冲击式水轮机组安装工艺的研究

摘要：至2010年底,中国水电装机总容量约200000MW,年发电量达7210亿度,占世界的21%。中国水电无论装机容量还是年发电量,均跃居世界第一。作为主要的清洁能源,水电为我国提供约22%的电力,在国民经济发展中的地位举足轻重。然而,随着水电资源开发程度的不断提高,大、中型的水电站将会逐渐减少,逐步向高水头大容量的冲击式水轮发电机组过渡,而冲击式水轮机组因其效率高、受负荷变化影响小等优势无疑会受到广泛关注。本文以任宗仁海电站的实践经验,对冲击式水轮发电机组的关键安装工艺进行了研究,为国内同类机组的安装提供可资借鉴的经验。

关键词：冲击式水轮机 配水环 喷针

仁宗海水电站为单一发电工程,电站安装2台同型号的6喷嘴冲击式水轮发电机组。水轮发电机组参数:

发电机型号:SF120-16/5800;

水轮机型号:CJ610-L-255/6×23.1;

额定功率:120MW;

额定电压:13.8kV;

额定电流:5702A;

额定功率因数:0.90（滞后）;

机组额定水头:560m;

额定转速:375r/min;

飞逸转速:685r/min。

电站发电机部分与其它类型立式机组安装基本相同或相似,故针对冲击式水轮机的特点,重点研究以下施工工艺:(1)配水环管安装工艺;(2)喷嘴的喷针安装工艺。

1、配水环管安装

配水环管分为6节支管和5节凑合节在现场拼焊。在喷嘴法兰与配水环管支管法兰间设置有调整垫,喷嘴安装前用专用工具（模型转轮和中心测杆）测量并加工调整垫,从而保证喷嘴的安装精度。

1.1 配水环管的安装与调整

(1)测量放线;以机组X、Y轴线为基准,进行配水环管进口法兰的调整。一条法兰面的平行线检查到机组x轴线的距离、法兰面与x轴线的平行度、法兰面的高程;一条纵轴线检查进口法兰到机组y轴线的距离,保证与后面安装的水轮机进口球阀和压力钢管在同一轴线上。

(2)进水口及喷针法兰的垂直度检查;每个法兰的垂直度用线坠检查,在法兰左右分别布置2个线锤,以保证法兰面的垂直。

(3)确定机组中心;在稳水栅上自制安装专用平台,用全站仪找出机组中心点,并做标记,用以测量喷嘴法兰到机组中心的距离,保证转轮和喷嘴法兰同心。

(4)确定喷嘴法兰平面的中心点;在每个喷嘴法兰面相平行100mm位置,安装一个槽钢架,通过计算角度并用精密全站仪找出法兰的中心点并冲点做标志。该点作为法兰调整测量的基准点。

1.2 配水环管调整

配水环管的安装要求:高程误差≤±1mm,喷嘴法兰到中心距离误差≤±5mm,两喷嘴法兰间距误差≤±3mm,法兰垂直度误差≤1mm。凑合节与支管合缝内部错牙≤5mm。

(1)第1节配水环管的调整;先粗调叉管1进口法兰面的高程及中心至Y基准线的距离偏差以及进口法兰面与X基准线的平行度偏差,以及喷嘴法兰的高程和到中心线的距离,各项指标需同时满足要求（实际调整中首先要检查配水环管法兰面本身是否有波浪度,应确定法兰本身没有误差,再进行调整）如图1。以此作为进水球阀安装、调整（中心、高程及方位）的基准。在调整中用吊钢琴线的方法来测量进水口及喷针法兰面的垂直度偏差。并通过全站仪检查至机组中心的尺寸,满足设计要求后进行加固。

(2)第2、3、4节节配水环管的调整;先调整各法兰距中心的距离、高程、垂直度、然后调整各喷嘴法兰的间距。角度调整:各喷嘴法兰之间的距离调整合格后,通过在各喷嘴法兰平面吊线锤,找出垂直中心线,再通过钢板尺检查中心线与平行做点相重合。法兰的垂直度通过千斤顶配合各支腿的调整螺栓进行调整如图2。最后进行各参数的精调校核,调整合格后,用槽钢等将配水环管固定。

图2 配水环管调整示意

(3)第5、6节的调整方法与前几节一样,第6节支管安装调整完毕后,通过检查各喷嘴法兰的调整参数合格后,最后进行凑合节安装。

1.3 配水环管的焊接

配水环管环缝焊前焊条经350℃烘焙1h。配水环管焊缝应先预热,预热温度为100～120℃,预热范围应不小于焊缝周围100mm的区域。在保证焊缝质量的同时,须控制好变形量,保证各法兰的最终尺寸。焊接变形控制:首先进行加固配水环管,焊定位板进行定位焊。焊接过程中,必须将上一层焊渣彻底清除干净,同时层间接头应错开30－50mm,应分段、对称、退步、窄道焊接,焊条摆动的幅度不应超过焊条直径的4倍;连续进行焊接时,中断焊接前最小焊接厚度不得小于板厚的2/3。采用预热焊接时,若中断焊接,应采取保温措施。环缝的焊接应根据各环缝周长的不同,确定合理的同时施焊人数。焊接过程中,加强对配水环管（叉管）安装位置偏差的监测,根据情况随时调整焊接顺序。

1.4 配水环管的水压试验

为了有效消除配水环管在工厂及现场焊接施工的内部应力和检验其强度,对焊接调整完的配水环管要进行水压试验。配水环管属于薄壁承压容器,随着压力的不断上升,因弹性变形有可能引起各叉管出口法兰安装位置发生细微变化。为此,在水压试验前,用钢板条将6个叉管的出口法兰临时点焊固定成整体,以增强结构刚度如图3。

图3 配水环叉管加固

变形监测用百分表测量,表座应与配水环管无任何连接。每个喷嘴法兰的垂直方向架1块表,进水口法兰的垂直方向架1块表,监测各法兰的轴向位移。配水环管及上方均布3块表,监测环管的膨胀量。5、6号喷嘴法兰的平行方向各架1块表,监测配水环管向外的扩张量。水压试验的最终压力为11Mpa。应分阶段逐步升压,水温要求不低于5℃。

1.4.1 升压过程

第一、打压到3Mpa,保压15分钟,检查各焊缝及法兰是否有渗漏和裂纹。

第二、从3MPA升压到5.5Mpa,保压10分钟,检查各焊缝及法兰是否有渗漏和裂纹。

第三、从5.5Mpa升压到8.5Mpa,保压10分钟后,检查各焊缝及法兰是否有渗漏和裂纹。

第四、从8.5Mpa升压到10Mpa,保压10分钟,检查各焊缝及法兰是否有渗漏和裂纹。无异常情况后泄压到9Mpa,再保压10分钟。

第五、从9Mpa升压到11Mpa, 保压60分钟,检查各焊缝及法兰是否有渗漏和裂纹。

第六、在升压过程中,应注意对配水环管的法兰及尾部受力较大的位置进行百分表监控。

1.4.2 降压过程

第一、在检查11Mpa压力后,无任何裂纹及异常情况后,对配水环管进行降压,从11Mpa降至8.5Mpa,保压10分钟。

第二、依次按升压等级过程降压直至为0,打压试验结束。在水压上升的初期阶段,应密切注意观察配水环管及其连接管路有无异常情况。在每一阶段中保压一段时间并仔细检查配水环管各焊缝是否存在漏点,发现渗漏应立即停止试验,处理合格后重新开始试验。在试验过程中做好压力值、保压、时间、配水环管的变形值等详细记录。水压试验完成后,卸压过程也应分阶段逐步进行。试验合格后,对配水环管再次升压到7Mpa,进行混凝土浇筑,在浇筑过程中对各法兰进行架百分表监测变形,根据监测记录变形情况调整浇筑顺序。当混凝土强度达70%后,排水降压。

2、喷针的安装

2.1 喷针调整

调整准备;第一、清扫并打磨配水环管法兰面,并检查其法兰面的垂直度,要求不能超过每米0.20mm,如果无法满足其要求,就必须对法兰面进行打磨处理。第二、安装调整模拟转轮,测量中心高程(A),并在调整转轮上做出明确标示。其误差不能超过±0.50mm。第三、安装喷针调整工具,在安装前,检查调整工具是否有变形或损坏。

2.2 喷针调整步骤

第一、安装调整工具,进行数据测量,计算得出需加垫厚度。

第二、按照计算加垫厚度,加垫装配后,继续测量。若不满足安装要求,按实测值重新计算后,加垫在进行测量,直至复合安装要求,计算出实际加垫厚度值。

第三、计算出的实际加垫厚度值最终成为调整垫的加工值。

2.3 喷针调整

(1)所有准备工作完成后,对喷针逐个进行调整,其调整过程主要控制喷针中心高程（H）与转轮中心的偏差及喷针射流线与转轮之间的水平距离（B）。

(2)数据测量,通过计算得出在喷针与喷水环管法兰之间调整垫加工尺寸。其计算公式喷针调整计算公式:

A2+B2=;/r=δ

A表示:喷针中心与转轮中心的高差。（实测值减去设计值）

B表示:喷针中心与转轮中心的切点距离。（实测值减去设计值）

r表示:喷针加垫的倍数关系。（计算公式:即除以喷针法兰直径。）

δ表示:喷针法兰加垫的实际尺寸。

H=ctg×单位弧长（L）

L表示:喷针法兰在圆周1°所计算的弧长。

H表示:喷针法兰加垫位置。

(3)计算出加垫数据及加垫位置后,在进行测量是否合格,同时要测量出喷针法兰面到喷针射线点的距离,（也就是喷针法兰面至转轮中心切点的距离）。如果与设计值有所偏差,因此在加工调整法兰垫厚度时进行调整,消除其偏差,以满足安装要求。

(4)调整完毕后,通过测量计算数据,对调整法兰垫进行加工。其加工精度要求为3.2。加工误差不超过0.05mm。在加工时应注意要明确标识出方位,以免在加工时出现混乱。

(5)调整垫加工完毕后,对其各点进行检查后安装。

3、结语

随着我国水电站开发资源的日趋减少,高水头冲击式水轮发电机组的开发优势将更加明显,具有更广阔的发展前景。冲击式水轮机发电机组未来的发展趋势是在提高效率的同时向高水头、大容量的方向发展,传统的小型卧式机组将逐渐被结构和控制简单的立式多喷嘴高转速机组所取代。