水輪發電機組聲光一體中心測量工具研制

徐耀剛，張偉林，白 超，劉紅映，趙顯康

（國網四川省電力公司 映秀灣水力發電總廠，四川 成都 611830）

0 概述

水輪發電機組經過一段時間的運行，因設備本身缺陷或機械損耗等原因，加上電磁力、離心力及軸向水推力等作用，可能造成機組軸線、動靜平衡發生微小改變，當這些變化積累到一定程度時，便會對機組的正常穩定運行產生影響，如不及時處理，可能導致機組出現安全事故。除去機組本身缺陷，機組過流部件的磨蝕損耗是影響其穩定運行最重要的因素之一。水輪發電機組流道內的水并不是清水，往往是含有泥沙及各種雜質的水，經過一段時間運行，過流部件就會出現磨損和缺陷，尤其過流部件在空蝕和泥沙磨損的共同作用下，其金屬表面破壞速度更加劇烈[1]。

因此，水輪發電機組在經過一個周期的運行后，需對其進行檢修。檢修工作以檢修規模和停用時間為原則，將機組檢修分為A、B、C、D 級檢修。A 級檢修指對機組進行全面的解體檢查和修理，以保持、恢復或提高設備性能；B 級檢修指針對機組某些設備存在問題，對發電機組部分設備進行解體檢查和修理，可有針對性地實施部分A 級檢修項目；C 級檢修指根據設備的磨損、老化規律，有重點地對發電機組進行檢查、評估、修理、清掃和消缺；D 級檢修指當發電機組總體運行狀況良好，而對主要設備的附屬系統和設備進行消缺[2，3]。

水輪發電機組安裝或進行A 級檢修時，機組會有所有部件解體再安裝的階段。對機組進行安裝或回裝前，為使機組符合穩定運行的條件，需對機組中心進行測量和調整，且必須使中心數據達到規范標準要求，以減小機組旋轉時的擺度，避免機組擺度過大或者間隙不均勻而發生設備損壞事故[4-6]。機組中心的調整一般需結合機組各部設計間隙進行標準的確定[7]。明確標準后，機組基礎環、底環、底蓋等固定部分的中心是否滿足標準要求就需要通過測量、比較各固定部分中心，判斷中心是否滿足標準。代替轉動部分中心、為固定部件中心調整提供判斷依據的設備，便是中心測量工具。中心測量工具主要由中心架、求心器和測量工具等部件組成。

1 中心測量傳統方法—耳機電測法

耳機電測法是一種水輪發電機組安裝與檢修過程中常用的中心測量方法。該方法需在中心架加絕緣墊，中心架通過導線（導線中間集合電池和耳機）分別連接中心架與被測物如圖1 所示。此時，中心架連接求心器及鋼琴線帶正電，被測物體與內徑千分尺連接帶負電，當使用千分尺接觸到鋼琴線時，電路接通，可以通過接觸和斷開時耳機中反饋電流的“咔咔”聲，確定被測點與鋼琴線的距離，測量正交方向四個點的距離，調整鋼琴線至對稱方向距離相等，則鋼琴線即在被測物體的中心，用此方法依次測量機組基礎環、底環、頂蓋等部件的中心，通過調整來保證各固定部分同心。

圖1 傳統耳機電測法示意圖

2 耳機電測法弊端

在水輪發電機組A 級檢修實踐中，傳統耳機電測法主要有以下幾個弊端：

（1）設備復雜。傳統的中心測量方法，需要求心器、中心架、鋼琴線、絕緣墊、電池、導線、耳機接口、內徑千分尺等物品。設備較多，尤其測量部分需要連接的部件較多且結構復雜。

（2）測量不便。因傳統中心測量方法需要將導線從中心架一直連接到被測物體上，由于機坑深度通常在十余米以上，冗長的導線在測量過程中不方便操作，導線也可能在測量的時候碰到鋼琴線，導致測量數據受到影響。

（3）測量可靠性不高。傳統的中心測量方法只有通過耳機內的聲音確定內徑千分尺與鋼琴線是否接觸，當耳機效果不佳或設備故障時則無法判斷是否接觸鋼琴線進而導致觸碰鋼琴線，使鋼琴線過度擺動，從而影響測量可靠性和精度。

3 測量工具研制目標及設計思路

3.1 工具研制目標

為解決傳統耳機電測法設備復雜、測量不便、測量可靠性不高的問題，需研制一種簡便的、可靠性高的中心測量工具，其主要目標：

（1）新型中心測量工具要具有設備簡單、成本低等特點；

（2）要取消長導線，避免長導線在測量時對鋼琴線的影響；

（3）除了聲音信號，增加其他輔助信號，雙重信號確認測量精度，提高測量的可靠性；

（4）具有通用性，能夠適配標準化的測量工具；

（5）使用方法簡單。

3.2 工具研制設計思路

新工具的研制設計在充分考慮研制目標后，進行了可行性論證和試驗。為保證工具的簡易便攜，且成本可控，其設計思路為：

（1）取消絕緣墊、長導線，將電池、耳機接口整合為統一模塊；

（2）增加發光二極管作為輔助型號，佐證聲音信號，提高測量精度；

（3）測量接頭兩端采用標準內徑千分尺接頭，具有通用性。

4 聲光一體中心測量工具

4.1 聲光一體中心測量工具結構組成

聲光一體中心測量工具結構如圖2。

圖2 聲光一體中心測量工具結構圖

210 為工具連接內徑千分尺外接頭集成殼體，220 為工具電池組件集成部分，230 為工具連接內徑千分尺內接頭集成殼體，240 為工具耳機測量回路集成部分插口，250 為內徑千分尺內接頭接口，260為內徑千分尺外接頭接口，270 為發光二極管及其集成回路。

4.2 聲光一體中心測量工具工作原理

聲光一體中心測量工具將測量電池組件以及導線等原件集成到一個工具上。使用時，將耳機電測法中的導線、電池、絕緣墊等撤除，工具與中心架、鋼琴線、內徑千分尺以及被測機組即可組成完整的電氣回路，具體步驟如下：

（1）將中心架放置于機組之上（不需要絕緣墊），鋼琴線通過中心架上的求心器懸垂于基坑中間；

（2）將內徑千分尺測桿分別連接聲光一體中心測量工具的內外接頭；

（3）將內徑千分尺一端靠住被測機組基準測點，測量端尋找機組中心鋼琴線，當測量頭與鋼琴線接觸時，測量工具測量回路即通過中心架、鋼琴線、機組測點和內徑千分尺導通，便攜式聲光一體測量工具在此時會通過耳機電流提示測桿觸碰鋼琴線以及通過發光二極管發光提示測桿已經與鋼琴線接觸。聲、光互為備用，機電融合一體，工作原理如圖3。

圖3 聲光一體中心測量工具工作原理

5 聲光一體中心測量工具的應用

聲光一體中心測量工具研制后，首先應用于映秀灣電廠耿達電站3 號機組A 級檢修工作中。

耿達電站機組為混流式機組，單機容量40 MW，水輪機轉輪直徑2.15 m，轉輪上冠、下環分別設置梳齒式止漏環。耿達電站機組具體參數如表1。

表1 耿達電站水輪機具體參數

機組A 級檢修工作要求對過流部件進行更換，需對下梳齒、底環、頂蓋進行中心測量工作，以確定更換部件的中心。過流部件中心測量工作中，還需對發電機組定子中心以及上機架中心進行校核，綜合得到水輪機中心與發電機組中心的理論數據。

因此，此次耿達電站3 號機組A 級檢修過程中涉及的中心測量工作繁多，測量次數達上百次，其中還涉及下梳齒、底環、頂蓋、上機架等數十噸重的大件吊裝工作。如遇測量數據不可靠或者數據有問題，需進行反復測量，反復進行大件吊裝工作極大增加工作安全風險。所以，傳統中心測量方法的弊端在檢修過程中完全暴露，一般情況下傳統中心測量方法大致需要12 個工作日。聲光一體式中心測量工具的研制，為的就是提升中心測量工作可靠性、保障檢修質量、提升檢修工作效率、降低作業風險，實現企業檢修工作的降本增效與風險管控。聲光一體式中心測量工具見圖4。

圖4 聲光一體中心測量工具

需要指出的是機組中心測量值為相對值，保證每次測量工具無變化即可保證相對數據間精度相同。機組中心測量值滿足GB/T 8564-2003《水輪發電機組安裝技術規范》[8]關于機組各部同軸度的要求，且水輪機中心偏差小于0.03 mm。機組中心測量數據如圖5。

圖5 機組中心測量數據

聲光一體中心測量工具應用于檢修工作后，耿站3 號機組A 級檢修中心測量工作時間縮短約1 d，且測量數據精準、穩定。檢修工作縮短1 d，由增效帶來的顯性經濟收益超過數十萬元。

聲光一體中心測量工具相繼推廣至映秀灣電廠映秀灣電站、漁子溪電站A 級檢修中心測量工作，使用效果均達到預期目標。

6 結論

聲光一體中心測量工具的研制主要優點：

（1）優化了水輪發電機組檢修工藝流程，保障機組檢修質量，提高中心測量工作效率，為電廠帶來巨大經濟效益。

（2）工具的研制極大促進一線工人創新創效的積極性，為工作向更加優化、更加高效、更加安全方向發展。

目前，工具還存在標準化程度不夠，絕對尺寸精度要求不夠等問題。解決這些問題后將拓寬工具的使用面，使其適應更多測量場景，同時為聲光一體中心測量工具開拓相應的市場。