映秀灣電站一號水輪機(jī)改造分析

摘要：映秀灣電站水輪機(jī)能量參數(shù)、效率設(shè)計(jì)值偏低，不利于水力資源的有效利用。水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)過流部件磨損嚴(yán)重，導(dǎo)葉漏水大。轉(zhuǎn)輪經(jīng)過長期修復(fù)補(bǔ)焊葉片變形嚴(yán)重，已多處出現(xiàn)裂紋，機(jī)組穩(wěn)定性變差，水力振動區(qū)大，急需對水輪機(jī)進(jìn)行改造。針對1G機(jī)組水輪機(jī)運(yùn)行中的問題對其改造方案進(jìn)行詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：映秀灣電站；水輪機(jī)；改造；安全生產(chǎn)

作者簡介：唐軍（1973-），男，四川彭州人，國網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠發(fā)電部副主任，工程師。（四川 都江堰 611830）

中圖分類號：TM622 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）29-0235-02

一、工程概述

映秀灣電站位于阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內(nèi)岷江上游左岸，電站設(shè)計(jì)水頭54m，最高運(yùn)行水頭66m，最低水頭47m，最大引用流量為240m3/s，電站裝機(jī)容量45×3MW，實(shí)際最大發(fā)電能力為115MW。三臺機(jī)組全部為哈爾濱電機(jī)廠制造，1972年竣工。電站采用徑流引水方式，多年平均過機(jī)含沙量為0.33～0.37 kg/m3。

2008年5月12日因地震導(dǎo)致電站停產(chǎn)，2008年12月首臺機(jī)組恢復(fù)發(fā)電，2009年5月8日全站3臺機(jī)組全部恢復(fù)發(fā)電。2010年8月13日泥石流災(zāi)害后，映秀灣電站被水浸泡，水位至行車軌道以下約1m，設(shè)備銹蝕損壞嚴(yán)重。

電站于1971年9月第一臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，設(shè)備運(yùn)行時間長，存在問題較多，已投入運(yùn)行30多年。轉(zhuǎn)輪是以A36轉(zhuǎn)輪為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制造的，水輪機(jī)抗磨蝕能力差，過流部件磨蝕損壞嚴(yán)重。水輪機(jī)能量參數(shù)、效率設(shè)計(jì)值偏低，不利于水力資源的有效利用。水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)過流部件磨損嚴(yán)重，導(dǎo)葉漏水大。轉(zhuǎn)輪經(jīng)過長期修復(fù)補(bǔ)焊葉片變形嚴(yán)重已多處出現(xiàn)裂紋，機(jī)組穩(wěn)定性變差，水力振動區(qū)大。并且水輪機(jī)大修周期只有三年，頻繁的拆裝工作對機(jī)組造成了很大的損害。由于水輪機(jī)存在的問題已經(jīng)嚴(yán)重威脅到機(jī)組的安全發(fā)電和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，客觀上要求對水輪機(jī)進(jìn)行及時的技術(shù)改造。

二、改造方案

本次改造對1G機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、底環(huán)、頂蓋、主軸密封、接力器全部進(jìn)行更換，其中水轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、底環(huán)、主軸密封是重新設(shè)計(jì)制造的，頂蓋、控制環(huán)是利用原有設(shè)備進(jìn)行修復(fù)的。[1]根據(jù)之前的水輪機(jī)改造可行性研究報告書中確定的方案，有利于轉(zhuǎn)輪的選型設(shè)計(jì)，方案設(shè)計(jì)合理。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的頂蓋、控制環(huán)采用修復(fù)方案能部分降低設(shè)備改造費(fèi)用，改造風(fēng)險較小。[2]水輪機(jī)改造后解決了轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)存在的問題，水輪機(jī)水力性能得到明顯改善，提高了水輪機(jī)效率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1.轉(zhuǎn)輪

據(jù)映秀灣電站的水力資源情況和運(yùn)行特點(diǎn)，水輪機(jī)技術(shù)改造的重點(diǎn)是通過采用更合適的轉(zhuǎn)輪提高水輪機(jī)運(yùn)行效率。從目前國內(nèi)相應(yīng)水頭段的混流式優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪中，選擇轉(zhuǎn)輪過流能力、最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速及導(dǎo)葉相對高度與映秀灣現(xiàn)有水輪機(jī)相適應(yīng)的轉(zhuǎn)輪作為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.導(dǎo)葉

導(dǎo)葉體選用與蝸殼結(jié)構(gòu)更匹配的對稱型導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，從多工況數(shù)值模擬分析的結(jié)果來看，在小流量工況時活動導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉的配合較好。為提高導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的抗空蝕、抗磨損能力，延長導(dǎo)葉的使用壽命，新導(dǎo)葉采用不銹鋼材料制作，導(dǎo)葉立面采用金屬接觸式密封，端面采用橡膠密封。為了減小導(dǎo)葉的損壞，新導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)將考慮減小軸頸尺寸以減少由于導(dǎo)葉肩部的“凸臺”帶來的空蝕破壞。[3]

3.頂蓋

對舊頂蓋進(jìn)行修復(fù)，頂蓋抗磨板及抗磨環(huán)更換為不銹鋼材料，適當(dāng)縮小導(dǎo)葉軸孔尺寸，對導(dǎo)葉軸頸密封、套筒密封進(jìn)行改進(jìn)。

4.底環(huán)

整體制作新的底環(huán)裝配，底環(huán)抗磨板、止漏環(huán)采用不銹鋼材料制作，底環(huán)采取不分半結(jié)構(gòu)并改進(jìn)底環(huán)與座環(huán)的連接方式。適當(dāng)縮小導(dǎo)葉軸孔尺寸，對導(dǎo)葉下軸頸密封進(jìn)行改造。

三、施工情況

本次映秀灣電站1G機(jī)組水輪機(jī)改造工作于2012年2月23日開工，2012年5月22日竣工，共計(jì)90天。在施工過程中出現(xiàn)了較多問題并采取措施進(jìn)行了針對性的處理。

1.整體中心處理

水輪機(jī)改造期間校核機(jī)組中心發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)定子中心偏差達(dá)2mm。通過查閱之前的檢修記錄發(fā)現(xiàn)，該機(jī)組發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)中心存在偏差主要是由于2008年“5·12”地震時造成和加劇的。本次水輪機(jī)改造在多次校核發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)中心的情況下，為了能比較徹底地解決中心偏差的問題，在發(fā)電機(jī)定子不考慮移動的情況下，和技術(shù)部門共同商量決定以定子中心為基準(zhǔn)移動水輪機(jī)中心，在滿足發(fā)電機(jī)空氣間隙符合規(guī)范要求的前提下移動水輪機(jī)底環(huán)和頂蓋來達(dá)到技術(shù)要求。通過結(jié)果驗(yàn)證該處理方案達(dá)到了既定要求，機(jī)組中心、發(fā)電機(jī)空氣間隙、機(jī)組水平等數(shù)據(jù)全部符合規(guī)范要求。

2.底環(huán)處理

根據(jù)制訂的整體中心處理方案，在滿足發(fā)電機(jī)空氣間隙符合規(guī)范要求的前提下移動水輪機(jī)底環(huán)和頂蓋來達(dá)到技術(shù)要求。但現(xiàn)場的實(shí)際情況卻是底環(huán)、頂蓋均沒有足夠的移動空間。由于映站水輪機(jī)幾大部件需要用平板車進(jìn)行交通洞的運(yùn)輸，對外聯(lián)系廠家也無法保證加工時間，因此決定在現(xiàn)場進(jìn)行處理。

（1）根據(jù)之前校核的發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)中心來確定底環(huán)、頂蓋需要移動的量。并在底環(huán)、頂蓋中心校核中通過實(shí)際測量記錄移動量。根據(jù)計(jì)算，確定底環(huán)各部位需要打磨的方位（+Y和-X）及打磨量（2mm）。

（2）現(xiàn)場采用風(fēng)動和電動打磨工具進(jìn)行打磨，由于頂蓋主要打磨的是抗磨板邊緣，該處又需要裝配橡膠盤根密封，因此打磨要求很高。

（3）由于底環(huán)移動，現(xiàn)場又對8個把合螺栓孔進(jìn)行了擴(kuò)孔處理。在現(xiàn)場經(jīng)過5天時間的手工打磨完成了該處理工作，通過最終的校核中心達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3.導(dǎo)葉處理

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的預(yù)裝配在廠家完成，頂蓋和底環(huán)的抗磨板高度和現(xiàn)場不一致。在安裝底環(huán)、頂蓋測量抗磨板高度時發(fā)現(xiàn)廠家加工的導(dǎo)葉高度無法滿足端面間隙的設(shè)計(jì)要求，需要對導(dǎo)葉進(jìn)行加工。根據(jù)測量的頂蓋、底環(huán)抗磨板高度后，按照0.60～0.80mm的總間隙要求對導(dǎo)葉進(jìn)行配車，加工后的導(dǎo)葉安裝后間隙滿足設(shè)計(jì)0.48～1.08mm的技術(shù)要求。

4.控制環(huán)處理

1G機(jī)組水輪機(jī)改造的頂蓋和控制環(huán)是在原設(shè)備的基礎(chǔ)上修復(fù)的，在現(xiàn)場裝配時發(fā)現(xiàn)控制環(huán)無法在頂蓋上安裝到位，接力器也無法正常安裝。通過現(xiàn)場實(shí)際測量，對頂蓋和控制環(huán)作如下處理：對頂蓋上尺寸偏高的局部進(jìn)行打磨；控制環(huán)按照底抗磨塊的寬度將控制環(huán)底面車削8mm。通過以上處理，控制環(huán)能正確安裝到頂蓋上，并有3mm的磨損余量。

四、運(yùn)行情況

該項(xiàng)改造工程于2012年5月22日完成，在隨后的開機(jī)試驗(yàn)中一切正常。開機(jī)過程中監(jiān)視機(jī)組各部擺度、振動及漏水情況、水導(dǎo)軸承油溫、瓦溫均正常。甩負(fù)荷試驗(yàn)分別按25%、50%、75%、100%水輪機(jī)額定負(fù)荷進(jìn)行，甩額定負(fù)荷時渦殼水壓上升率小于40%，轉(zhuǎn)速上升率小于40%，主軸密封漏水正常，水輪機(jī)各部運(yùn)行無異常。

2012年8月7日對1G水輪機(jī)進(jìn)行檢查，水輪機(jī)過流部件情況良好。轉(zhuǎn)輪整體情況良好，沖刷表面光滑，無坑斑、裂紋等，泄水錐完好（見圖1）。頂蓋、底環(huán)抗磨板完好，無刮痕，無氣蝕和磨損痕跡（見圖2、圖3）。導(dǎo)葉在全開開度下留下的印跡，用手觸摸無明顯的凹凸感和邊緣（見圖4）。

五、改造效果

1.維持正常的安全生產(chǎn)

由于映秀灣電站水輪機(jī)已投產(chǎn)30多年，水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)過流部件磨損嚴(yán)重，導(dǎo)葉漏水量大。特別是轉(zhuǎn)輪葉片經(jīng)過多次大修時的補(bǔ)焊、鏟磨，轉(zhuǎn)輪葉片多處出現(xiàn)裂紋，其過流面型線已與原設(shè)計(jì)有較大變化，對水輪機(jī)水力性能影響很大，近年水輪機(jī)部分異音和異常振動明顯增大。現(xiàn)有的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪經(jīng)過多年修補(bǔ)已接近報廢，通過本次水輪機(jī)改造增加了機(jī)組的可靠性，機(jī)組的安全運(yùn)行得到了保證。

2.提高水輪機(jī)效率

映秀灣電站水輪機(jī)效率低，經(jīng)濟(jì)效益差。提高水輪機(jī)效率可以更好地利用有限的水力資源，增加發(fā)電量，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.提高水輪機(jī)抗磨蝕能力

映秀灣電站為徑流引水方式，多年平均過機(jī)含沙量為0.33～0.37kg/m3，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪磨蝕損壞嚴(yán)重。為了提高水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的抗磨蝕能力，確保水輪機(jī)的安全運(yùn)行，有必要對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改型更換。

4.增加電站出力

映秀灣電站總裝機(jī)容量135MW，但是由于電站現(xiàn)有條件的限制，實(shí)際出力只有115MW。通過對水輪機(jī)過流部件的改造，特別是采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行重新選型設(shè)計(jì)，提高轉(zhuǎn)輪最優(yōu)效率及經(jīng)常運(yùn)行工況的加權(quán)平均效率。[4]擴(kuò)大轉(zhuǎn)輪高效率區(qū)范圍，改善機(jī)組的運(yùn)行狀況，在不增加電站耗水量的情況下，通過提高效率可以適當(dāng)提高電站的水輪機(jī)出力。

5.延長機(jī)組大修間隔

由于水輪機(jī)過流部件磨蝕損壞，特別是轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的空化相當(dāng)嚴(yán)重。其過流部件型線已與原設(shè)計(jì)有了較大的變化，對機(jī)組水力性能的影響已日漸明顯。同時，頻繁拆裝對機(jī)組各部造成很大的影響，加快了機(jī)組的老化，更進(jìn)一步影響了機(jī)組的正常運(yùn)行。通過水輪機(jī)技術(shù)改造可以延長機(jī)組大修周期到5年，使今后水輪機(jī)的檢修工作量減少，檢修工期縮短。

6.適應(yīng)電力市場的要求

映秀灣電站年運(yùn)行小時數(shù)約5500h。其中5～10月為汛期，水輪機(jī)凈水頭為47～52m，汛期約為4000h，非汛期按1500h。針對電站的水力資源情況，以高性能轉(zhuǎn)輪替代現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪后，擴(kuò)大水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高效率區(qū)范圍，改善機(jī)組的運(yùn)行狀況，水輪機(jī)的振動區(qū)范圍將減小，機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍將增大，小流量工況的能量指標(biāo)和穩(wěn)定性提高，從而能更好地適應(yīng)電網(wǎng)要求機(jī)組增大負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍及隨時開、停機(jī)的要求。

六、結(jié)語

映秀灣電站水輪機(jī)通過改造后解決了轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)存在的問題，在效率、穩(wěn)定性和整體抗磨蝕方面都將有明顯提高，改善了水輪機(jī)的運(yùn)行狀況，消除了不安全隱患，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）