春廠壩抽水蓄能電站機組安裝方法探討

鐘小華，杜 興

（中電建電力檢修工程有限公司，四川 成都 610000）

1 概述

春廠壩抽水蓄能電站位于小金川河支流沃日河干流下游，電站安裝1 臺變速恒頻可逆式抽水蓄能發電機組。該電站為國家重點研發項目“分布式光伏與梯級小水電互補聯合發電技術研究及應用示范工程”組成部分，屬于國家重點研發計劃“智能電網技術與裝備”重點專項。該科研項目于2018 年6月立項，由國網四川省電力公司牽頭，聯合中電建水電開發集團有限公司等15 家院校與企事業單位共同實施。

春廠壩抽水蓄能電站發電電動機由哈爾濱電機廠生產，水泵水輪機由重慶水輪機廠生產，機組轉輪由中國水利水電科學研究院研發。

發電電動機型號SFD5000-6/1690，主要參數如下：

額定容量：5 668.3 kVA（發電工況）、7 121.6 kVA（電動工況）；

額定功率：5 101.4 kW（發電工況）、6 700 kW（電動工況）；

推力負荷：電機→水機26 t、水機→電機6 t。

發電電動機主要由定子、轉子（帶大軸、飛輪）、組合軸承（含徑向軸承、正反推力軸承）、徑向軸承及電機底板等部件組成。

水泵水輪機型號JFP123-WJ-108，主要參數如下：

水輪機主要參數：設計水頭130 m、設計流量4.75 m3/s；額定轉速1 000 r/min、飛逸轉速1 650 r/min。

水泵主要參數：最大揚程168.8 m 下的最大流量3.65 m3/s，最小揚程159.8 m 下的最大流量3.83 m3/s。

水泵水輪機主要由座環蝸殼、導水機構、轉輪、尾水彎管、尾水擴散管及主軸密封等部件組成。座環蝸殼為整體結構，導水機構工廠內與座環蝸殼組裝調整合格后整體發運，大軸與轉輪為軸孔聯接方式并設置錐度配合，通過平鍵傳遞扭矩。

機組主要部件重量及尺寸見表1 所示。

表1 機組主要部件重量及尺寸

機組布置于豎井內，大軸中心高程低于安裝間40 m、低于設計尾水位31 m。

2 機組主要設備安裝施工

2.1 主要設備安裝流程

設備鋼支墩制作安裝→座環蝸殼安裝調整加固→尾水彎及擴散管安裝→定子、轉子、電機底板吊裝及初步調整→轉輪吊裝、機組精確調整→混凝土澆筑后機組復測、調整→機組附屬部件安裝調整。

2.2 設備基礎方案優化

根據廠家設計，機組電機底板、座環蝸殼及尾水管均設計預留二期澆筑，其中座環蝸殼基礎螺栓二期孔尺寸為250 mm×250 mm×700 mm，電機底板基礎螺栓二期孔尺寸為300 mm×300 mm×1 250 mm。筆者認為設計方案存在如下問題：

機組額定轉速高達1 000 r/min，且一般情況下轉輪造壓時（水泵工況）座環蝸殼振動較大，故機組安裝的穩固性要求非常高。設備基礎螺栓二期坑尺寸小、深度深，加之砼澆筑時設備基礎妨礙振搗作業，故不易澆筑密實且與一期砼結合強度較差，從而導致設備穩固性差，機組安全運行風險大。

為確保機組安裝穩固可靠，筆者向廠家、設計、監理建議制作設備鋼支墩，在鋼支墩上進行設備安裝調整，合格后進行砼澆筑，可以大大提高設備安裝穩固性。在一期砼內埋設鋼支墩及斜支撐基礎板，其高程低于設備基礎螺栓底部約200 mm。機組安裝調整合格后將設備基礎與鋼支墩焊接牢固，然后澆筑至設計高程，達到強度后再進行機組設備復測并精確調整。這一方案得到同意并實施。

電機底板、定子、轉子及兩部軸承總重約40.3 t，座環蝸殼（含導水機構）總重約13 t。根據設備重量及尺寸：電機底板布置6 只鋼支墩；座環蝸殼布置6只鋼支墩，其中座環4 只、蝸殼進水管2 只；尾水彎管及擴散管各布置2 只支墩。

設備鋼支墩及斜支撐采用20#B 工字鋼（Q235）制作，每只鋼支墩在90°方向布置兩根斜支撐以增強穩定性。

電機底板鋼支墩強度校核如下：

鋼支墩受壓應力P=F/S

各支墩平均受力約7 t，實際施工時受力不可能完全一致，按最大承載10 t 進行強度校核，20#B 工字鋼截面積S為3 950 mm2。

則P=10×103×9.8/（3 950×10-6）=24.8 MPa，遠小于Q235 鋼材屈服強度235 MPa。

鋼支墩壓縮量計算：

根據胡克定律F/S=E△L/L

其中F為鋼支墩受力（10 t），S為鋼支墩橫截面積（3 950 mm2），E 為鋼材彈性模量（200～210 GPa），△L為鋼支墩壓縮量，L為鋼支墩高度（1.5 m）。

將各參數代入上式計算得△L=0.19 mm。

鋼支墩壓縮變形非常小，剛強度滿足設備安裝要求。當機組調整合格、各鋼支墩與電機底板焊接牢固，鋼支墩與電機底板整體穩定性也將大大提高。

座環蝸殼及尾水管重量遠小于發電機設備，鋼支墩的剛強度滿足設備安裝要求。

2.3 設備鋼支墩制作安裝

在一期砼埋設鋼支墩及斜撐基礎板，基礎板尺寸均為350 mm×350 mm×20 mm，每塊基礎板布置6 根Φ25 mm 長500 mm 圓鋼作為錨筋，圓鋼與基礎板及土建鋼筋焊接牢固，控制基礎板高程偏差不超過-5～0 mm，平面位置偏差不大于10 mm，水平偏差不大于1 mm/m。

一期砼澆筑養護7 d 后進行鋼支墩及斜支撐安裝，工字鋼頂部安裝350 mm×350 mm×20 mm 鋼板。工字鋼與基礎板間焊縫截面積不得低于工字鋼橫截面積，以確保焊縫強度。

2.4 座環蝸殼安裝

設備鋼支墩安裝完成達到強度后進行座環蝸殼的安裝。根據廠房坐標基準點并結合已安裝澆筑完成的上下游壓力鋼管測放座環安裝X、Y 控制線。將座環蝸殼（含導水機構）吊入機坑放置于鋼支墩，鋼支墩上成對布置楔子板，調整座環高程、垂直度、與安裝控制線的距離及平行度滿足要求，然后將座環基礎與鋼支墩焊接牢固，焊接過程中監測座環垂直度變化情況并及時調整焊接順序。

2.5 發電電動機安裝

2.5.1 定轉子吊裝方案優化

根據廠家設計方案，電機底板安裝調整合格后將定轉子整體吊裝至電機底板進行調整。該方案需拆除導水機構，否則大軸水輪機端將與導水機構前蓋板相碰而不能吊裝就位。

為此，筆者提出在安裝間將定轉子、兩部軸承安裝于電機底板進行整體吊裝的方案。該方案無須拆裝導水機構且吊裝過程簡單可控，不僅縮短機組安裝直線工期還利于提高設備吊裝安全性。

在安裝間將兩部軸承座安裝于電機底板，并按設計要求安裝絕緣墊片及調整墊片。完成轉子穿定子工作后，將組合軸承安裝于大軸軸頸，調整各推力軸瓦受力一致，然后將定轉子整體吊裝與電機底板組裝。定子放置于電機底板上，大軸則放置于兩部軸承座上，檢查兩部徑向軸瓦腰部與大軸軸頸間隙應均勻，否則對軸承座進行調整。

廠家提供的定轉子整體吊裝專用工具設計荷載為30 t，而定轉子、電機底板、軸承座總重約40.3 t，整體吊裝時使用Φ20 mm 鋼絲繩及2 臺10 t 手拉葫蘆承載電機底板及軸承座重量，調整定子與電機底板、大軸與軸承座均脫開10～15 mm 距離，確保專用吊具只承載定轉子重量。

2.5.2 電機底板調整

以座環為基準初步調整大軸，施工中通過調整電機底板進行大軸調整。轉輪與導水機構止漏環設計間隙較?。?.6～0.8 mm），為確保轉輪與大軸順利聯接，當大軸與座環同心度小于0.3 mm 后安裝轉輪，然后再進行機組精確調整。

轉輪安裝處大軸為圓錐形，其與導水機構前蓋板同心度不易測量準確，為便于測量制作了專用測量工具，測量工具外側為圓柱形（直徑小于前蓋板鏜口內徑約5 mm）、內側為與大軸相同尺寸的圓錐形，將測量工具套在大軸轉輪安裝部位，通過塞尺能夠準確方便地測量出大軸與前蓋板鏜口的同心度。

轉輪止漏環間隙、大軸水平、轉輪進口與導葉中心偏差等調整合格后對電機底板進行加固，并采用20#B 工字鋼將電機底板與座環蝸殼鋼支墩聯接以增加穩固性，焊接過程中對止漏環間隙進行監測。

2.5.3 砼澆后機組復測及調整

座環蝸殼、尾水管及發電機設備安裝調整完成后澆筑混凝土至設計高程，控制每層澆筑高度不大于0.5 m，減小設備澆筑位移量，澆筑過程中對轉輪止環間隙進行監測，并根據間隙變化情況調整澆筑順序及速度。

砼澆筑完成并達到70%強度后進行轉輪前后止漏環間隙、大軸水平、徑向軸承兩側間隙復測。經檢查，大軸水平及止漏環間隙超標，通過在徑向軸承座與電機底板間加裝厚度0.2 mm不銹鋼墊片調整合格。

大軸調整合格后即轉子位置已確定，然后以轉子為基準調整定子，在定子機座與電機底板間加裝不銹鋼墊片調整空氣間隙合格。

2.5.4 主要技術質量要求

根據國家規范、廠家設計要求，并結合該機組實際特點，機組安裝主要技術要求控制如下：

座環垂直度：0.05～0.1 mm/m，座環向電機方向傾斜；

座環左右及切向偏斜：≤0.5 mm/m；

座環高程及平面位置偏差：≤2 mm；

轉輪止漏環間隙：兩側相差不大于0.05 mm，下部小于上部約0.1 mm；

大軸水平：≤0.02 mm/m；

徑向軸瓦與軸頸兩側間隙偏差：≤0.02 mm；

正向推力瓦與鏡板間隙偏差：≤0.02 mm（反向推力瓦為不可調式）；

定子鐵芯與轉子磁極中心偏差：≤1 mm；

轉輪進水口中心與導葉中心線偏差：≤1 mm；

空氣間隙：各間隙與平均間隙之差不大于±5%設計間隙。

2.6 設備問題及處理

機組組合軸承安裝時，筆者發現正推力瓦為偏心瓦，而該機組兼具發電抽水兩種功能，順時針、逆時針方向均應能正常運行。經與廠家設計人員多次溝通后，將推力瓦修刮為對稱瓦，相對推力瓦支柱螺栓偏多的瓦面被刮低約3 mm，并修刮出進油邊，使支柱螺栓兩側瓦面相等。

3 機組運行工況

機組投運后在發電及抽水工況均能夠安全穩定運行，水輪機出力及水泵流量達到設計要求。發電及抽水額定工況下，兩部軸承座垂直振動均小于0.02 mm，軸頸擺度0.03～0.05 mm，正推力瓦溫最高41℃，兩部徑向軸瓦溫度均不大于30℃。機組安裝質量得到廠家、設計及其他參與單位的高度認可。

4 結語

春廠壩抽水蓄能電站作為國家重點科研項目的載體，機組安裝質量要求嚴苛。機組安裝過程中筆者深入分析設備結構特點，并結合實際對廠家設計方案進行了優化，有利于確保機組安裝質量并縮短施工工期，可為類似機組的設計、安裝提供借鑒。