水輪機導葉立面密封結構的改進

□ 史恩澤 □ 陸 波

國網東北分部綠源水力發電公司太平灣發電廠 遼寧丹東 118000

1 技術背景

導水機構是水輪機重要的引水部件,作用是根據水輪機組預先設定的輸出功率,改變水輪機導葉的開度調節流量,實現水輪機組的啟停和負荷調節。水輪機導葉是實現上述功能的核心部件[1]。20世紀80年代以前制造的水輪機組中,受當時行業規范、機械加工精度和材料等方面的限制,大部分水輪機導葉的立面密封設計為軟密封結構,水輪機組在運行一段時間后,會出現密封件破損、脫落等現象,導致水輪機導葉的漏水量增大,造成水資源浪費,嚴重時還會使水輪機組在停機狀態下產生低速旋轉問題,構成水輪機組的安全隱患。

筆者以太平灣發電廠長甸電站2號水輪機組的水輪機導葉立面密封結構改進為例,介紹水輪機導葉立面密封的工作原理、改進方案,以及改進效果,并對后續水輪機組運維工作提出建議。

2 現場情況

長甸電站位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣長甸鎮拉古哨村,在鴨綠江流域的中方側。電站廠區有A站、B站兩座引水式地面廠房。A站廠房安裝1號和2號水輪機組,單機容量為75 MW,1989年投產發電。B站廠房安裝3號和4號水輪機組,單機容量為100 MW,2014年投產發電。

A站水輪機組的水輪機活動導葉共有24個,材質為ZG20SiMn低碳合金鋼。水輪機導葉立面密封為壓板式橡膠軟密封結構,軟密封安裝在水輪機導葉的進水邊。密封槽長度為760 mm,通過壓板將橡膠密封膠條固定在密封槽內,壓板由7個M12×25 mm沉頭螺釘固定。壓板式橡膠軟密封結構如圖1所示。水輪機導葉的材質為低碳合金鋼,在運行一段時間后,導葉螺栓孔的螺紋由于腐蝕而損壞,造成螺釘滑扣而脫落,壓板和橡膠密封膠條被水流整體沖走,或部分脫落脫槽,導致水輪機導葉的漏水量增大。以上情況多次發生在水輪機組停機狀態下,水輪機導葉緩慢旋轉,在造成水資源浪費的同時,加速了軸承的磨損[2],對水輪機組的安全構成威脅。

圖1 壓板式橡膠軟密封結構

為解決由于腐蝕而造成水輪機導葉立面密封結構中橡膠密封膠條及壓板脫落的問題,長甸電站運維管理單位結合水輪機組大修,對水輪機導葉螺紋孔進行改造,用電鉆在水輪機導葉螺紋孔位置擴孔,內鑲不銹鋼材料,焊接固定后,在不銹鋼材料上鉆孔攻絲,壓板和沉頭螺釘也更換為不銹鋼材質。改造后,在相當長階段內取得了一定效果。但是,由于壓板與密封槽接觸面之間存在間隙,在水輪機組運行一段時間后,壓板和螺紋孔位置出現汽蝕缺陷,加之水輪機組運行中水流的沖擊作用,個別壓板和橡膠密封膠條被沖走或局部脫落。另一方面,橡膠密封膠條在使用一段時間后會出現老化。由此可見,處理水輪機導葉立面密封槽、螺紋孔,更換壓板、螺釘、橡膠密封膠條,是水輪機組大修必須進行的項目,需要投入大量人力。針對這一問題,筆者對水輪機導葉立面密封結構進行改進。

3 改進方案

為了徹底解決長甸電站水輪機組水輪機導葉立面密封存在的缺陷,減小停機狀態下水輪機漏水量,減小檢修工作量,電站運維管理單位于2018年組織技術人員對水輪機導葉存在的問題進行研究,計劃結合2019年水輪機組改造時實施改進。經過技術論證,確定將水輪機導葉的壓板式軟密封結構改為鋼性密封結構。

水輪機導葉立面采用軟密封時,利用橡膠密封材料的壓縮量,輔以接力器的壓緊行程,橡膠密封凸出水輪機導葉表面,凸出量的大小根據電站水頭、出力、水輪機導葉尺寸決定,一般在3～7 mm之間。軟密封的優點是密封部位接合緊密,止水效果優于鋼性密封。軟密封的缺點是水輪機導葉線形差,受金屬腐蝕、汽蝕和水流沖擊的影響大,密封件易脫落。軟密封材料屬于易損件,需要定期更換。軟密封主要適用于工作水頭較低的貫流式和軸流式水輪機組。采用鋼性密封時,密封與水輪機導葉加工成一體,材質為不銹鋼。水輪機導葉的進水邊一般加工成寬度為15～25 mm的平面,利用高質量加工精度,輔以接力器的壓緊行程,實現密封。鋼性密封的優點是水輪機導葉線形好,檢修維護工作量小,主要適用于中、高水頭的混流式水輪機組。鋼性密封的缺點是對于泥沙含量大、水力沖擊大和汽蝕較嚴重的電站,密封部位易受腐蝕使密封面破壞,水輪機導葉漏水量增大。

20世紀90年代后,由于機械加工設備精度提高,特別是數控加工機床的應用,使鋼性密封的水輪機導葉立面普遍應用于中、高水頭水輪機組,且效果較好。長甸電站所處流域位于鴨綠江上游,庫區水質條件較好,水輪機金屬部件不會發生嚴重汽蝕、磨蝕現象。廠區B站2014年投產的3號和4號水輪機組中,水輪機導葉立面即為鋼性密封,應用效果較好,為2號水輪機組水輪機導葉改進為鋼性密封提供了參考。

整個導水機構運至具備水輪機制造和加工能力的機械廠,對水輪機導葉配合及結構尺寸進行測量、記錄,對原有立面密封壓板安裝槽位置進行加工處理。密封槽位置安裝0Cr13Ni5Mo不銹鋼板材。不銹鋼板材四周打坡口,封焊。鋼板表面鉆孔,塞焊。焊接完畢后,進行焊縫部位打磨。進行100%滲透無損探傷檢測,檢測合格后,按設計圖紙的要求對不銹鋼板材密封面進行精加工,表面粗糙度Ra不大于1.6 μm。水輪機導葉進水邊立面鋼性密封加工如圖2所示。

圖2 水輪機導葉進水邊立面鋼性密封加工

對于水輪機導葉尾部出水邊的密封面,用具有抗氣蝕性能的AWS ER410NiMo不銹鋼焊絲堆焊。打磨堆焊部位,進行100%滲透無損探傷檢測。檢測合格后,按設計圖紙要求對密封面進行精加工,表面粗糙度Ra不大于1.6 μm。水輪機導葉出水邊立面鋼性密封加工如圖3所示。

圖3 水輪機導葉出水邊立面鋼性密封加工

在工廠進行導水機構預裝,預裝后需要檢查的項目如下[4-5]:① 頂蓋抗磨板面位置的平面度要求不大于0.05 mm/m;② 頂蓋、底環的固定止漏環同軸度要求不大于0.20 mm;③ 水輪機導葉、立面間隙不大于0.2 mm;④ 水輪機導葉動作試驗要求靈活、無卡阻;⑤ 在33.4%、50%、100%三個開度狀態下進行水輪機導葉的開口尺寸測量,考核100%開度時24個水輪機導葉開口大小與平均值偏差相對不超過±2%。在驗收達到設計要求的條件下,水輪機導葉套筒現場配銷釘,定位。預裝拆解前,對水輪機導葉及其操作機構進行編號,方便電站安裝。

4 導水機構裝配

2019年9月,長甸電站2號水輪機組改造及A級檢修開始。水輪機組分解完成后,水輪機導葉、頂蓋、底環、導葉操作機構和控制環等全套導水機構運抵哈爾濱銀河電機制造有限公司。水輪機導葉密封結構改進后,檢查尺寸,滿足設計圖紙要求。水輪機導葉進水邊立面密封面寬度為20 mm,表面粗糙度Ra小于1.6 μm,如圖4所示。焊接部位100%滲透無損探傷檢測合格。水輪機導葉出水邊立面密封面寬度為10 mm,表面粗糙度Ra小于1.6 μm,如圖5所示。焊接部位100%滲透無損探傷檢測合格。導水機構預裝前,對頂蓋、底環的汽蝕部位進行檢查,并在制造廠進行修復[6-8],對軸承套等密封件進行更換。水輪機導葉預裝完成的整體外形如圖6所示。水輪機導葉在無油壓狀態下的密封情況如圖7所示。水輪機導葉立面間隙的測量數據滿足水輪機導葉立面鋼性密封間隙的要求,允許導葉體1/4高度范圍內間隙不大于0.20 mm[9],見表1。不同開度條件下水輪機導葉開口尺寸測量數據見表2,其中100%開度條件下滿足24個水輪機導葉開口大小與平均值相對偏差不超過±2%的設計要求。其它檢查項目均滿足行業規范要求。

表1 水輪機導葉立面間隙測量數據

表2 水輪機導葉開口尺寸測量數據

圖4 水輪機導葉進水邊立面密封面

圖5 水輪機導葉出水邊立面密封面

圖6 水輪機導葉預裝完成整體外形

圖7 水輪機導葉無油壓狀態下密封情況

5 改進效果

2020年7月,長甸電站2號水輪機組改造及A級檢修工作完成,水輪機組充水前對水輪機導葉立面間隙和100%開度條件下水輪機導葉開口尺寸進行檢查測量,均滿足設計要求。根據哈爾濱電機廠有限公司關于長甸電站2號水輪機組改造后接力器壓緊行程調整的核算,接力器壓緊行程調整至4～6 mm。水輪機組試運行期間,委托專業單位對水輪機導葉漏水量進行測定,測量數據換算至額定工作水頭條件下為0.29 m3/s,滿足設計規范要求的水輪機導葉漏水量不大于3‰額定流量的要求[10]。水輪機組經歷2020年汛期長時間大發電考驗,未發生異常。2021年4月水輪機組C級檢修時,對改進后的密封面進行檢查,密封面良好,未發現任何腐蝕現象。目前水輪機組運行狀態穩定,各部分振動擺度正常,長甸電站2號水輪機組水輪機導葉立面密封結構改進取得了較好的效果。

6 后續建議

盡管目前水輪機導葉立面鋼性密封的設計已經成熟,長甸電站庫區的自然條件也適合鋼性密封的應用,但是因為該水輪機組為20世紀80年代產品,在設計、制造等方面與現行標準還有一定差距,且水輪機導葉本體仍為非不銹鋼材質,所以后續還應進行運行跟蹤。建議結合電站每年水輪機組的C級檢修,對水輪機導葉密封部位進行檢查、記錄。如果密封面部位的磨蝕量超標,可以考慮對水輪機導葉金屬密封部位使用碳化鎢涂層進行防護[11]。碳化鎢涂層抗汽蝕、磨損、腐蝕的性能相當強,在國內多個水電站已成功應用,效果良好。

7 結束語

水輪機導葉立面密封的結構形式和制造安裝質量決定著停機狀態下水輪機組漏水量的大小,關系到水電站的經濟運行及水輪機組的安全性。水輪機組在設計和制造階段,選擇合適的水輪機導葉密封結構相當重要。長甸電站2號水輪機組水輪機導葉由壓板式橡膠軟密封改為鋼性密封,取得了較好的效果,解決了改進前水輪機導葉立面密封存在的橡膠密封膠條和壓板容易脫落的問題,減小了水輪機組的漏水量,并減小了大修中檢修的工作量,提高了水輪機組的安全性、穩定性和水資源利用率。長甸電站2號水輪機組水輪機導葉立面密封結構的改進,為中、高水頭且水輪機導葉立面為軟密封的水輪機組解決漏水嚴重問題提供了經驗,具有實用價值。