随机提供水轮机大部件现场加工专用设备

郭大川

摘 要：文章介绍了水轮机运行和修复概况以及国外目前水轮机修复改造中大件现场加工的苗头，引入制造厂随水轮机供货的同时提供大件现场加工专用设备的理念。从而缩短修复工期，取得良好经济效益，更有助于进一步提高水力资源利用率，达到节能减排的目的。

关键词：水轮机；汽蚀；磨损；专用设备

1 概述

我国水轮机制造业为满足水电建设，特别是巨型电站的需要，与时俱进地提供了现代化的水轮机。水轮机模型效率提高到95%以上，达到了世界先进水平。展望未来，全球能源日趋紧张，环境问题日益严重，为了可持续发展，各国对可再生能源非常看重，除水力资源外，正在大力研发新兴的可再生能源，然而难度大、成本高。我国拥有技术可开发的水力资源为5.42亿千瓦，经济可开发的为4.02亿千瓦，现已装机2亿千瓦。在现有的基础上，把已装机组的运行加权平均效率再提高，把水电站水能资源利用率再提高，哪怕是百分之零点几，也是惊人的数量，而且投资少、见效快，绿色环保。

2 水轮机运行和修复概况

水轮机投运后，经常发生通流部件的空蚀和泥沙磨损破坏，尤其是水头高含沙量多的电站十分严重。如黄河干流的盐锅峡电站，4号机于1961年1月18日发电，到1963年4月24日第一次大修，间隔期为两年三个月，共运行10626h，修复工期约为一个月，至1964年12月13日，又进行第二次大修，间隔期仅一年半，共运行9842.5h，修复工期一个半月，大修前通流部件磨蚀破坏严重，导叶立面和上下端面都出现较大间隙，以致机组开停都有困难。位于大渡河下游的龚嘴电站，装7台单机容量为100MW混流式水轮发电机组，首台于1971年底投运。当时水轮机的转轮、止漏环、导叶都采用20MnSi，底环为ZG35，顶盖为12Mn，材料的抗磨性能较差，水轮机通流部件磨损破坏严重。大修前，转轮上下止漏环间隙由设计的2～2.45mm扩大到10～15mm，导叶端面间隙由设计的0.32～0.85mm扩大到5～8mm，以及顶盖，止漏环，转轮叶片曾多次出现穿透性裂纹，多次造成提前大修。2003年机组由国内厂家和GE公司以技贸合作方式进行现代化改造，主要部件采用现代抗磨蚀性能好的材料，但改造后的扩修期仅为3年左右。

我国早期运行的水轮机，由于设计、制造水平，使用材质和运行工况等诸多原因，通流部件磨蚀破坏严重，大修周期短，常常由于威胁安全运行而导致非计划性大修。20世纪80年代后，随着设计制造水平的提高，耐磨蚀材料的进一步改善，对老机组的现代化改造后大修周期达到4～5年，水质好的可达到7～8年，但磨蚀破坏依然严重，大修前机组性能指标明显降低。大修期短，大部件需返厂修复，停机时间长，损失大的问题有待解决。

3 关于大部件的现场加工及设备

作者一位朋友曾担任美国Garrison， Glen Canyon和Mossyrock水电站修复改造现场监理工程师和咨询工程师。据他介绍在美国和加拿大水电站水轮机大部件的修复及老机组的改造中，传统要在工厂加工的大部件加工的项目，现在开始采用专用设备在现场完成。实践证明，节省了工时，缩短了工期保证了加工精度，获得了经济效益。专用设备是一种组合式柔性设备，可随机组大小任意组合，通用性强，该设备厂只提供服务不提供设备，这种新的服务方式在美国和加拿大受到欢迎而日益推广。

3.1 加工设备

大型组合立车（Boring Machine），采用该设备可现场加工水轮机的基础环、座环、抗磨板、固定止漏环等大型部件。该设备安装在支座上，其支座由焊接在锥管或基础环上的支板支撑。设备按机组中心找正，水平调整是通过其内环平面实现。内环平面的加工波浪度在0.001"（0.025mm）之内。平面的上方布置两个传感器，用来监视和调整立车的铣头，控制加工刀具的跳动，保证加工的精度。更换不同尺寸的铣头，可以加工平面，立面和斜面，并可抛光表面。

小型组合加工设备（Boring Bar），采用该设备可以在现场一次加工底环和顶盖上导叶的三个轴承孔，也可以进行同镗转轮和主轴的联轴销螺栓孔，该设备采用液压驱动。

3.2 现场加工实例

Carrison电站1号机（位于美国North Dukota，建于1950年，装5台单机100MW的混流式水轮发电机组）在修复改造前测量发现，座环上法兰面水平度达0.182"（4.629mm）、基础环上平面达0.250"（6.35mm）。Glea Canyon电站1号机（位于美国Arizona，建于20世纪60年代初，装8台单机容量150MW混流式水轮发电机组）在修复改造前测量，基础环上平面不平度达0.156"（3.96mm）。Mossyrock电站（位于华盛顿州，装2台单机容量175mm混流式水轮发电机组，由瑞典NoHaB公司提供）拆掉导叶测量抗磨板水平度最大值达0.125"（3.45mm）。这些测量数据表明，水轮机的埋入部件经长年运行发生很大的倾斜和变形，在机组修复改造中如不处理难以保证修复后的优质运行。这些基础埋入部件在现场加工比返厂修复将会获得巨大的经济利益。

3.3 加工工时

上述三个电站现场加工均采用两班制，加工工时（包括辅助工时）统计如下：（1）基础环上平面（3-5天）。（2）止漏环及配合面的加工（2-2.5天）。（3）上、下抗磨板更换及加工（6-10天）。（4）导叶轴套孔同镗（4-6天）。（5）转轮和主轴联接孔同镗（5-7天）。

4 水轮机制造厂随机提供大件现场加工专用设备

综上所述，水轮机的运行和修复现状基本是由于某些部件磨蚀等破坏到危及机组安全运行。部件强度破坏或不能修复的程度才进行大修。大修前，机组的效率等能量指标明显降低。大修时，机组要大解体，有的大部件要返厂加工，延长了修复工期，增加了损失。鉴于美国、加拿大近来某些水电站在水轮机修复改造中，放弃了大件到工厂加工的传统做法，请加工商到现场利用专用设备加工获得巨大经济效益。针对具体加工对象（大件），量身设计现场加工专用设备。这样，专用设备的固定支撑，定位导向、切削传动等系统都能更好地结合水轮机结构特点，做到实用化、简单化、专业化。比美国、加拿大的做法更科学有效。电站有了现场大修加工专用设备，大修变得简便快捷。

5 结束语

制造厂随机提供大件现场加工专用设备，可以缩短机组大修工期，增加电能生产，为用户取得巨大经济效益。更深层次意义影响了大修期的确定，改善了大修前机组运行状态，有效利用水力资源。中国拥有巨额的川流不息的水利资源，其利用率在现有基础上，再提高百分之零点几，需要多部门参与，权威组织协调，作者谨以此文抛砖引玉。

参考文献

[1]王立言.锅峡水电厂投运初期水轮机存在问题情况调查[M].中国水利水电出版社，2008.

[2]侯远航，等.龚嘴水电厂2号水轮机基础环及尾水管改[M].中国水利水电出版社，2008.

[3]沈菊英.我国高水头混流式水轮发电机组的发展[C].建国四十周年水电设备成就学术讨论会，1989.

[4]姚启鹏.刘家峡水电厂2号水轮机导叶和抗磨板磨蚀现场分析[M].中国水利水电出版社，2008.