力參數的變化，固定導葉的型線與圓周方向的切角也要相應的進行改變。修型時主要考慮固定支柱要具有足夠的強度、剛度的同時，還必須有良好的水力性能。此次修型主要是對其進水邊和出水邊進行的鏟磨，見圖3。

5 改造效果

機組改造后，在機組充水試驗中發現機組漏水得到了明顯的好轉，水車室漏水聲較其它未改造機組小得多，且在做惰性停機時只用了10min，機組就完全停止下來，較其它機組少一半時間。底環、頂蓋與發電機同心度較好，這為后期機組軸線調整和機組安全運行奠定了良好的基礎。

圖3 固定導葉修型前后對照圖

通過對導水機構的改造，機組效率得到了一定的提高，由于水位未達到設計水頭要求，校核額定出力條件不滿足，但當水頭到62m時，機組出力可以達到171MW，超過了預期效果。

4號機運行了6個月后進行了停機檢查，檢查發現轉輪葉片無汽蝕，各部件運行良好，但轉輪下環進水邊有汽蝕現象，已進行了補焊打磨處理。后經分析認為，由于大壩未加高完成，機組運行水頭較低，運行工況差，造成了汽蝕現象。

主軸密封在投運初期，由于工作密封導向桿與蓋板銹蝕卡澀，造成漏水增大，利用機組停機檢查時間，更換了此蓋板，漏水得到了好轉，至今漏水較少。

6 結語

丹江口水電廠4號水輪機組改造采用了當前較為先進的加工制造技術和施工措施，設計上的合理和安裝精度的提高，成為機組一次性開機成功的保證，機組各項試驗數據合格，振動擺度較改造之前得到了明顯的好轉。通過此次機組改造，筆者認為，在進行舊機組改造時，不同于新機組安裝，涉及方面較廣，協調難度大，牽扯人員多，施工不可預見性大。因此，舊機組改造要特別注意新舊設備的銜接，詳細測量記錄舊設備結構尺寸和埋設部件把合螺栓孔分布尺寸等，以便新設備的順利安裝。固定導葉修型在丹江口水電廠機組改造中尚屬首次，通過此次修型，固定導葉具有良好的流線型，為機組效率的提高奠定了基礎。

1 劉大愷.水輪機[M].北京：中國水利水電出版社，1996 .

2 GB/T8564 -2003 .水輪發電機組安裝技術規范[S].

3 榮連成.丹江口固定導葉工地修型工藝[R].2009 .