巖灘水電站擴建工程水輪機轉輪特征參數優化與現場制造

伍曉芳

（廣西電力工業勘察設計研究院，廣西 南寧 530023）

0 引 言

巖灘水電站 （一期）是紅水河梯級開發的第5級電站，距上游龍灘水電站166 km，總裝機容量1210 MW，于1995年全部建成發電。上游龍灘水電站水庫具有多年調節性能，其投產顯著改善了巖灘水電站的徑流特性，使巖灘水電站年發電量顯著增加，經過論證巖灘水電站進行擴建，擴建工程利用原水庫，在一期大壩右岸修建引水發電系統，擴建機組安裝于地下廠房內。

一期電站水輪機在運行時，出現過廠房振動、葉片大量裂紋等嚴重問題，針對該問題，水輪機廠家哈爾濱電機廠有限公司 （以下簡稱哈電）與電站業主合作，經過大量的的研究工作，2003年對電站3號水輪機轉輪進行了改造，改造有一定的效果。本文基于改造的成功經驗，在擴建項目設計研究中，將研究重點放在影響水輪機運行穩定性及葉片裂紋的幾個重要因素上，包括水輪機比轉速、尾水管高度、安裝高程等特征參數優化、水輪機模型的選擇以及制造工藝上的改進等。

1 擴建工程水輪機特征參數優化

該工程水輪機的運行水頭范圍為41.5～68.5 m，經過水文水能論證，水輪機的額定水頭確定為57.4 m，水輪機額定出力306.1 MW。為了提高水輪機的運行穩定性，在項目進行水輪機招標選型時，對以下特征參數予以優化。

1.1 比轉速

比轉速是表征水輪機綜合技術經濟水平的重要特征參數之一。在相同水頭和出力條件下，提高水輪機比轉速將提高機組轉速，減少機組尺寸和質量，進而帶來明顯的一次性經濟效益，但是提高水輪機比轉速，會提高水輪機的轉速和單位流量，從而使水輪機轉輪流道內的相對流速增加，對水輪機的空化性能、泥沙磨損及穩定性造成不利影響。按照水輪機額定水頭為57.4 m，根據目前國內外廠家對于比轉速的確定提出的一些統計公式，該工程轉輪的比轉速計算見表1。

表1 比轉速計算

由上述各統計公式計算可見，根據制造技術水平，擴建工程水輪機的比轉速ns在264（m·kW制，以下相同）以上300以下均可，各制造廠也有很多高參數的模型轉輪，但是鑒于一期電站水輪機額定水頭59.4 m，額定點比轉速為252.03，水輪機運行時存在過的嚴重裂紋和廠房振動等穩定性問題，在擴建工程中，不為短期的經濟利益片面追求高比轉速，而考慮適當降低比轉速[1]和額定轉速，以改善水輪機的穩定性，將擴建工程水輪機真機額定點 （額定水頭57.4 m）比轉速降低到250左右。

根據比轉速的計算公式:ns=n·P0.5/H1.25，該擴建工程水輪機額定出力P=306.1 MW，額定水頭H=57.4 m，如果擴建工程額定點比轉速ns=250 W或以下，則反算出來的水輪機轉速為71.4 r/min，根據模型比轉速的計算公式 ns=3.13·n11·(Q11.η)0.5，當比轉速降低，需要水輪機單位轉速或單位流量與效率的乘積會降低，或兩者均降低。擴建工程水輪機的限制工況流量應低于一期，以此作為擴建工程水輪機模型選擇的條件之一。

1.2 水輪機尾水管高度

本擴建工程屬于地下廠房，為保證廠房和洞室的穩定性，最好是減少洞室開挖的跨度、保證洞室之間的有效巖層間距，而對局部開挖長度、深度的不嚴格限制。為了不加大廠房長度，減少工程量，根據受水輪機蝸殼尺寸，本工程的兩臺機組中心間距定為33 m，那么兩臺機組尾水隧洞的間距也就為33 m，根據規范，相鄰隧洞間巖體厚度不宜少于2倍開挖洞徑或洞寬，經論證可適當減少，但不得小于1倍洞寬，因此為了保證兩個尾水隧洞之間的有效巖層厚度，尾水管出口最大寬度不能超過15m，為了同時保證尾水管出口面積滿足水流速度降低，增加尾水管的能量恢復系數，提高水輪機效率的要求，從而必須增加尾水管出口高度方向的尺寸，因此，采用高而窄的尾水管，尾水管整體高度定為3.37 D1。這種高尾水管的選用，不僅減少了水工的工程量，也提高了水輪機的效率，改善了尾水管偏心渦帶所引起的振動，增強了機組運行的穩定性。

1.3 水輪機的安裝高程

通常而言，水輪機的安裝高程取決于水輪機空化性能、廠房開挖經濟性等綜合因素。從水輪機空化性能方面考慮，水輪機安裝高程的選擇除了要滿足水輪機在各種運行工況下的的空化特性要求外，還應核算尾水管出口頂部淹沒深度是否滿足要求，安裝高程降低，對水輪機的空化性能有好處，但會加大廠房開挖量。本項目滿足這兩項要求的安裝高程為155.15 m，但擴建工程廠房為地下廠房，其頂部存在石英脈及蝕變巖，為保證廠房頂部完整的圍巖有一定的厚度，增強廠房的安全性，同時也考慮到較低的安裝高程更加有利于水輪機的穩定運行，因此將水輪機實際安裝高程降到147.00 m高程。對于地下廠房而言，單純降低水輪機安裝高程，不會影響廠房的開挖工程量。

2 實際采用水輪機主要參數

本工程2010年12月開始水輪機招標，中標單位為哈電，其推薦的水輪機型號為 HLA964－LJ－850，葉片數為14，額定功率306.1 MW；額定流量Qr=599.91 m3/s，額定轉速nr=71.4 r/min，額定點單位轉速n11=80.4 r/min，單位流量Q11=1.0947 m3/s，額定點比轉速ns=249.98，水輪機運行最高水頭額定出力下的比轉速為200。該模型轉輪以三峽右岸A858a模型轉輪為基礎，再根據巖灘本工程的實際，優化了蝸殼、提高了尾水管高度，增加轉輪葉片，改善振動特性；在能量特性上，采用負傾角葉片形式，以提高轉輪能量指標，拉大了限制工況和最優工況單位流量的距離，轉輪運行的高效區加寬，使得水輪機能得到較高的加權平均效率和部分負荷的高效率；A964轉輪的相對導葉高度0.289D1，比一期的低，提高了轉輪的剛度，進一步提高了部分負荷運行的穩定性。A964模型轉輪于2011年4月在哈電進行了模型試驗，試驗結果現實:A964最優點導葉開度18 mm，n11=74.98 r/min，Q11=0.8012 m3/s，最優點比轉速ns=204.62，模型效率94.88%，對應真機效率96.56%，模型能量性能優良，且模型最優工況點的比轉速接近電站最高水頭下的比轉速，對穩定性比較有利[1]，試驗表明模型運行區域內沒有出現葉道渦，沒有發生葉片背面脫流；尾水管壓力脈動頻率和混頻雙振幅均小于合同保證值，轉輪穩定性好。

從模型驗收結果看，巖灘水電站擴建工程所選擇使用的水輪機具有良好的設計綜合性能，但是轉輪的最終運行質量還需要靠合理的結構設計和精良的加工質量才能得以保證。

3 制造過程質量對水輪機性能的影響分析

制造質量所包含的內容廣泛，由于篇幅所限，本文僅針對巖灘一期出現過的問題進行討論。巖灘早期水輪機葉片裂紋的原因分析[2]之一是:在工廠轉輪焊接時，焊接順序混亂，焊接工藝沒保證，焊接后葉片間距開口偏差較大，焊縫質量沒保證，焊接后殘余應力大等。本電站轉輪直徑大 （大于8.0 m），在國內對于大型轉輪，轉輪只能靠焊接組成整體，葉片與上冠、下環之間焊接時，焊縫長而且深，因此焊接時必須分段、分層，這樣復雜的焊接工藝，決定了轉輪焊接后焊縫及周圍必定存在焊接殘余應力。殘余應力的存在，降低了焊縫處的強度，使葉片的疲勞強度、脆性破壞、應力腐蝕等力學性能降低，導致轉輪在運行時產生變形和開裂。受當時運輸條件和制造能力限制，一期的轉輪采用分瓣轉輪，轉輪在工廠加工后分成2瓣運輸到工地再組焊，焊接后沒有進行整體退火，額外惡化了轉輪的力學性能，導致運行時帶來隱患。為了克服上述缺陷，在擴建工程中高度重視轉輪的焊接工藝、降低焊接殘余應力等問題，并決定工地現場制造轉輪。另外，雖然對一期水輪機組運行時的振動原因分析至今尚無權威定論，但是由于葉片、轉輪形體制造偏差引起的流場分布不均所產生的影響也不應忽視，因此擴建工程中對轉輪的外觀形體加工質量也提出了更嚴格的要求。

4 轉輪制造

4.1 轉輪加工廠及設備

為了在工地制造轉輪，本擴建工程專門設計了轉輪加工廠，廠房距離地下廠房直線距離1865 m，行車距離3102 m，轉輪加工廠長90 m、寬27 m、高25 m，為門式鋼架結構。廠內設有拼焊、加工、靜平衡、翻身及熱處理等工位。并在廠內設置有1臺350 t/80 t門式起重機及下列加工主要設備及附屬設施:可拆式退火爐、翻身架、上冠法蘭加工立車、止漏環加工立車、聯軸孔鏜孔機、液壓靜平衡設備以及生活供排水、照明、通風、消防等輔助系統和設施。加工廠通風系統完善，可保證廠內焊接等工藝對環境粉塵、風速、溫度等的要求。

4.2 高質量的轉輪構件

轉輪由上冠、下環、葉片及泄水錐組焊而成，各構件以散件發貨到工地。轉輪最大外徑8500 mm，高4417mm，進口邊開口高度2474.8mm。每個轉輪共有14個葉片，葉片材料為ZG06Cr13Ni4Mo，VOD精練后一次性整體鑄成。葉片成品質量優良:材質最低屈服強度為600 MPa，最低抗拉強度為810 MPa，葉片硬度最低248HB，葉片進、出口型線與樣板單邊間隙檢驗值在允許的8.3 mm以內；葉片頭部、尾部與樣板間隙均為4 mm，在允許的4.2 mm偏差范圍內；葉片最大表面粗糙度檢測值小于0.7 um，遠小于設計1.6 um；葉片波浪度均不到設計允許值的一半；葉片100%UT、100%PT探傷檢查沒發現任何鑄造缺陷。

上冠最大外圓直徑7596 mm，為整體鑄造件，材料為ZG06Cr13Ni5Mo，出廠時已經過必須的退火、機械加工等工序，材料屈服強度610 MPa、抗拉強度850 MPa，硬度255HB。

下環最大外圓直徑8646 mm、分4瓣鑄造，材料為ZG06Cr13Ni5Mo，發貨前已加工出水力流線和對接焊縫的焊接坡口。

4.3 轉輪現場制造

轉輪現場制造主要包括:裝配、焊接、退火、無損探傷檢查、機械加工、靜平衡和檢查驗收等幾個關鍵工序，每道工序都嚴格控制。

4.3.1 裝配

每個轉輪現場裝配有4瓣下環、1個上冠、14個葉片和1個泄水錐，共計20個部件。4瓣下環組圓后采用嚴格的工序進行分段焊，焊接過程中隨時監控下環的變形情況，并根據實時監測的變形情況靈活調整焊接順序，采用逐層錘擊焊道的方法，達到消除焊縫中的焊接殘余應力和減小焊接變形的目的。嚴格控制下環的徑向尺寸偏差，將上冠、下環的水平度控制在1 mm以內；下環與上冠的同心度控制在2 mm以內；最后，精準定位葉片，嚴格控制轉輪進口高度。

4.3.2 定位焊接

為有效控制轉輪焊接過程中的焊接應力和焊接變形，哈電總結以往經驗教訓，改進焊接工藝方法，加強焊接質量控制。具體采用的控制措施有:

（1）科學安排焊接順序。先焊接葉片與上冠的正面坡口到30 mm深、焊接葉片與下環的背面坡口到30 mm深；對葉片與上冠的背面坡口側清根、打磨、PT探傷；交替焊接葉片與上冠的正、背面坡口至60 mm深；將葉片與下環的背面坡口焊滿。

（2）嚴格控制焊接工藝和材料。采用專用的可控硅調功控溫預熱裝置，并經過預先的熱平衡計算，根據轉輪各部件的不同厚度適當布置電加熱器的數量和位置，在加熱過程中實時調整加熱器的輸出功率，使得整個轉輪的焊接區溫度始終保持在預定溫度；采用哈電自主研制的、可有效提高焊縫韌性的馬氏體不銹鋼焊絲進行焊接，有效控制了焊接過程中的變形和應力。

4.3.3 轉輪焊接后熱處理

為了進一步降低焊接轉輪內的焊接應力，轉輪現場焊接后采用電加熱退火方式退火。降低殘余應力的關鍵就是退火工藝，首先為了保證退火效果，退火爐采用可控硅調功控溫法進行加熱，由多臺可控硅調功控溫柜適時地控制加熱器的輸出功率，其次科學制定退火曲線，嚴格控制退火過程的熱電偶間的溫差、加熱速度、分段加熱的溫度階段劃分、分段保溫的保溫溫度和保溫時間、冷卻速度、出爐溫度，進行退火。

4.3.4 轉輪現場加工及驗收

轉輪退火后現場加工的部位有聯軸法蘭、上、下止漏環、聯軸孔等，加工完再進行靜平衡配重。

4.3.4.1 轉輪水力尺寸、外觀檢查

轉輪各主要尺寸如上冠最大外圓直徑、下環最大外圓、連軸孔直徑、轉輪高度尺寸、轉輪上冠、下環最大外圓同軸度 （0.75 mm）等驗收實測值均在設計的公差范圍以內；葉片開口布置均勻，最大差值為-8 mm （-1.69%），最小差值0 mm，遠優于設計允許偏差；葉片進口角、出口角最大偏差±0.5°，小于設計偏差規定值±2°。轉輪水力尺寸、外觀質量均優于設計要求。

4.3.4.2 轉輪殘余平衡重驗收

每個轉輪14個葉片，最小、最大質量分別為8390、8530 kg，差值為140 kg，根據哈電企業規范，擴建工程的轉輪靜平衡時，在下環外圓8646 mm處掛1 kg重物，下環8550 mm處下降0.55～0.75 mm之間就為合格，實測值為0.7 mm；殘余不平衡力矩為1019 N·m （111.22 kg·m），在轉輪下環外圓 8646 mm處加重物不超過25.7 kg就合格，但實際配重7.0 kg。該轉輪靜平衡配重小，屬國內領先制造水平。

4.3.4.3 殘余應力檢測

本工程轉輪采用盲孔釋放法[4]進行殘余應力測試。選擇轉輪9、11號葉片背面與下環焊接部位靠近出水邊側的焊縫、熔合區、熱影響區及葉片本體，分別進行了轉輪焊接狀態和整體熱處理后的殘余應力測試。測試時，應變片沿焊縫垂直方向分布。兩葉片在退火前后的測試結果對比見圖1、2。

圖1 9號葉片應力分布

圖2 11號葉片應力分布

測試結果表明:退火前，在9號葉片與下環出水邊焊縫及熔合線區域所測最大主應力 （壓應力）達到387.9 MPa（9號葉片驗收最低屈服強度741 MPa的52.4%），最大拉應力為169.1 MPa，應力變化幅度為474.9 MPa；11號葉片殘余壓應力最高達450.0 MPa（11號葉片驗收最低屈服強度640 MPa的70.3%），最大拉應力為221.2 MPa，應力變化幅度為671.2 MPa。這表明轉輪退火前，焊接殘余應力很高，且分布不均勻。

在轉輪熱處理后，9號葉片所測最大壓應力降低到37.9 MPa，最大拉應力為71.8 MPa（小于材料屈服強度的9.7%）；應力變化幅度為109.7 MPa;11號葉片殘余壓應力最高84.8 MPa，最大、拉應力為146.4 MPa（小于材料屈服強度的22.8%），整個葉片的應力變化幅度為141.2 MPa。退火熱處理后，葉片最大殘余應力大大降低，而且應力變化幅度也大大降低，殘余應力分布更加均勻，這樣低的殘余應力在目前國內也屬于領先水平[4]。

5 結 論

2013年11月25日擴建工程首臺機組投入商業運行，運行記錄顯示水輪機在當時的66 m水頭下運行穩定性良好，表明本文所做的研究工作是有效的，即對于水頭變化大的中、高比轉速混流式水輪機在選擇時，不應為一次性投入的經濟性而片面追求高比轉速等參數，可以酌情降低比轉速，適當降低機組轉速；對于地下廠房，可通過經濟技術比較，適當降低水輪機安裝高程、增加尾水管高度，既能改善水輪機的穩定性，又不至于因為尾水管開挖工程量的增加而嚴重影響整個項目的開挖工程量。

［1］王遠江.巖灘與李家峽水電站水輪機轉輪裂紋的原因和處理[J].水力發電，1999，25（5）: 43-45.

［2］徐洪泉，王萬鵬，李鐵友.論水輪機比轉速選擇和水電站穩定性的關系[J].水力發電學報，2011，30（5）:220-223.

［3］王慶光.殘余應力檢測技術及其應用.重型機械科技[J].2002（4）:39-42.

［4］宋天民.焊接殘余應力的產生與消除 [M].北京:中國石化出版社,2006.

［5］孫鴻秉，王懷茂.龍灘水電站水輪機轉輪殘余應力的測試及評價[J].水力發電，2007，33（4）:41-43.