隨機提供水輪機大部件現場加工專用設備

郭大川

摘 要：文章介紹了水輪機運行和修復概況以及國外目前水輪機修復改造中大件現場加工的苗頭，引入制造廠隨水輪機供貨的同時提供大件現場加工專用設備的理念。從而縮短修復工期，取得良好經濟效益，更有助于進一步提高水力資源利用率，達到節能減排的目的。

關鍵詞：水輪機；汽蝕；磨損；專用設備

1 概述

我國水輪機制造業為滿足水電建設，特別是巨型電站的需要，與時俱進地提供了現代化的水輪機。水輪機模型效率提高到95%以上，達到了世界先進水平。展望未來，全球能源日趨緊張，環境問題日益嚴重，為了可持續發展，各國對可再生能源非?？粗?，除水力資源外，正在大力研發新興的可再生能源，然而難度大、成本高。我國擁有技術可開發的水力資源為5.42億千瓦，經濟可開發的為4.02億千瓦，現已裝機2億千瓦。在現有的基礎上，把已裝機組的運行加權平均效率再提高，把水電站水能資源利用率再提高，哪怕是百分之零點幾，也是驚人的數量，而且投資少、見效快，綠色環保。

2 水輪機運行和修復概況

水輪機投運后，經常發生通流部件的空蝕和泥沙磨損破壞，尤其是水頭高含沙量多的電站十分嚴重。如黃河干流的鹽鍋峽電站，4號機于1961年1月18日發電，到1963年4月24日第一次大修，間隔期為兩年三個月，共運行10626h，修復工期約為一個月，至1964年12月13日，又進行第二次大修，間隔期僅一年半，共運行9842.5h，修復工期一個半月，大修前通流部件磨蝕破壞嚴重，導葉立面和上下端面都出現較大間隙，以致機組開停都有困難。位于大渡河下游的龔嘴電站，裝7臺單機容量為100MW混流式水輪發電機組，首臺于1971年底投運。當時水輪機的轉輪、止漏環、導葉都采用20MnSi，底環為ZG35，頂蓋為12Mn，材料的抗磨性能較差，水輪機通流部件磨損破壞嚴重。大修前，轉輪上下止漏環間隙由設計的2～2.45mm擴大到10～15mm，導葉端面間隙由設計的0.32～0.85mm擴大到5～8mm，以及頂蓋，止漏環，轉輪葉片曾多次出現穿透性裂紋，多次造成提前大修。2003年機組由國內廠家和GE公司以技貿合作方式進行現代化改造，主要部件采用現代抗磨蝕性能好的材料，但改造后的擴修期僅為3年左右。

我國早期運行的水輪機，由于設計、制造水平，使用材質和運行工況等諸多原因，通流部件磨蝕破壞嚴重，大修周期短，常常由于威脅安全運行而導致非計劃性大修。20世紀80年代后，隨著設計制造水平的提高，耐磨蝕材料的進一步改善，對老機組的現代化改造后大修周期達到4～5年，水質好的可達到7～8年，但磨蝕破壞依然嚴重，大修前機組性能指標明顯降低。大修期短，大部件需返廠修復，停機時間長，損失大的問題有待解決。

3 關于大部件的現場加工及設備

作者一位朋友曾擔任美國Garrison， Glen Canyon和Mossyrock水電站修復改造現場監理工程師和咨詢工程師。據他介紹在美國和加拿大水電站水輪機大部件的修復及老機組的改造中，傳統要在工廠加工的大部件加工的項目，現在開始采用專用設備在現場完成。實踐證明，節省了工時，縮短了工期保證了加工精度，獲得了經濟效益。專用設備是一種組合式柔性設備，可隨機組大小任意組合，通用性強，該設備廠只提供服務不提供設備，這種新的服務方式在美國和加拿大受到歡迎而日益推廣。

3.1 加工設備

大型組合立車（Boring Machine），采用該設備可現場加工水輪機的基礎環、座環、抗磨板、固定止漏環等大型部件。該設備安裝在支座上，其支座由焊接在錐管或基礎環上的支板支撐。設備按機組中心找正，水平調整是通過其內環平面實現。內環平面的加工波浪度在0.001"（0.025mm）之內。平面的上方布置兩個傳感器，用來監視和調整立車的銑頭，控制加工刀具的跳動，保證加工的精度。更換不同尺寸的銑頭，可以加工平面，立面和斜面，并可拋光表面。

小型組合加工設備（Boring Bar），采用該設備可以在現場一次加工底環和頂蓋上導葉的三個軸承孔，也可以進行同鏜轉輪和主軸的聯軸銷螺栓孔，該設備采用液壓驅動。

3.2 現場加工實例

Carrison電站1號機（位于美國North Dukota，建于1950年，裝5臺單機100MW的混流式水輪發電機組）在修復改造前測量發現，座環上法蘭面水平度達0.182"（4.629mm）、基礎環上平面達0.250"（6.35mm）。Glea Canyon電站1號機（位于美國Arizona，建于20世紀60年代初，裝8臺單機容量150MW混流式水輪發電機組）在修復改造前測量，基礎環上平面不平度達0.156"（3.96mm）。Mossyrock電站（位于華盛頓州，裝2臺單機容量175mm混流式水輪發電機組，由瑞典NoHaB公司提供）拆掉導葉測量抗磨板水平度最大值達0.125"（3.45mm）。這些測量數據表明，水輪機的埋入部件經長年運行發生很大的傾斜和變形，在機組修復改造中如不處理難以保證修復后的優質運行。這些基礎埋入部件在現場加工比返廠修復將會獲得巨大的經濟利益。

3.3 加工工時

上述三個電站現場加工均采用兩班制，加工工時（包括輔助工時）統計如下：（1）基礎環上平面（3-5天）。（2）止漏環及配合面的加工（2-2.5天）。（3）上、下抗磨板更換及加工（6-10天）。（4）導葉軸套孔同鏜（4-6天）。（5）轉輪和主軸聯接孔同鏜（5-7天）。

4 水輪機制造廠隨機提供大件現場加工專用設備

綜上所述，水輪機的運行和修復現狀基本是由于某些部件磨蝕等破壞到危及機組安全運行。部件強度破壞或不能修復的程度才進行大修。大修前，機組的效率等能量指標明顯降低。大修時，機組要大解體，有的大部件要返廠加工，延長了修復工期，增加了損失。鑒于美國、加拿大近來某些水電站在水輪機修復改造中，放棄了大件到工廠加工的傳統做法，請加工商到現場利用專用設備加工獲得巨大經濟效益。針對具體加工對象（大件），量身設計現場加工專用設備。這樣，專用設備的固定支撐，定位導向、切削傳動等系統都能更好地結合水輪機結構特點，做到實用化、簡單化、專業化。比美國、加拿大的做法更科學有效。電站有了現場大修加工專用設備，大修變得簡便快捷。

5 結束語

制造廠隨機提供大件現場加工專用設備，可以縮短機組大修工期，增加電能生產，為用戶取得巨大經濟效益。更深層次意義影響了大修期的確定，改善了大修前機組運行狀態，有效利用水力資源。中國擁有巨額的川流不息的水利資源，其利用率在現有基礎上，再提高百分之零點幾，需要多部門參與，權威組織協調，作者謹以此文拋磚引玉。

參考文獻

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