大機(jī)座號(hào)臥式水輪發(fā)電機(jī)安裝工藝的改進(jìn)

董 建，張國(guó)勛，黃 杰

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180）

0 引言

杰博瑞（Jabori）水電站位于巴基斯坦西北部開(kāi)泊爾-普赫?qǐng)D赫瓦省的Mershera地區(qū)Jabori鎮(zhèn)附近。業(yè)主方為khyber Pakhtunkhwa省水電開(kāi)發(fā)署。項(xiàng)目合同為EPC形式，工程包含攔水壩、引水隧洞、調(diào)壓井、發(fā)電廠房和開(kāi)關(guān)站等。單機(jī)額定流量4.0 m3/s，額定水頭148 m，該站裝有2臺(tái)單機(jī)5.2 MW的臥式混流機(jī)組，總裝機(jī)容量10.4 MW。2017年11月電站進(jìn)入設(shè)備安裝階段，2018年4月水電站機(jī)組等機(jī)械設(shè)備安裝完畢，進(jìn)入調(diào)試階段。本文主要介紹在機(jī)組安裝過(guò)程中，由于水輪發(fā)電機(jī)安裝工藝復(fù)雜，在過(guò)程中出現(xiàn)一些問(wèn)題，給安裝工作帶來(lái)一定的困難，針對(duì)此問(wèn)題本文提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。

1 電站及機(jī)組主要參數(shù)

杰博瑞電站主要參數(shù)見(jiàn)表1。

2 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)說(shuō)明

該水電站發(fā)電機(jī)為臥式雙支點(diǎn)布局，發(fā)電機(jī)與兩端的軸承固定在同一塊底板上。底板將埋入二期混凝土中，空氣冷卻器位于發(fā)電機(jī)定子的正下方。如圖1、圖2所示。發(fā)電機(jī)機(jī)座號(hào)為2150，定子內(nèi)徑1 640 mm，轉(zhuǎn)子外徑為1 602 mm，定轉(zhuǎn)子之間的氣隙為19 mm。發(fā)電機(jī)底板距離發(fā)電機(jī)的中心距離為750 mm。

表1 電站主要參數(shù)表

圖1 發(fā)電機(jī)外形圖

圖2 發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子尺寸圖

3 問(wèn)題產(chǎn)生的原因

在設(shè)計(jì)時(shí)，如果按照常規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，便于轉(zhuǎn)子在安裝時(shí)順利穿過(guò)定子（即定子內(nèi)徑高于基礎(chǔ)底板），這樣發(fā)電機(jī)中心至少要距離基礎(chǔ)底板800 mm以上。發(fā)電機(jī)廠家根據(jù)多年的設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1）發(fā)電機(jī)中心距過(guò)大，推力軸承在承受同樣水推力的情況下，力矩變大，容易導(dǎo)致殼體破損；2）當(dāng)臥式水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)中心距底板的距離在800 mm以內(nèi)，發(fā)電機(jī)可以保持穩(wěn)定運(yùn)行，一旦發(fā)電機(jī)中心距離底板高于800 mm，發(fā)電機(jī)就會(huì)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)震動(dòng)過(guò)大等問(wèn)題。因此為了讓發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組中心與發(fā)電機(jī)底板的距離就要降到800 mm以下。最終距離為750 mm。這就導(dǎo)致了定子一部分沉入發(fā)電機(jī)底板，轉(zhuǎn)子的外徑低于發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)底板51 mm。在發(fā)電機(jī)安裝時(shí)，轉(zhuǎn)子無(wú)法順利穿過(guò)定子，給安裝造成了困難（如圖2所示）。這種定子下沉式發(fā)電機(jī)多見(jiàn)于機(jī)座號(hào)2150及以上的臥式發(fā)電機(jī)。

4 問(wèn)題解決方案

對(duì)于這類結(jié)構(gòu)的水輪發(fā)電機(jī)，其安裝大致可以采取2種方案：發(fā)電機(jī)整體起吊和分體起吊。

4.1 整體起吊方案

這種方案不需要廠家在設(shè)計(jì)時(shí)考慮特殊的安裝工具。但需要在安裝時(shí)搭建一個(gè)臨時(shí)組裝平臺(tái)。將發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子、推力軸承和飛輪在平臺(tái)上組裝在一起，然后用橋機(jī)將其整體起吊至機(jī)坑內(nèi)。此種安裝方案雖然操作難度不大，但是需要一些材料和時(shí)間來(lái)搭建一個(gè)組裝平臺(tái)。對(duì)于杰博瑞水電站來(lái)說(shuō)整體起吊的重量達(dá)到了38.9 t左右（包含轉(zhuǎn)子、軸承、飛輪和專用吊裝工具），這樣電站橋機(jī)的額定載荷需要增加很多。橋機(jī)的額定載荷由原來(lái)的32 t變?yōu)?5 t。隨之帶來(lái)電站投資成本增加，并且橋機(jī)的最大載荷只有在發(fā)電機(jī)運(yùn)行幾年大修時(shí)才會(huì)用到，造成了一定的資源浪費(fèi)。此種方案經(jīng)濟(jì)性差、安裝時(shí)間長(zhǎng)，所以綜合考慮而言，一般不會(huì)選擇此種安裝方案。

4.2 分體起吊方案

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)分體起吊，使轉(zhuǎn)子順利穿過(guò)定子安裝就位。這樣發(fā)電機(jī)定子必須被墊高，使定子的內(nèi)徑高于發(fā)電機(jī)底板，對(duì)于該電站來(lái)說(shuō)：定子至少需要被墊高70 mm以上（轉(zhuǎn)子下外圓到底板的距離+定轉(zhuǎn)子之間氣隙），才能使定子內(nèi)徑高于發(fā)電機(jī)底板。為此設(shè)備廠家在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時(shí)，在定子與底板的2個(gè)連接螺栓孔中間，加工2個(gè)螺紋孔。螺紋孔的尺寸和定子與底板連接螺栓的尺寸相同（如圖3所示）。這樣定子與底板的連接螺栓便可用來(lái)頂起定子。

圖3 定子頂起螺紋孔

在第1臺(tái)機(jī)組的安裝過(guò)程中，采用的就是這種方案，頂起螺栓為M48普通的六角頭螺栓，需要用到65的敲擊扳手，一個(gè)螺栓的旋轉(zhuǎn)需要2個(gè)人才能完成操作。總共4個(gè)螺栓，因此在定子頂起和降下時(shí)需要8個(gè)人協(xié)作，才能完成整個(gè)過(guò)程。第1臺(tái)機(jī)組從定子升起到落下總共用時(shí)超過(guò)13 h。而且在進(jìn)行操作時(shí)發(fā)現(xiàn)，定子在上升和下降時(shí)每次只能移動(dòng)2 mm，而且容易出現(xiàn)大的滑動(dòng)位移現(xiàn)象。

通過(guò)此方案的操作過(guò)程發(fā)現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)是：1）電站選用橋機(jī)的額定載荷變小，投資少；2）頂起螺栓孔的位置隱蔽，對(duì)設(shè)備的改動(dòng)小；3）生產(chǎn)加工簡(jiǎn)單、方便。缺點(diǎn)是：1）操作空間小，操作繁瑣；2）費(fèi)時(shí)，費(fèi)力；3）操作不當(dāng)容易引發(fā)安全事故。

4.2.1 缺點(diǎn)分析

1）由于頂起螺栓和連接螺栓用的是相同的六角頭螺栓，螺桿頭部為平頂，4個(gè)螺栓直接頂在發(fā)電機(jī)底板的表面，接觸面積大，所以摩擦阻力比較大。在旋轉(zhuǎn)時(shí)就需要很大扭矩。

2）在操作時(shí)為防止定子側(cè)向滑動(dòng)，需要4個(gè)頂起螺栓同時(shí)升降。但是4個(gè)螺栓同時(shí)旋轉(zhuǎn)受到敲擊力方向也同為順時(shí)針或逆時(shí)針，螺栓傳遞到定子上的力同樣為順時(shí)針或逆時(shí)針，這就相當(dāng)于給定子施加了一個(gè)在平面旋轉(zhuǎn)的力矩。

3）螺栓頭部直接作用在平面上，對(duì)螺栓頭部沒(méi)有約束。

所以一旦4個(gè)螺栓下降距離偏差超過(guò)2 mm以上，定子就會(huì)出現(xiàn)很大滑動(dòng)位移，定子與轉(zhuǎn)子就有可能發(fā)生碰撞，給安裝帶來(lái)了安全隱患。

4.2.2 改進(jìn)方案一

針對(duì)廠家原先方案在施工過(guò)程中暴露出的缺點(diǎn)，主要做了以下改進(jìn)：

1）對(duì)螺栓頂部進(jìn)行加工由平頂改為圓頂，使頂起螺栓與發(fā)電機(jī)底板的接觸由面變?yōu)辄c(diǎn)，減少摩擦阻力，螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的扭矩也會(huì)隨之減小，從而減少了操作所需人力。

2）在4個(gè)頂起螺栓作用的底板表面，加工出光滑的圓型凹槽。對(duì)頂起螺栓起到了定位的作用。防止操作過(guò)程出現(xiàn)定子滑動(dòng)位移，如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后螺栓及發(fā)電機(jī)底板示意圖

4.2.3 改進(jìn)方案二

為了解決在第1臺(tái)機(jī)組安裝時(shí)運(yùn)用螺栓抬起發(fā)電機(jī)定子遇到的一些問(wèn)題，還可以采用另一種更便捷的頂起方式——千斤頂頂起，該電站在第2臺(tái)機(jī)組的安裝時(shí)，便采用了此種安裝方案。在發(fā)電機(jī)定子兩側(cè)上安裝4個(gè)小型筋板，距離發(fā)電機(jī)底板的高度根據(jù)所選用螺旋千斤頂?shù)母叨榷āＴ诓僮鲿r(shí)只需要4個(gè)人便可以輕松頂起和降下定子。與螺栓頂起方案相比，人力節(jié)省了一半，操作空間也大得多，安裝操作時(shí)間由先前的13 h縮短為7 h，大大縮短了時(shí)間。

由于此方案是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況為節(jié)省工時(shí)臨時(shí)采取的措施，所以頂起的筋板是與定子焊接在一起的，對(duì)發(fā)電機(jī)表面涂層產(chǎn)生了一定的破壞。并且焊接點(diǎn)離定子繞組近，在焊接操作時(shí)需要采取一定防護(hù)措施。若在發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮此種安裝方案，只需要在定子上預(yù)留3個(gè)螺紋孔用于固定頂起筋板，這樣即可避免以上所提到的問(wèn)題，也可以節(jié)約焊接筋板時(shí)所需要的時(shí)間。如圖5所示。

圖5 千斤頂頂起最終方案圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上述新舊安裝方案的比較可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的兩種方案在投入增加可以忽略不計(jì)的情況下，即克服了舊方案施工中費(fèi)時(shí)，費(fèi)力的缺點(diǎn)，又避免了安裝過(guò)程中定子會(huì)出現(xiàn)的滑動(dòng)現(xiàn)象，防止安裝過(guò)程中由于操作不當(dāng)導(dǎo)致設(shè)備的損壞，也為以后此類機(jī)組的設(shè)計(jì)、施工提供了有價(jià)值的參考。