沙河抽水蓄能電站發電機推力頭起拔方法研究

王以軍（江蘇沙河抽水蓄能發電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

沙河抽水蓄能電站發電機推力頭起拔方法研究

王以軍
（江蘇沙河抽水蓄能發電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

摘要：沙河抽水蓄能電站裝機2×50MW，兩臺機組分別于2002年6、7月份投入商業運行。多年來沙河抽水蓄能電站發電機推力頭經過多次起拔，總結出一套安全、快速、可行的方法。

關鍵詞：發電機；推力頭；起拔；研究

1　電站簡介

沙河抽水蓄能電站位于國家5A級旅游度假區美麗的天目湖畔，距南京市120km。沙河抽水蓄能電站是江蘇省第一座水電站，裝有2臺50MW的抽水蓄能機組，總裝機容量100MW。機組額定轉速均為300r/min，年設計發電量1.82億kW·h，承擔江蘇電網調峰填谷、調節潮流、事故備用等任務，并作為江蘇電網黑啟動的電源點。

電站主機設備由法國阿爾斯通公司提供，發電電動機型號為SFD50-20/630，型式為三相、立軸、懸式、密閉自循環空冷、同步可逆式。水泵水輪機與發電電動機通過法蘭連接。轉動方向俯視：順時針方向旋轉為水輪機工況，逆時針旋轉為水泵工況。發電電動機額定電壓10.5kV。定子重量73500kg；轉子重量112800kg；上機架重量11700kg；下機架重量5 500kg。轉子直徑4364mm；主軸長度6450mm；直徑630mm。發電電動機轉動慣量1230t·m2。

2　推力頭結構與作用

沙河抽水蓄能電站發電機為懸式結構，即推力軸承位于上部機架上，在轉子上方，通過推力頭將機組整個旋轉部分的重量懸掛起來，并且還承受來自水力機械的軸向推力。轉子或轉輪需吊出檢修時，必須將推力頭拔出后才能取出轉子或轉輪。推力頭上方通過半插在推力軸頭中的卡環限制推力頭向上位移。推力頭通過6只螺栓與鏡板相連。

沙河抽水蓄能電站發電機推力頭材質為ASTM A668，高度480mm，與發電機軸配合高度425mm，過盈配合高度275mm，過盈量達0.20mm；推力頭外徑分1000mm和815mm兩段，各段高度分別為225mm、255mm；推力頭重1680kg。卡環分瓣組裝，材質S355J，高度78mm，內徑355mm，單瓣卡環重70kg。推力頭結構見圖1。

圖1推力頭結構圖

3　推力頭起拔方法

推力頭起拔方法有很多種，最終目的是將推力頭與大軸分離。推力頭起拔難度又和推力頭與大軸配合的緊密程度密切相關。當推力頭與大軸為間隙配合或過渡配合時，常溫狀態下即可起拔推力頭；而當推力頭與大軸為過盈配合特別是過盈量較大時，則必須通過加熱推力頭釋放過盈量的方法進行起拔。下面介紹幾種常見的推力頭起拔方法。

3.1轉子自重起拔法

一般轉子帶軸是發電機組最重的部件，沙河抽水蓄能電站轉子帶軸達110多噸。取出推力頭卡環，通過機組液壓頂轉子系統將轉子頂起一定高度，對推力頭進行加熱，在達到一定膨脹量后，利用轉子的自重使得推力頭和大軸產生相對運動，逐步取出推力頭。此種方法雖然有較大的起拔力，但平衡難以掌握，安全危險較高，一般很少采用。

3.2頂絲起拔法

頂絲起拔是指在取出卡環且推力頭加熱完成后，在對稱方向用3根或以上螺桿將推力頭與推力頭起拔專用工具相連，通過同步擰緊螺桿上的螺母的方法來起拔推力頭（見圖2）。此種方法速度慢、耗費人力，但由于起拔力不大，安全系數較高，只要控制好推力頭的水平度，安排好人力輪換，配以一定程度的加力桿，能夠較為順利地拔出推力頭。

圖2頂絲起拔推力頭

3.3千斤頂起拔法

千斤頂起拔是指在取出卡環且推力頭加熱完成后，在推力頭與推力頭起拔專用工具之間對稱方向上放置2臺以上千斤頂，通過同步操作千斤頂的方法來起拔推力頭（見圖3）。千斤頂可用螺旋式、液壓式，其中液壓式千斤頂壓力可達百噸級以上。用千斤頂起拔省時省力，但千斤頂操作力很大且有死行程，同步難以掌握，易造成推力頭的不水平。若使用專用環形液壓千斤頂可避免以上缺點。

圖3千斤頂起拔推力頭

3.4手拉葫蘆/橋機起拔法

手拉葫蘆起拔是指在取出卡環且推力頭加熱完成后，將推力頭起拔專用工具與推力頭相連，再用手拉葫蘆與推力頭起拔專用工具對稱相連，通過同步拉動手拉葫蘆來起拔推力頭（見圖4）。一般情況下手拉葫蘆懸掛在橋機的大鉤上，也可通過緩慢起升橋機大鉤來起拔推力頭。手拉葫蘆/橋機起拔法較為省力，但推力頭水平度較難掌握。

圖4手拉葫蘆/橋機起拔推力頭

根據機組特點及現場情況，以上推力頭起拔方法可單獨使用，也可幾種方法配合使用，如頂絲起拔法與起重機械起拔法結合使用等。

4　沙河抽水蓄能電站推力頭起拔加熱工藝改進

為了取得較好的接觸緊密度與良好的運行平穩度，推力頭與大軸常為過盈配合，且過盈量較大，這就需要熱拔推力頭。推力頭加熱方法有火焰加熱法、陶瓷片加熱法、云母加熱法、渦流加熱法、履帶板加熱法等。

由于法國阿爾斯通公司未提供具體的推力頭起拔工藝，沙河抽水蓄能電站推力頭起拔延用機組安裝時法國阿爾斯通公司提供的兩瓣組裝式云母加熱器，其單瓣加熱器參數為：額定電壓400V，額定功率10kW，尺寸815mm×240mm。由于該加熱器升溫速度慢，現場熱損失較大，用該加熱器熱起拔推力頭正常要耗時8h左右。2012年1號機組擴大性A級檢修，用千斤頂法起拔推力頭的過程中出現推力頭與大軸卡死現象，導致了軸頭和推力頭被拉毛。經研究分析，其主要原因是推力頭起拔水平控制不到位，而法國阿爾斯通公司提供的加熱器功率偏小，只適用于推力頭的回裝而不適用于推力頭的起拔也是原因之一。因此，電站決心改進推力頭加熱工藝。

考慮到推力頭為精加工件，為了防止局部加熱過快，導致推力頭形變，對加熱面積進行了優化，即由原來的單一上層加熱，改為上、下兩層同時加熱（見圖5）；加熱器功率由原來20kW改為45kW。計算過程如下：

首先計算推力頭加熱所需的有效熱量Q1，公式為Q1=G×C×（T1-T0）

式中：G為工件重量，取1.8×103kg；

C為鋼比熱（0.48kcal/kg℃）。

從環境溫度升至120℃按8h計算，則每小時平均所需熱量為Q1=1.8×103×0.48×120/8=12960kcal/h。

其次計算保溫材料的熱損失Q2，公式為Q2=[（T1-T2）/（S/λ+f）]×F

式中：T1為目標溫度，取120℃；

T2為環境溫度，取0℃；

S為硅酸鋁纖維毯厚度，取0.05m；

λ為硅酸鋁纖維毯導熱系數，取0.046kcal/ （mh℃）；

F為保溫材料表面積，取2m2；

f為綜合傳熱系數，取0.06。

則Q2=[（120-0）/（0.05/0.046+0.06）]×2=209cal/h。

再計算保溫材料的蓄熱量Q3，公式為Q3=V× γ×C×（T1-T2）/t

式中：T1為目標溫度，取120℃；

T2為環境溫度，取0℃；

V為硅酸鋁纖維毯體積，取0.1m3；

γ為硅酸鋁纖維毯容重，取128kg/m3；

C為保溫材料比熱，取0.24；

則Q3=0.1×128×0.24×(120-0)/8=46kcal/h。

最后計算推力頭升溫至120℃每小時所需總熱量Q：

Q=Q1+Q2+Q3=12960+209+46=13215kcal/h

換算成電功率，則為P=（Q/860）×K

式中：860為熱量與功率換算常數；

K為經驗補償系數，取3。

P=（13215/860）×3=45kW。

通過以上計算加熱總功率為45kW。分兩層加熱，上層加熱器尺寸853mm×255mm，3塊組裝，單塊功率7.5kW/220V；下層加熱器尺寸1046mm× 225mm，3塊組裝，單塊功率7.5kW/220V。

新型加熱器采用脈沖導電控制溫升速度，現場可根據溫升速度需要，進行相應溫升時間、上限溫度等參數調整，以實現快速、可控加熱功能。

2013年2號機組擴大性A級檢修中采用了上述新型大功率加熱器對推力頭進行加熱，對推力頭外圍進行嚴密保溫，并輔助冰塊、壓縮空氣對大軸冷卻，運用“熱脹冷縮”原理快速形成溫差，同時嚴格控制推力頭水平度，采用了頂絲加手拉葫蘆起拔的方法，最終用時僅1.17h就順利拔出2號機推力頭。

圖5雙層加熱器

5　推力頭起拔注意事項

推力頭能否順利起拔，取決于事先能否編制合適的安全技術方案并嚴格執行。每臺機組的推力頭的結構特點、材質、尺寸、主要參數等都不盡相同，要根據自身特點采取不同的起拔工藝。但推力頭的起拔基本原理是相通的，均需要注意以下問題。

5.1起拔過程中的水平度維持

起拔過程中的水平度維持特別重要，推力頭只有在水平狀況下才能順利拔出。起拔過程中要派專人時刻監視水平度（水平儀監視或用千分尺測量均分點的長度來監視），稍有不慎，推力頭很容易與大軸卡死，造成起拔失敗。

5.2推力頭膨脹量

對于與大軸過盈配合的推力頭來講，特別是過盈量較大的情況下（如沙河抽水蓄能電站發電機推力頭過盈量為0.20mm，遠大于一般推力頭0.07mm的過盈量），須采取加熱措施，使得推力頭形成一定的膨脹量，才能順利起拔推力頭。推力頭膨脹量的選取主要根據廠家設備說明書，結合現場實際經驗，并與推力頭的加熱速度直接相關。溫度不夠，推力頭膨脹量達不到要求；時間過長，大軸將跟隨推力頭一同膨脹，因此推力頭需要在較短時間內取得一定的膨脹量。

5.3起拔過程的連續性

正常情況下，推力頭在加熱到一定程度取得合適的膨脹量后應即刻起拔，而且起拔是連續不間斷的。為了安全起拔，一般都要斷開加熱電源。而加熱電源斷開后較短時間內膨脹量即會變小，則須迅速起拔推力頭。在保持推力頭水平狀態的條件下，使推力頭四周均勻受力并保持連續性，推力頭將會順利拔出。

5.4不得野蠻施工

要嚴格執行既定安全技術方案起拔推力頭，過程中也可能遇到意想不到的困難或情況，如采取雙千斤頂同步起拔過程中，一只千斤頂故障導致推力頭受力不均而傾斜，此時必須調整好推力頭的水平度后才能繼續起拔，而且起拔不動時不能強行起拔，否則會造成推力頭卡死的嚴重后果。

6　結束語

沙河抽水蓄能電站發電機推力頭的起拔嘗試過多種工藝方法，有深刻的教訓，也有非常成功的經驗，最終總結出一套安全、快速、可行的工藝流程，為國內同類抽水蓄能機組起拔推力頭提供借鑒。

中圖分類號：TK730.3

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）01-0040-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.013

收稿日期：2014-08-22

作者簡介：王以軍（1975-），男，高級工程師，從事水電站生產運行管理工作。