浅述混流可逆式水泵水轮机的安装工艺要点

摘要:本文笔者结合实例对某电站混流可逆式水泵水轮机各主要部件安装的工艺要点做出分析,并提出施工中对难点问题的解决方法。

关键词:水轮机;安装工艺；要点；解决方法

一、工程概况

某抽水蓄能电站建成后,将作为该省电网灵活高效的大型调峰电源,在电网中承担调峰填谷和调频、调相及事故备用等任务。电站安装4台套单机容量250MW可逆混流式水泵水轮发电电动机组,总装机容量1000MW。水泵水轮机为立轴、单级混流可逆式,水轮机工况额定出力为255.1MW,额定净水头225.00m,额定转速300r/min。发电电动机为立轴、半伞式、空冷可逆式同步发电电动机,发电工况额定容量278MVA,电动机工况额定容量274MW,额定电压15.75kV,额定转速300r/min。

二、重点工艺

2.1座环安装

2.1.1座环工位布置

与常规电站比较,该工程地下厂房安装间较狭小,合同规定座环组装、焊接时间为30d,座环机加工时间为30d,施工工期紧。因此,工位的布置应充分考虑其它大型部件组装周期,合理的工位置换将会缩短整个机组安装时间,特别是在多台机组发电间隔时间较短时显得尤为重要。

该电站原设计首台机组座环机加工在安装间进行,其它机组座环在机坑内加工。2、3、4号机组座环施工顺序为:座环组圆焊接座环吊入机坑加工座环吊出机坑底环吊入就位座环吊入与底环联接整体吊起安装。从施工顺序上看,座环多次吊运,并未给有限的安装场地留出多少可利用的空间。因此,在充分考虑电站安装空间和多台机组发电工期的同时,从工位布置、工位置换、设备进场时间、设备组装周期、桥机利用率及工作时间、人员配置及分配、厂房各层形成时间等各方面进行科学合理的统筹,详细编排了各时段工作计划,优化方案。另外,根据厂家提供的施工顺序,2、3、4号机组座环法兰面加工车床布置在尾水锥管上口。由于工序原因,尾水锥管全段(尾水锥管高5.485m)并未进行混凝土浇筑,无法保证车床工作时的稳定性,进而难以保证座环法兰面加工后的精度。

通过分析、研究,将1～4号机组座环施工顺序调整为座环组圆焊接座环机加工座环与底环联接整体吊起安装。这种方案得到了厂家、设计、监理、业主方的认可。实践证明,座环在安装间的停留时间完全可以控制在40～45d,缩短了直线工期,保证了其它大型部件的进场时间和组装周期,使整个机电工程完工时间提前。

2.1.2座环运输、组装

分瓣座环属不规则几何体,其水平卸车吊装是组装的难点。通过详细的几何尺寸测量求出重心以及现场增加临时吊点的计算较为复杂,要保证起吊过程中座环法兰面水平控制值在5mm以内。

将清扫好的小瓣座环利用厂房桥机吊起,以方位平稳为原则,放在事先已调整好的钢支墩上,检查蜗壳底部钢支墩支撑情况,钢支墩全部受力均匀后,在座环下法兰面适当位置支撑4套临时钢支墩和螺旋千斤顶,方可松钩。利用螺旋千斤顶调整座环法兰面水平,紧固外侧钢支墩楔子板,并配装座环底部钢支墩支撑板,保证焊接时接地可靠。支撑板安装完成后,装配下部楔子板并使其紧固。

将清扫好的另一瓣座环利用厂房桥机吊起,缓慢靠拢已调整好的座环,组合面接近时,为防止相互碰撞,可垫入长条形薄软木。调整组合螺栓孔对齐,穿入组合螺栓,方向应一致,旋入螺母。按要求预紧螺栓,全面检查座环主要几何尺寸,并记录原始数据。

2.1.3座环组合缝焊接

座环焊接之前,制定相应的焊接工艺评定方案,并进行焊接工艺评定实验。根据评定结果,结合实际经验,确定合适的焊接方法及焊接参数,制定焊接工艺操作规程作为指导焊接的依据。

焊接变形控制是座环组合缝焊接的难点。焊接变形量过大,将会导致加工量增加、单项工期延长,更主要的是影响顶盖厂内加工量及出厂日期,从而造成整个机组安装总工期的滞后。因此,如何有效控制焊接变形是整个座环安装的关键。采取的方法是:

⑴根据焊接工艺评定结合实际经验,确定合适的焊接方法及焊接参数;

⑵根据座环组合缝的坡口形式及结构特点将焊缝划分为6个施焊区域,按不同施焊区域和焊接填充量制定不同的焊接顺序;

⑶在座环有效部位布置8块百分表检测座环变形情况,同时在组合缝位置采用平规测量法和钢球测距法联合监测焊缝及热影响区变形;

⑷选派有经验、焊接水平高的12名焊工,4人一组对称分班,采取连续作业的施工方法。

焊接热输入的变化将改变焊接冷却速度,从而影响焊缝金属及热影响区的组织组成,并最终影响焊接接头的力学性能及抗裂性。因此,为确保焊缝金属的韧性,严格控制焊接线能量十分必要,焊接时的线能量必须控制在38kJ/cm以内,为防止焊接冷裂纹出现,线能量下限值必须控制在20.6kJ/cm。

焊缝完成后及时进行焊接后热,其目的是加速焊接接头中氢的扩散逸出。特别是对于氢致裂纹敏感性较强的S550Q高强度钢,焊后及时后热是防止焊接冷裂纹的有效措施之一。保证低氢的焊接环境也很重要,氢是产生冷裂纹的主要元素,要减少焊缝金属及热影响区的氢含量,除使氢顺利逸出外,最根本是减少氢的来源。S550Q高强钢施焊时,氢的主要来源是焊条中的水分和坡口表面的水分油污等杂质,这些物质在电弧高温作用下分解出氢,溶解在熔池金属内。地下厂房环境湿度大于70%时,焊接焊缝中氢的含量会明显增加,适当提高预热温度和改善周围环境湿度对于降低焊缝中氢的含量效果非常明显。

2.1.4座环加工

座环焊接完成后进行座环法兰面加工,为保证加工后法兰面的精度,加工前整体起吊座环,脱离钢支墩约300mm,重复3次,消除组圆、焊接过程中的部分内部应力,使应变得到最大程度的释放,重新调整座环法兰面水平。

座环法兰面采用液压立式车床进行加工,车床安装的重点是保证车床工作时的稳定性。解决的办法是在座环组装工位中心埋设基础板,将车床基础临时焊接在预埋基础上,并且在座环钢支墩下半部浇筑混凝土,以增加座环自身稳定性。

2.1.5整体吊装

底环整体到货,与座环在安装间连接成整体,整体起吊重量182t。由于增加了底环的重量,连成整体的座环和底环的水平发生了变化,如何水平整体吊装又是一个难点。解决的办法是辅助吊点不变,将4个主吊点的位置进行合理调整,并且将其中1根或2根主吊索的长度延长,使吊钩的中心尽可能接近重物的重心。该电站4台座环和底环整体吊装的水平度均控制在8mm以内。

2.1.6座环调整

按工艺要求座环36根地脚螺栓将分3次完成拉伸,单根螺栓设计拉伸油压为89MPa,经计算单根螺栓最终将承受200t的拉伸力,座环整体最终承受拉伸力为7200t。

在对1号机组座环36根地脚螺栓进行60%设计拉伸油压的预拉伸时,座环法兰面水平严重超标。经检查,支撑环上环板底面与基础混凝土局部存在1～8mm间隙,经过多方现场勘查分析,出现间隙的原因主要有:

⑴配筋密集、结构复杂、进料困难、速度慢;

⑵浇筑手段落后,混凝土振捣不及时;

⑶支撑环顶板过宽且强度较弱;

⑷混凝土凝结干缩后产生间隙,未及时进行补充密实。

因此,采取的办法是将座环地脚螺栓全部松开,整体吊起并临时支撑,使支撑环顶部不受外力,在顶板钻孔进行灌浆处理。其它机组支撑环浇筑时制定详细方案,并在支撑环顶板开设排气返浆孔,混凝土达到龄期后进行钻孔灌浆。实践证明此种方法是成功有效的,在后续座环安装中未发生类似情况。

2.1.7蜗壳延伸段安装与焊接

座环安装时,上引水钢管安装工作已结束。因此,蜗壳延伸段测量控制点及轴线的布设应充分考虑上引水钢管的出口位置以及本体埋件、尾水管上口等各方面的因素,做到既符合质量要求,又满足各方面安装条件。

蜗壳延伸段焊接工艺与座环组合缝焊接工艺相同,焊接过程中控制蜗壳进口法兰面变形是重点也是难点。蜗壳进口法兰外径4000mm,法兰厚度250mm,距焊缝1280mm,凑合节长1870mm。受结构限制环缝焊接时法兰面底部可加固支撑,使得底部刚性大、顶部刚性弱。因此,调整法兰面垂直度时,使整个法兰面前倾0.5mm以满足焊接收缩变形。泰安电站1～4号蜗壳法兰面焊接后垂直度均小于1.0mm,符合国标要求。

2.1.8座环保压浇筑

座环地脚螺栓第二次拉伸结束后,安装水压试验设备,进行座环水压试验和保压浇筑。水压试验的目的是检验座环焊缝焊接质量是否满足1.5倍额定工作压力。保压浇筑的目的是蜗壳与外包混凝土之间形成一定的初始间隙,从而调解了蜗壳与混凝土的受力。保压浇筑的作用是蜗壳与外包混凝土之间未设计弹性层,机组正常运行时蜗壳的内水压力由蜗壳弹性变形来吸收,超过预压荷载时,超过部分则由蜗壳和混凝土联合承担。由于蜗壳的最大受力降低,可适当减薄蜗壳钢板厚度,减轻加工难度,同时混凝土因受力条件改善也减少了变形。

三、水泵水轮机中心部件安装

3.1导水机构安装

常规水轮机导水机构预装的目的是保证顶盖固定止漏环与底环固定止漏环的同心度以及调整底环垫板厚度,保证活动导叶端面间隙满足设计要求。工作方法是用实测法计算出底环与顶盖之间过流面间距,配刨底环调整垫板,保证活动导叶端面间隙。以座环内镗口为基准求得底环中心,然后以底环固定止漏环为基准求得顶盖中心,检查预装导叶套筒间隙及端面间隙,各部间隙满足要求后,钻铰定位销孔。其作用主要是消除设备制造、运输、安装所造成的累计偏差,使产品质量最终符合设计要求。

该电站水泵水轮机导水机构有如下结构特点:

⑴导水机构底环与座环把合成一体,整体吊入机坑就位,调整合格后浇筑于混凝土之中,底环属不可调结构;

⑵底环与顶盖之间过流面间距是现场加工座环上下法兰面实测厚度后,通过厂内加工顶盖厚度保证活动导叶端面的间隙值。换言之,活动导叶端面间隙值是通过设备加工精度保证,现场安装时不需要调整;

⑶顶盖分为内顶盖与外顶盖,顶盖固定止漏环在厂内把合在内顶盖上,与外顶盖同配车圆。因在内顶盖上固定止漏环内侧焊接有环状箱形结构,无法采用电测法进行底环固定止漏环与顶盖固定止漏环同心度测量和调整。因此,底环固定止漏环与顶盖固定止漏环的同心度调整只有通过所有活动导叶轴套径向间隙及端面间隙保证,并且活动导叶应转动灵活,无卡阻现象。

因此,本电站水泵水轮机导水机构自身结构特点造成预装失去原有的目的和作用。导水机构不进行预装直接进入正式安装也存在一定的风险,有可能出现个别活动导叶端面间隙过小的问题。此时,可整体吊起外顶盖到一定高度临时固定,采用打磨个别活动导叶上肩膀头的方法满足间隙要求。

此电站水泵水轮机导水机构不进行预装而直接进入正式安装阶段,有以下特点:

⑴可缩短水泵水轮机安装直线工期,节约大量的人力、物力、财力;

⑵减少顶盖吊装、组合、分解的次数,降低结构因吊装、组合、分解产生的形变,有利于安装精度的提高,从而保证销钉定位的准确;

⑶发电电动机下机架预装可提前进行,无需等待导水机构预装,可缩短机组的总装时间;

⑷减少各道密封反复装拆造成的磨损,提高密封质量。

实践证明,该电站水泵水轮机导水机构不进行预装而直接进入正式安装的工序是科学合理的,此种安装工序及工艺完全能够达到设计要求的质量标准,大大缩短水泵水轮发电电动机组安装的直线工期,节约大量的人力、物力、财力,降低成本,提高效率。由于受水泵工况的条件限制,导叶端面间隙较常规机组小,设计总间隙为(0.6±0.2)mm。从1、2号机组实际安装情况来看,1号机组顶盖与座环把合后,21号导叶端面间隙为0.20mm,提起顶盖处理后符合要求;在2号机组施工中加大测点数量,未出现1号机组类似情况。因此,顶盖抗磨板和底环抗磨板的波浪度对导叶端面间隙影响较大,安装中应加大测点数量。安装后的实测总间隙为0.4～0.7mm,且大部分端面总间隙集中在0.40～0.5mm,存在较大的不均匀性。导水机构安装过程中也出现了一些其它问题,主要是设备零部件加工尺寸的精确度不够,造成个别零部件安装时无法一次到位,经过现场处理均达到设计要求。因此,泰安电站水泵水轮机导水机构不预装直接进入正式安装程序的安装方法对设备加工精度提出新的更高的要求,需要制造厂家和建设单位引起高度关注。

2.2分瓣顶盖吊装

受机组体形结构所限,顶盖需分瓣吊入机坑拼装就位,此特点是导水机构安装的难点,对起吊设备及工具有特殊的要求。原设计安装工艺为:使用专用的“路德”吊环和3台30t手拉葫芦,单钩3吊点水平起吊一瓣外顶盖至机坑里衬上口适当位置,缓慢操作手拉葫芦使一瓣顶盖一端缓缓下降,当一瓣顶盖能够通过机坑里衬上口时,整体缓慢下落主吊钩到适当位置,操作手拉葫芦调整顶盖成水平位置;操作主吊钩使一瓣顶盖水平移动至导叶轴头上部约100mm处,再次仔细调平顶盖,并且使顶盖按安装位置缓慢平稳降落在钢支墩上;采用同样的方法吊装另一瓣顶盖入坑。

然而,实际吊装时分瓣顶盖在机坑里衬上口的倾角达到70°(以上,起重人员无法操作手拉葫芦调整顶盖,并且存在极大的安全隐患。经过研究,结合起吊设备的特点,利用(250+250)t桥机双钩4吊点共同起吊分瓣顶盖的方法,一次吊装成功,历时4h。这种吊装方法既提高了效率又保证了安全,值得其它电站参考和借鉴。

3.1.1单导叶接力器应用

单导叶接力器国内目前应用在蓄能电站的有广蓄二期和泰安电站各4台机组。导叶操作由单导叶接力器完成,即每个导叶均对应一个主配压阀和一个接力器。在调速器发令给每个主配压阀通过接力器动作,实现导叶的同步关闭和开启。

与常规机组控制环结构的导叶操作机构比较,单导叶接力器形式的操作机构有如下特点:

⑴接力器和主配压阀数量多,操作、控制管路复杂;

⑵安装工作量大,焊接接头多;

⑶拐臂与导叶相对位置要求低,可实现自补偿;

⑷导叶和接力器始终是联接的,由于接力器的缓冲作用导叶不会晃动或失控,不需剪断或拉断装置;

⑸目前无法实现导叶分段关闭,紧急停机时蜗壳、顶盖压力上升率高;

⑹导叶自成系统,全关位置受力均匀,导叶漏水量小;

⑺受主配压阀及其管路限制,导叶同步性调整工作量大大增加,也容易出现调整不均匀的现象;

⑻某个或几个导叶全关受阻时其它导叶可实现关闭;

⑼顶盖上部空间增大,便于维护检修。

总体来讲,单导叶接力器在蓄能机组中应用的优缺点还有待于进一步了解、完善和实践检验。

3.1.2机组盘车检查

根据厂家技术资料要求,机组总装完成后先进行发电电动机单独盘车检查,然后水发联轴进行整体盘车检查。

首台机组总装完成后,进行发电电动机单独盘车检查,各部摆度均优于设计值。水发联轴后整体盘车无法转动,经检查为VSS制造的内顶盖尺寸有误,与转轮接触而无法转动。现场处理后整体盘车检查各部摆度符合设计要求,水导轴领为0.08mm,相对摆度为0.01mm/m。然而检查固定部分与转动部分间隙时,发现发电电动机与水泵水轮机不同心,中心偏差约0.5mm。在各方仔细检查研究后,比较一致的看法是由VSFK提供的中心测量过渡油盆加工精度不够所致。处理的方法是将下导轴承梳齿隔油板重新调整定位。

2～4号机组发电电动机预装时取消过渡油盆,采用直接测量水轮机大轴上止口的办法进行中心定位,并且提出调整总装工序,即推导组合轴承调入机坑就位后,先不吊装其它发电机部件而进行水发联轴工作,然后进行发电机轴和水轮机部件单独盘车检查。如果盘车检查符合要求钻铰下机架定位销,吊装其它发电机部件后进行整体盘车检查。调整总装程序有以下优点:

⑴提前检查发电机固定部件与水轮机固定部件的同心度。如果偏差过大,可用水平方向移动下机架的方法进行调整。因此只有保证下机架与水轮机固定部分的同心度,才能保证所有发电机固定部件与水轮机固定部件的同心度。至于上机架的中心可在最后进行再次调整,因为根据1号机组安装经验,上机架中心在设计上允许基础二期混凝土回填之后有约1mm的水平调整量;

⑵提前连接水轮机主轴,增加了推力轴承的负荷,测量的发电机轴顶面的水平数据更准确、更可靠;

⑶如有必要,在盘车结束转子吊入检查空气间隙,合格后进行水导轴承等水轮机中心部分的工作,不必等机组整体盘车完成后才开始水轮机中心部分部件安装;

⑷可以完成转子吊装前机坑内工作,工作空间宽敞、照明好、设备运输方便;

⑸有利于安全文明施工。

四、结束语

目前，我国已经建成投产的抽水蓄能电站装机容量占全国总发电装机容量的1.2%,属于较低水平。从节约能源、保护环境的角度来看,抽水蓄能机组建设将会大力发展。因此,总结经验、优化方案、保证质量、提高效率、降低安全风险的任何方式、方法都可为国内同类机型的安装提供参考。

参考文献:

[1]李海波.惠州抽水蓄能电站工程水泵水轮机转速的选择[J].广东水利水电,2008

[2]宋建英.抽水蓄能电站水泵水轮机比转速选择[J].东方机电,2006

[3]毛永茂.可逆式水泵水轮机技术及在中国的经验[J].科技资讯,2010

[4]张照彦,高叔开,张聪师,梁保龙.抽水蓄能发电系统中的新技术[J].电网与水力发电进展,2008