白山發電廠5號機組的水輪機改造

劉貴仁，張永會，喬 木，欒春林，胡海平

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白山發電廠5號機組的水輪機改造

劉貴仁，張永會，喬 木，欒春林，胡海平

（國網新源白山發電廠，吉林樺甸132400）

白山發電廠5號機組運行多年后，設備老化嚴重，為保證安全運行，需對其進行改造。在改造前通過水輪機模型試驗、強度計算和結構優化設計等多項手段進行了充分的論證以保證改后效果。本文對5號機組的水輪機的改造系統地進行了闡述，并進行了改造前后的穩定性試驗，進行改造結果的比較論證，試驗結果說明改造后水輪機的水力穩定性較改造之前優良，也說明水力設計、結構設計和強度設計的方案的正確。本文對混流式機組的改造提供了可借鑒的經驗。

混流式機組改造；水輪機；穩定性試驗；水力設計；強度計算；結構設計

0 前言

白山發電廠位于吉林省樺甸市境內的第二松花江上游，由“一廠、兩壩、四站”組成，以發電為主，兼有防洪、灌溉、養殖、航運等綜合效能，主要承擔著東北電網系統調峰、調頻和事故備用的作用。白山發電廠白山電站安裝有五臺單機容量300MW混流式水輪發電機組，該機組為國內完全自行設計、制造及安裝的機組，設計制造單位哈爾濱電機廠有限責任公司。白山發電廠的機組運行多年，其中白山二期電站5號機組早在1991年12月即已投產發電，至今已運行22年。在改造前，機組老化問題已經較為嚴重，存在多方面的隱患，影響著電站的安全穩定運行，對故障進行處理過程中，多次頻繁對整個機組進行吊裝，也嚴重影響著電站的經濟運行，所以急需對機組進行改造，以期保證電廠的安全生產，提高經濟效益。

1 水輪機的改造

根據統計，白山機組運行20余年間，起機和停機次數較為頻繁，并且在低負荷的工況運行時間較長，這對單調節式的混流式水輪機而言，由于水力流態的不佳，會對轉輪及機組的其它部件造成一定程度的損害。改造前，機組轉輪存在不同程度的裂紋問題，并且存在導葉漏水量大，轉輪空蝕嚴重，頂蓋出現開焊等突出問題。在改造前進行了多輪的論證之后，基于工程現實，在保留現有包括蝸殼、尾水管、固定導葉等過流部件的水輪機流道的基礎上和保證安裝高程不變的前提下，確認主要需要對水輪機轉輪、頂蓋、底環、固定止漏環、活動導葉、活動導葉傳動機構、導葉接力器、主軸和主軸密封等進行更換，改造補氣系統，增加中心孔補氣裝置。

隨著技術的進步，以今天視角來看，當時的設計、材料、工藝等多方面還有較大的提升空間。通過應用目前最新的設計技術、制造工藝、材料技術對5號機組的水輪機進行改造后，以期提高水輪機效率，重點改善機組的空蝕性能，尤其改善機組的水力穩定性，減少水輪機壓力脈動與振動值，增強抗裂紋能力。同時，減小機組的漏水量，避免頂蓋出現開焊等問題，改善機組的振動和擺度，降低機組運行噪聲，延長機組檢修周期。

1.1 水輪機轉輪的改造

白山電站使用的轉輪型號為HL200型轉輪，為我國使用較早的轉輪，在多年的運行過程中，空化的面積和深度在逐年擴大，在轉輪進口靠近上冠的位置，葉片的壓力面和負壓側存在不同程度的裂紋。這些問題縮短了機組的檢修周期，導致機組不能正常安全運行，也是機組的穩定運行的隱患，圖1為改造前轉輪的裂紋情況。產生上述問題原因是多方面的，首先機組在振動擺度超標負荷區長時間運行，造成轉輪葉片疲勞破壞產生裂紋；其次從當初的水力設計上來看，轉輪上冠過高，下環錐角過大，葉片翼型不合理，在易發生空化的葉片背面靠進出水邊處，壓力負荷分布不合理；從制造材料來看，轉輪材質為ZG20MnSi抗空化性能差。

圖1 轉輪葉片出水邊空化

圖2 轉輪葉片裂紋

轉輪是水輪機的核心結構，轉輪的效率、空化和壓力脈動對機組水輪機的出力、檢修周期和水力穩定性具有絕對性的影響，轉輪的水力設計需要結合電站實際運行的水力參數，開發穩定性、能量指標、空化性能均佳的轉輪。白山轉輪改造前后的水頭、額定出力參數沒有改變，最高水頭為126m，額定水頭為112m，最小水頭為81m。新設計的轉輪直徑為5800mm，原有轉輪的直徑為5500mm。新設計的轉輪經過模型試驗換算至真機最高效率為95.5%，比原水輪機效率的92.5%高出3%。在試驗中，在額定點轉輪的臨界空化系數達到0.06，具有較優的抗空化能力。作為在轉輪改造設計中需要著重關注的壓力脈動要求的性能見表1，其中為相應的運行水頭，為水輪機出力。在模型試驗中，試驗結果滿足要求。設計的轉輪在本水頭段的轉輪中屬性能較優的轉輪，在水力性能上可以保證水輪機安全穩定地運行。

表1 原型水輪機尾水管壓力脈動限制值

表2 原型水輪機轉輪前導葉后壓力脈動限制值

在制造中，水輪機轉輪采用不銹鋼鑄焊結構。葉片、上冠、下環均采用VOD精煉的ZG04Cr13Ni5Mo不銹鋼鑄件，具有良好的可焊性。轉輪上冠、下環采用VOD精煉鑄造制成，轉輪葉片采用鞍鋼VOD精煉鑄造成型、五軸數控精加工制成，上冠、下環與葉片在制造廠內組焊成整體轉輪。轉輪泄水錐采用與轉輪相同的不銹鋼制造，泄水錐在制造廠內采用焊接的方式連接到轉輪上冠。

1.2 機組水輪機頂蓋的改造

在改造前的多年運行中，5號機組水輪機的頂蓋上層鋼板的焊縫存在開裂竄水情況，原有水輪機頂蓋設計為雙層結構，下層為40mm厚的鋼板，上層鋼板厚度為20mm，中間為減壓腔，通過下層鋼板延圓周方向的開孔與轉輪上腔相連。在改造設計過程中，通過對原頂蓋進行有限元分析計算，以探究焊縫開裂根本原因。發現頂蓋在正常運行工況下平均應力可以滿足材料性能要求，但局部應力過高，導致局部焊縫運行一段時間，受疲勞影響出現開裂。若排水不及時，容易造成事故擴大，存在安全隱患。從總體結構來看，頂蓋的上、下面板以及筋板厚度偏薄，導致頂蓋的軸向剛度較弱，在導葉軸孔處的軸向變形為0.737mm，對此進行改造，也是減小導葉漏水量的一個重要環節。

為此，在改造的結構強度設計中，改進了原有的不足，采用箱型中法蘭鋼板焊接結構，頂蓋分為2瓣，分瓣面精加工，配有定位銷，并設有密封裝置，具有足夠的強度和剛度，可安全可靠地承受所有作用在它上面的力，不會產生過大的振動力和變形，并且頂蓋利用原有的調相進氣管改為減壓排水管以減輕軸向水推力。在設計中，頂蓋的軸向固有頻率有效避開由轉頻與葉片個數的乘積產生的激振頻率[1-2]，不會產生機組共振現象。

1.3 水輪機活動導葉及導葉拐臂的改造

白山電站機組水輪機導葉當年采用ZG30鑄鋼制造，與當今的材料相比，材料本身抗空化能力低，型線偏差大，加工精度低。另外多年運行中，導葉上軸承間隙變大，導葉關閉時容易造成導葉軸頸傾斜和變形，而且導水機構老化嚴重，導葉軸線發生嚴重變形和扭曲，在改造前白山電站機組實測漏水量1.3～1.9m3/s，這些缺陷利用一般的大修手段是難以修復的。此外，導葉拐臂結構型式已經落后，拆裝困難。

在改造的結構強度設計中，通過對原導葉進行有限元分析計算[3]，發現活動導葉的最大應力滿足強度要求，最大應力位置均出現在導葉瓣體與中間樞軸相交處。活動導葉在靜水關閉工況和升壓工況下的最大綜合變形分別為5.899mm和7.624mm，變形相對較大，主要為扭轉變形，導葉關閉時容易造成較大的漏水量。導葉變形較大會引起導葉立面間隙較大，產生大的導葉漏水量。

在水力設計上，導葉從全開到接近空載位置范圍內具有水力矩自關閉特性[4]。在強度方面，對中導葉間樞軸和下樞軸（包括軸肩）適當加粗，減小導葉扭轉變形。采用新型導葉密封結構，有效消除因扭轉變形產生的漏水量。此外在設計中，考慮到了機組的穩定性問題，活動導葉在水中的固有頻率避開了轉頻與葉片個數的乘積和卡門渦頻率。在結構設計上，導葉立面密封采用金屬密封，并采用斜面密封，通過導葉接力器壓緊行程的調整，減小導葉立面間隙的漏水量。導葉軸與導葉體的過渡區可最大程度地減小應力集中。導葉采用3支點軸承支承結構，導葉上部設有止推軸承，防止導葉上浮。導葉推力軸承和附件能微量調整導葉的軸向位置，防止由于水力或機械力的作用，引起導葉與抗磨板之間的擠壓。導葉軸穿過頂蓋處的軸承套上將設置活動導葉軸密封。導葉立面間隙的調整，可以采用偏心銷的調整方法，操作簡單，維護的工作量小，導葉臂與導葉的傳遞力矩，可以采用銷套結構，操作安全可靠。導葉開口按最大開口的105%進行設計，每個導葉臂上設有全開、全關限位塊。限位塊具有足夠的強度，能夠承受施加到導葉限位塊上的最大水力矩和沖擊力。當剪斷銷斷后，通過限位塊使導葉不會碰到轉輪及相鄰導葉上。限位塊焊在頂蓋上，限位塊上鑲有減震墊。此外，連接板與導葉臂之間設有摩擦裝置，摩擦裝置為銅套夾緊式，摩擦裝置產生的磨擦力矩大于導葉水力矩，它的作用是當剪斷銷破斷后，導葉在水流中不來回擺動，不會影響其他導葉的關閉。在加工制造中導葉采用抗空化和磨損的ZG06Cr13Ni4Mo材料整鑄而成。

1.4 水輪機接力器的改造

在改造前對機組進行導水機構力特性試驗，發現當機組在達到接近額定水頭的110m左右，出力達到185MW左右至270MW左右部分負荷時，調速器調節活動導葉較難通過此區域。根據多項模型導葉水力矩試驗結果，可以發現，混流式水輪機的導葉水力矩的峰值一般出現在部分負荷區域[5]。為解決此問題，需將現有的接力器的最低整定值從3.85MPa升至4.2MPa，為此對接力器進行改造，增大接力器的直徑。滿足在不超過額定油壓的條件下，能對導葉安全平穩操作。并更換新型活塞環密封，活塞環的材料使用PTFE材料，減少接力器腔的竄油量。

1.5 水輪機主軸及主軸密封的改造

改造前的論證過程中，對主軸進行計算復核，主軸的最大復合應力為85MPa，根據當今實行的國家標準GB/T15468-2006中4.2.2.9要求，主軸的最大復合應力不超過材料屈服極限的1/4。白山電站的水輪機主軸1/4屈服極限為63.8MPa，超出標準值33%；根據上述國家標準主軸的最大復合應力（計入應力集中系數）不超過材料屈服極限的2/5，白山電站水輪機主軸2/5屈服極限為102MPa，白山二期電站5號機組水輪機主軸最大復合應力max（計入應力集中系數）為163MPa，按照現在的國家標準來看，超出標準值59%。同時，現水輪機主軸無水導軸領，改造后水導軸承改為油潤滑分塊瓦式結構，需對現主軸進行改造。

水輪機主軸整體更換，應用經熱處理的20SiMn合金鋼鍛制。水輪機的主軸采用中空結構，水輪機軸與轉輪連接采用法蘭螺栓聯接方式，摩擦傳遞扭力矩，螺栓不受剪力，保證了轉輪具有互換性[6]。螺桿的預緊采用液壓拉伸器拉緊，聯軸螺桿的材料為高強度合金鍛鋼，全新設計加工的主軸具有足夠的強度及剛度，可以保證在任何轉速直至最大飛逸轉速都能安全運轉而沒有有害的振動和變形[7]。主軸密封采用恒壓軸向自補償端面密封，此種密封結構可靠，具有自補償能力[8]，機組停機和檢修主軸工作密封時，為防止水溢出頂蓋上，在工作密封下方設置了充氣圍帶檢修密封，檢修密封采用壓縮空氣膨脹式橡膠密封。

1.6 導軸承的改造

導軸承進行全新設計，采用分塊瓦軸承[9-10]，其優點是維護方便，軸瓦間隙可調整。水輪機導軸承采用斜楔調整稀油潤滑、具有巴氏合金表面的分塊瓦軸承，具有堅固、耐用，加工和調整方便，而且軸承間隙調好后，能保持穩定不松動。導軸承允許轉輪和主軸的軸向移動，以滿足拆卸和調整發電機推力軸承或清掃主軸連接法蘭止口的需要。

導軸承通過采用內循環冷卻器冷卻[11]，給工作密封的檢修留有足夠的位置，能在不拆卸導軸承的情況下檢修工作密封。軸承設置一個完整的獨立的油潤滑系統。潤滑油能在主軸旋轉的作用下通過軸領和軸瓦進行自循環，油箱具有足夠大的容量以滿足軸承潤滑系統需要，油箱的布置使軸領和軸瓦至少50％總高度浸入靜止的油中。導軸承的冷卻器的布置為內置式；水導軸承冷卻器設置在油槽內，有足夠的冷卻容量。

軸承體具有足夠的剛度和強度[12]，能承受機組在任何可能發生的工況下的最大徑向力，并將負荷傳至水輪機頂蓋上。

2 改造后的穩定性試驗

在水電站現場進行的水輪機真機試驗是分析壓力脈動最直接有效的方法[13-14]，通過相關參數的分析，可以總結出真機運行中的一些規律性問題，從而找到改善或者抑制壓力脈動產生的方法[15]。

在改造完成的前后，分別進行了機組的穩定性試驗，通過實際的運行數據比較對改造的結果進行考核。改造前試驗的毛水頭為110.52m，改造后試驗的毛水頭為116m，以上導、法蘭和下導X方向的擺度試驗結果為例進行比較，如圖3所示，可以看出，全部出力范圍內，經過改造后各個測點的擺度大大降低，這可以說明改造后水輪機的水力穩定性較改造之前優良，另外，也說明結構設計和強度設計的方案的正確。

3 結論

從改造前后的穩定性試驗數據充分說明了改造的方案的技術的正確，從而保證了改造后的機組能夠經濟、安全、穩定運行。此次改造也為同類型的混流式機組的改造提供了參考和借鑒。

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The Rehabilitation of No.5 Turbine for the Baishan Power Plant

LIU Guiren, ZHANG Yonghui, QIAO Mu, LUAN Chunlin, HU Haiping

(State Grid Xinyuan Baishan Power Plant, Huadian 132400, China)

The No.5 unit should be rehabilitated because of the aging components after the operation for many years. The research are conducted to ensure the rehabilitation achievement including the hydraulic turbine design, mechanical calculation and construction design. In this paper, the rehabilitation is illustrated systematically, and the stability test results are compared before and after the rehabilitation to demonstrate the effect, the test results show the well characteristic of the stability after the rehabilitation, and it is assured for the hydraulic design, mechanical calculation and construction design. The reference experiences are provided for the other Francis turbine rehabilitation in the future.

Francis rehabilitation; turbine; stability test; hydraulic design; mechanical calculation; construction design

TM622，TK733+.1

A

1000-3983(2017)05-0063-04

2017-02-20

劉貴仁（1970-），1995年畢業于哈爾濱工業大學，現任白山發電廠副廠長，主要研究方向：水電廠生產管理，高級工程師。