混流式水輪機導水葉操作系統的改造與漏水治理

薛捍權，高忠繼

(云峰發電廠，吉林 集安 134200)

云峰水利樞紐位于鴨綠江中上游的吉林省集安市青石鎮境內，是中朝兩國在鴨綠江界河上合資興建、利益共享、中方管理的大型水利樞紐工程。工程共裝發電機組4臺，原設計單機容量100 MW，總裝機容量400 MW，年均發電量17.5億kWh。后期50 Hz 2臺機組經過增容改造單機容量為115 MW，現全廠總裝機容量430 MW，實際多年平均流量為228 m3/s，年平均發電量15.23億kWh。

云峰發電廠水輪發電機組是由4臺混流式水輪發電機組成。型號為HL662－LJ－410，設計水頭89 m;設計流量135 m3/s;額定轉速150 r/min，是以調節峰荷為主要目的大中型水電站。機組自1965年第1臺機組投入發電至今，運行40余年。

混流式水輪機的漏水主要體現在導水機構的過流部件上。以控制流量的導水葉為中心，頂蓋與底環結合密封，從而達到控制漏水量的根本目的。由于機組長年進行峰荷調節，動作頻繁，導水機構中的頂蓋、導葉、套筒等部件軸承與軸承套之間磨損嚴重，使各傳動部件的配合間隙增大，尤其有的水輪機頂蓋與底環之間，以前的導葉端面密封無密封膠條，采用的是硬性止口，機組經過幾十年運行后，漏水量不斷增大。在首次進行設備改造過程中，通過人工對頂蓋與底環的端面加工了密封槽。受當時技術條件限制，加工精度與實際要求存在一定誤差，密封效果不好，導致水輪機達不到預期效果，造成水能利用率降低，同時給機組的安全運行帶來很大隱患。

1 漏水的危害及測量

a． 漏水危害的定義。漏水的危害［1－3］是指，當機組在停運的情況下，工作輪前端的導水葉處于完全關閉，操作工作輪的壓力鋼管內的水源完全處于密封狀態，保證工作輪開始轉動時提供最大流量，使水能轉換成最有效的機械能，而當導水葉密封不嚴時，部分水流通過導水葉流失，造成資源浪費，嚴重時將導致機組誤開機。同時漏水對設備的危害也十分嚴重，漏水不斷通過導水葉外泄，導致周圍設備嚴重空蝕，大大降低了設備的使用壽命，增加了維護量。

b． 漏水對導水機構的危害。機組停機時導水機構必須封水嚴密，否則不但會增加漏水量而且會加劇間隙空蝕破壞，導葉關閉后如漏水嚴重時可能造成機組無法停機。

c． 漏水對機組調節的危害。對于中、高水頭并在電網中擔任尖峰負荷的機組來說，減少停機時的漏水損失尤為重要，因為這些機組有相當長時間處于停機狀態。

機組在較長時間內低轉速運行時，對推力軸承穩定運行造成嚴重威脅，同時還會造成漏氣量大，壓水不到位，從而導致較大的有功功率損失。

d． 漏水量的計算公式。漏水量的計算可利用單位時間t內壓力管道的漏水量qG進行估算［3］。由于進水閘門存在不同程度的漏水量，所以qG并不是導葉實際漏水量，而導葉實際漏水量qD為

式中 qD——導葉實際漏水量，m3/s;

qZ——進水閘門漏水量，m3/s;

qG——壓力管道漏水量，m3/s。

qZ可在機組檢修過程中，通過對壓力管道內的漏水水流斷面面積和漏水水流流速的測定求得。在關閉工作閘門測量壓力管道的漏水量時，如果工作閘門的側路閥漏水較大時，在 (1)式中應加上。如果蝸殼排水閥或鋼管排水閥漏水較大時，應在 (1)式中減去。

e． 導水葉端面間隙的重要性。為了減少漏水，必須提高導葉的加工精度，使導葉上、下端面和頂蓋、底環之間，導葉與導葉之間的立面間隙盡可能小，但即使達到規定的技術要求，在機組安裝投產后由于溫度的變化和廠房基礎變形等不利因素也可能造成導葉裝配間隙增大，嚴重時亦導致導葉卡阻現象，實際上中、小型水輪機的端面總間隙和為0.5～0.6 mm，大型水輪機端面總間隙和一般為1.0～1.5 mm。

導水葉端面間隙測量點通常是在兩個導水葉為一個單元的外側上、下4個部位。質量標準:上、下端面間隙和的上限等于機組設計的最大間隙和，上、下端面間隙和的下限不小于機組設計的最小間隙和的70%。端面間隙分配一般在70%～30%。

f． 導水葉立面間隙的測量。通常在導水葉全關閉有油壓下進行，為確保數據準確，也可在無油壓下進行復測。測量點主要在兩個導水葉搭接面的上、中、下3個部位。測量時，人工使用0.05 mm的塞尺進行。有、無油壓下導水葉的立面間隙均為零。在無油壓下進行測量過程中，如果局部有間隙，其長度不能超過導水葉的1/4。

2 導水葉漏水原因分析

2.1 接力器壓緊行程對導水葉漏水量的間接影響

a． 壓緊行程作用

導水葉漏水量不但和導水葉的端面、立面間隙有直接的關系，也和接力器的壓緊行程密切相關。導葉關閉時，蝸殼水壓的作用，以及操作臂變形及各軸銷與軸套之間存在間隙，使導葉有向開側方向移動的趨勢。為了避免由此引起的漏水現象，導葉關閉后還要向關側移動幾毫米，以保證過緊量。

b． 壓緊行程的調節

壓緊行程是通過調節兩接力器與控制環之間的連桿上調整螺母來完成的。大、中型水輪機接力器的壓緊行程為6～8 mm。

c． 人為誤差造成的漏水

工作人員在進行調節過程中，受人為因素的影響，由于工作人員的眼睛看刻度尺時有誤差，可能使兩接力器的壓緊行程不十分同步，使得兩連桿長短出現輕微偏差，操作機構動作無法完全協調，也會導致漏水。

2.2 機組調節頻繁導致導水機構部件之間的磨損

機組調節頻繁，導致操作機構各連接部件磨損嚴重，間隙過大。機組在運行期間，總要進行調節峰荷，如果調節頻繁，會造成操作機構的連接軸銷與軸套之間出現研磨現象，當磨損程度超過規定指標范圍時，會使導水葉各部間隙均發生變化，間隙值增大。操作機構無法控制導水葉完全關閉，導水葉關閉不嚴，是漏水的主要原因之一。

2.3 密封裝置的密封件易損嚴重導致漏水量增大

a． 止漏裝置的重要性

裝置導水機構的止漏裝置，包括導葉軸承止漏及導水機構在全關閉狀態下為防止蝸殼中壓力水流入下游裝置的導葉與導葉之間，導葉與上、下環之間的止漏裝置。

b． 止漏裝置的組成

對于中、低水頭的大、中型水輪機導水葉的端面與立面的止水裝置主要是依靠密封膠條來有效防止漏水。當導葉完全關閉后，導葉尾部依靠接力器的作用力壓緊在相鄰導葉頭部的密封膠條上，這種結構的密封容易在運行中出現膠條被刮落現象。

c． 軸承止漏的主要部件

導水葉軸徑與套筒配合密封是通過“U”型膠圈和“O”型膠圈阻止漏水。由于機組長時間運行中不斷往復運動，導水葉端面與立面以及軸徑總和密封裝置發生摩擦，密封膠條與“U”型膠圈和“O”型膠圈容易出現損壞，是導致導水葉漏水的另一主要原因。

3 改造技術方案

3.1 導水葉端面密封處理

根據機組原設計要求，導水葉上、下端面密封膠條的高度必須保證2 mm左右。機組原設計密封材料的使用以中性橡膠為主，但由于橡膠制品的柔軟性好、硬度差、抗磨性較低、加工粗糙，同時機組運行中設備長時間浸在水里，銹蝕嚴重、結合面不光滑、凸凹不平等不利因素，造成局部高度滿足不了要求，致使漏水量仍然較大 (見圖1)。通過對機組A級檢修過程中，對頂蓋下端面及底環上端面所有的密封膠條全部進行重新更換，并在膠皮條安裝槽內加裝1 mm的膠皮板 (見圖2)，有效提高膠皮條的高度，在滿足規程要求的情況下，縮短了膠條與頂蓋及導葉之間的距離 (見圖3)，從而使導葉與頂蓋之間端面漏水量減小。同時還對機組的導水葉端面密封膠條的材料進行了改進，使用聚氨酯代替原中性橡膠材質 (見圖4)，提高了材料的抗磨性。保證密封膠條完好的工作到下一檢修周期。

3.2 導水葉立面密封處理及立面間隙調整

a． 導水葉立面膠條更換。利用機組進行A級檢修的機會，對所有的24個導水葉的立面密封膠條進行了更換 (見圖5、圖6)。通過對各種新型材料，各方面性能對比與現場試驗，最后確定使用聚氨酯代替原中性橡膠材質。這種新型橡膠制品不但提高了材料的抗磨性，還有效增加了抗空蝕強度。新型密封膠條與導水葉經常磨合時，其硬度適中、不易損壞，起到防止導水葉立面出現漏水的決定性作用。

b． 立面間隙調整。機組安裝完畢后，手動操作調速器將導水葉完全關閉，在有油壓情況下，使用鋼絲繩對導水葉利用捆綁式的方法 (見圖7)，將所有導水葉捆緊，然后用塞尺對2個相鄰導水葉的立面進行測量。如果發現多數2個相鄰導水葉之間的立面間隙滿足不了規程上規定的技術指標，將調速系統的油壓全部卸掉，確保操作機構在無油壓狀態下，將雙聯臂與導水葉上端拐臂分解。人工使用大錘將所有導水葉打靠，并使用手拉葫蘆將所有導水葉進一步捆緊，直至所有導水葉之間的立面間隙全部為零。接著通過延伸雙聯臂調整螺栓的方法，將雙聯臂與導水葉上端拐臂連到一起。調整后松開捆綁導水葉的鋼絲繩，再一次對所有導水葉的立面間隙進行復測，保證接力器在有油壓與無油壓時測量導水葉的立面間隙均為零。

3.3 導水機構雙聯臂更換

雙聯臂是調整導水葉立面間隙的主要部件，聯接在控制環與拐臂之間，其長短直接影響導水葉立面間隙好壞。由于導水機構雙聯臂長年工作在水車室內，材質為35號鋼。受現場環境影響易產生嚴重銹蝕，因此在每次檢修結束后，必須對雙聯臂整體涂上防腐漆，以保證不產生銹蝕，然而經過多次機組A級檢修中，在進行導水葉立面間隙調節過程中，雙聯臂力臂調整螺栓頻繁出現亂扣問題，調整后導水葉立面間隙一直達不到理想狀態 (見圖8)。通過多方面的調查研究，并與生產廠家合作，進行各項試驗，最后確定將雙聯臂在保留原有形體的基礎上，其主要金屬含量更換成為1Cr13(見圖9)。新雙聯臂安裝后，各項性能指標均達到規定標準，并且調節效果較好。由于主要成分抗銹蝕能力較強，不用在雙聯臂的表面上再涂防腐漆，保證調整螺栓可以輕松進行調節的同時，再不出現雙聯臂調整螺栓亂扣現象。

3.4 加大接力器壓緊行程調整力度

在滿足接力器壓緊行程技術指標的前提下，加大接力器壓緊行程的壓縮量，將接力器壓緊行程調整到接近上限值。接力器壓緊行程的調整主要通過伸長與縮短控制環推拉桿與接力器活塞推拉桿來完成。由于兩推拉桿之間依靠調整螺母銜接，因此旋轉調整螺母正反方向，就能達到調整的目的 (見圖10)。必須同時調整2臺接力器的推拉桿與控制環推拉桿之間的調整螺母，調整長度保持一致才會使接力器操作倒水機構完全關閉導水葉后封閉效果最佳。

3.5 徹底解決導水葉軸徑與軸套配合以及套筒密封裝置漏水問題

圖10 接力器壓緊行程調整

導水葉上、中、下軸徑與各部軸套之間均屬間隙配合，根據水輪機設計要求，各部間隙由下至上逐漸變大。各軸徑與軸套之間的止水主要通過密封裝置完成。當水流經過導水葉時，大量的雜質混在其中，水流強烈沖擊導水葉的密封裝置時，大量的雜質起到了關鍵性破壞作用，造成密封裝置出現漏水現象。經過現場進行實際仿真試驗，確定改變密封裝置出廠原設計。在不改變各部軸徑的基礎上，通過縮小部分密封件的內徑 (見圖11)，減小與軸徑之間的配合間隙達到止水的最初目的。同時，通過利用聚氨酯代替原中性橡膠更換“U”型密封圈的材質 (見圖12)，提高密封材料耐磨性的同時增強其硬度，達到止漏最終目的。

4 結束語

對水輪機導水葉進行根本治理后，導水葉套筒與根部從外觀進行檢查沒有發現漏水問題。接力器壓緊行程與立面間隙調整完全符合質量標準與規程規定。機組經過A級檢修結束后，通過對導水葉漏水量各方面數據采集分析，治漏效果十分明顯。當機組導水葉完全關閉的同時關閉工作閘門，工作閘門與導水葉前壓力鋼管段存水保持時間由原來的1.5 min，提升到現在的7 min。導水葉漏水量由原來的0.94 m3/s下降到現在的0.42 m3/s，基本上符合技術指標要求。機組在運行一個周期后，進行導水葉漏水量各方面數據復測，絕大部分數據與前面保持一致。混流式水輪機漏水根本治理中密封材料的更換、雙聯臂材質的更換、密封圈的改進等幾個方面取得了全面成功，可以在同類電站中全面推廣。

［1］ 劉大愷．水輪機 (第三版) ［M］．北京:中國水利水電出版社，1996．

［2］ 黎永才．水輪機［M］．北京:中國水利水電出版社，1989．

［3］ 康同生，劉洪漢，孫亦林，等．水輪機及其檢修［M］．北京:職工教育出版社，1987．

［4］ 袁 蕊，田予勤．水輪機檢修［M］．北京:中國電力出版社，2004．

［5］ 武漢水利電力學院主編．水輪機 (上冊) ［M］．北京:中國電力出版社，1980．