大岗山水电站水轮机设备顶盖及圆筒阀预装、安装工艺优化

谢守斌

【摘要】本文主要介绍对设计有圆筒阀（或称为筒阀）的水轮机导水机构在预装、安装工作中，以确保不降低设备安装质量标准为前提，通过施工流程的优化及采取必要措施，确保最终达到缩短施工工期、降低施工安全风险的目的。

【关键词】水轮机；顶盖；圆筒阀；工艺；优化

一、概况

1、工程及设备概述

四川大渡河大岗山水电站为地下厂房发电工程，电站左岸山体内共安装4台单机额定容量650MW的立轴混流式水轮发电机组，总装机容量2600MW，单机容量为大渡河流域各梯级电站之最。

电站水轮机设备由上海福伊特水电设备有限公司（简称VOITH）提供，本文主要涉及的相关设备是水轮机设备中的顶盖和圆筒阀，其中顶盖分4瓣到货，组装后总重约230t、最大外径φ10150mm、最高尺寸2177.5mm；圆筒阀分2瓣到货，组装后总重约77t、最大外径φ9327.6mm、高1825mm。

2、顶盖、筒阀工作原理简介

上述图1、图2分别为顶盖与圆筒阀示意图，如图中所示：圆筒阀的接力器安装于顶盖之上，圆筒阀接力器活塞杆与圆筒阀通过超级螺母连接固定，接力器活塞杆的上下动作即可带动圆筒阀做升降启闭动作。当圆筒阀开启时，圆筒阀存放于顶盖外侧的圆筒阀储存仓内，关闭后则位于固定导叶与活动导叶之间，起到机组在紧急事故停机时快速切断流道的目的。如图3所示：

圆筒阀的动作仅为上下升降的起闭动作，升降动力由圆筒阀接力器提供，升降动作的准确性、稳定性靠6个筒阀接力器动作的一致性，以及筒阀周圈的导向条与固定导叶导轨的间隙偏差控制，一台套筒阀周圈共布置12根导向条，导轨与导向条设计间隙为1.2毫米。筒阀参与导水机构预装，一方面是为了检查筒阀接力器动作的稳定性，另一方面是为在预装时测量筒阀本体导向槽与固定导叶导轨之间的实际间隙，以便进行导向条的配刨加工。当配刨后的导向条使用沉头螺钉固定于筒阀阀体上以后，筒阀导向条与固定导叶导轨的间隙应满足1.2（-0.2mm～0mm）毫米的偏差要求。

3、方案优化原因

按照原厂家安装说明要求和原施工方案，导水机构预装、安装期间，顶盖、圆筒阀共需吊入机坑3次，吊出机坑2次，且该方案已在4#、3#（前两台）机组安装工作中实施。但按照大岗山主要机电设备施工方案和逻辑关系安排，2#、1#机定子将在机坑内组装、叠片、试验，定子组装施工、试验完成前，水轮机设备将无设备吊装就位通道，故水轮机设备预装、安装工期相对4#、3#机组发生重大改变，水轮机设备开始导水机构预装至发电机轴吊入机坑安装的相对施工工期从170天锐减至110天。介于上述原因，顶盖、筒阀组装方案的优化即成为最重要的可优化施工项目之一。

二、顶盖与筒阀优化方案对比

1、方案流程

（1）原方案流程

顶盖、筒阀原施工方案和流程如下：顶盖单独吊入机坑（第1次吊入）预装，预装完成后在顶盖上进行圆筒阀接力器支座预装和圆筒阀接力器预装→顶盖吊出机坑（第1次吊出）与圆筒阀连接→顶盖、圆筒阀整体吊入机坑（第2次吊入）进行圆筒阀预装（测量导向槽与导轨间隙）→顶盖、圆筒阀整体吊出机坑（第2次吊出），同时按照测量间隙配刨圆筒阀导向条→圆筒阀导向条安装→顶盖、圆筒阀整体吊入机坑（第3次吊入）安装。

（2）优化方案流程

顶盖、圆筒阀预装、安装优化方案流程如下：当顶盖在安装间组装完成后，将顶盖水平调平（确保水平偏差与座环上法兰面加工后的水平偏差一致，表面水平偏差≤0.15毫米）→圆筒阀接力器支座预装、圆筒阀接力器预装→顶盖与圆筒阀（安装间）连接→顶盖、圆筒阀整体吊入机坑（第1次吊入）预装（吊入机坑后，先进行顶盖预装、定位，再进行圆筒阀预装）→顶盖、圆筒阀整体吊出机坑（第1次吊出），同时按照测量间隙配刨圆筒阀导向条→圆筒阀导向条安装→顶盖、圆筒阀整体吊入机坑（第2次吊入）安装。上述施工流程可详见工艺流程图。

2、方案流程图对比

3、顶盖与圆筒阀施工工序优化核心

本次方案优化主要通过圆筒阀接力器预装工序的改变，以期达到优化导水机构预装工期，缓解紧张施工工期、降低大件吊装安全风险的目的。即将原方案中顶盖第一次吊入机坑预装合格后，再在机坑内占用直线工期进行圆筒阀接力器预装的工序，优化至在顶盖吊入机坑预装前（不占用在机坑内施工的直线工期），在安装间进行圆筒阀接力器预装。

4、顶盖与圆筒阀施工工序优化原因概述

（1）主机设备安装工期压力

根据原施工工序，在导水机构预装、安装期间，顶盖、圆筒阀共需吊入机坑3次，吊出机坑2次，从导水机构预装开始至发电机轴吊入机坑安装工期约有170天。但由于后续2#、1#机定子将在机坑内组装施工，将阻断水轮机设备进入机坑的全部通道，导水机构预装必须待定子施工平台拆除完成后方可进行，其有效施工工期将从170天锐减至110天，施工工期压力艰巨。

（2）安全风险

导水机构预装、安装期间，发电机正进行定子线棒嵌装，定子下线防护棚高于发电机层地面2米，故顶盖、圆筒阀吊装时，需使用单台桥机的2组大钩抬吊，方可顺利跨越；但当顶盖吊装时，活动导叶又需穿过顶盖上的轴孔，两组大钩抬吊则不利于顶盖在吊装就位时的旋转，吊装角度与就位角度稍有偏差则无法确保一次性穿过活动導叶而吊装就位，所以每次吊入、吊出机坑均需要利用钢支墩在机坑内进行一次桥机大钩单钩和双钩吊装的更换，方可吊装就位；再加之顶盖与圆筒阀组装后总达307吨的重大件吊装安全风险，若吊装次数越多，安全风险也就越大。

（3）其它电站施工经验

通过对近年来设计有圆筒阀装置且已建成电站的调研，有部分电站也已有实施上述优化方案的成功先例，其成功经验可供参考和借鉴。

（4）结论

通过上述3项主要原因分析，我部拟将顶盖与圆筒阀施工工序优化为顶盖2次吊入机坑，1次吊出机坑。

三、优化方案技术说明

1、技术难点

对于圆筒阀的预装和安装，关键技术难点和重点主要是通过圆筒阀接力器基座水平调整来确保圆筒阀接力器活塞杆的垂直度（0.10mm/m）。

原方案主要通过顶盖在机坑内预装合格、定位销钉孔钻铰完成后，在永久安装状态下（座环上法兰面水平现场机加工后要求小于0.15mm）进行圆筒阀接力器基座的水平调整（0.05mm/m），并依靠其水平确保圆筒阀接力器活塞杆操作的垂直。

工艺优化后，顶盖将在安装间调整水平（按照顶盖安装就位后的极限偏差进行调整，即按照座环上法兰面现场机加工后水平，小于0.15mm），再进行圆筒阀接力器基座水平的调整；优化方案中顶盖水平的测量误差、顶盖在安装间钢支墩上的弹性变形情况等将与顶盖在机坑内存在偏差，按照该方案执行后是否可满足筒阀接力器基座和筒阀接力器活塞杆的质量要求，即为此项优化的技术难点。

2、技术难点分析及解决方案

座环上法兰面为工地现场机加工，加工水平<0.15mm，加工面直径φ10150mm，若考虑顶盖与座环的把合面水平忽略不计，故当顶盖吊入机坑与座环把合后，其顶盖水平度应为0.015mm/m（0.15mm÷10.15m）以内。

另根据已施工机组4#、3#机施工经验，圆筒阀接力器基座在機坑内安装时，基座上平面（筒阀接力器把和面）水平≤0.05mm/m，圆筒阀接力器安装后即可满足接力器活塞杆≤0.1mm/m的垂直度要求。

按照顶盖外径与顶盖水平偏差的关系分析其对圆筒阀接力器基座水平的影响，顶盖在机坑内和安装间两种不同的工况下，其顶盖水平变化可能出现的极限偏差应<0.15mm，两种工况下圆筒阀接力器基座的水平极限偏差a应符合如下计算：

a/500=0.15/10150

a=0.007mm

式中：a为当顶盖水平出现极限偏差时圆筒阀接力器基座的极限水平偏差；

500为圆筒阀接力器基座上平面最大外径φ500mm；

0.15为顶盖水平可能出现的极限偏差0.15mm；

10150为顶盖最大外径φ10150mm。

通过上述计算可知：当顶盖在安装间调整水平后的工况与顶盖在机坑内的工况不同时，只要其倾斜方向相同（避免出现两种工况下的正、负极限偏差，正负极限偏差将导致两种工况下的水平极限偏差为0.3mm），即使出现极限偏差0.15mm的情况，其对圆筒阀接力器基座的水平影响仅为0.007mm/m。

因此，在安装间进行顶盖调平时，首先应确保顶盖与座环上法兰面加工后的水平倾斜方向相同，拟使用水平仪加测微头测量顶盖与座环把和面的4个方位水平，并与座环加工验收数据对比，从而最大可能的消除顶盖在两种不同工况下的水平误差；并在此基础上，尽量将顶盖在安装间的水平调整至与座环上法兰面加工后的水平偏差一致。

另按照顶盖在两种工况下存在最大0.15mm极限水平偏差，将会导致筒阀接力器基座出现0.007mm/m水平偏差的分析结论考虑，当在安装间进行接力器基座水平调整时，应提高基座水平的偏差要求，控制其水平偏差在0.04mm/m以内，即可完全消除顶盖水平对圆筒阀接力器活塞杆垂直度的影响，从而满足最终安装要求；另在圆筒阀接力器基座水平调整时，若尽量调整其水平偏差方向与座环上法兰面水平偏差方向保持一致，即可最大限度的消除顶盖在安装间和机坑内两种不同工况下水平偏差引起的圆筒阀接力器垂直度偏差。

3、圆筒阀接力器垂直度超标补救措施

按照优化方案，圆筒阀与顶盖组合后第一次吊入机坑预装时，将先进行顶盖预装，后进行圆筒阀预装（进行圆筒阀接力器动作试验）。若在筒阀动作试验时，发现因顶盖在安装间和机坑内不同工况误差而引起圆筒阀接力器垂直度超标，导致圆筒阀试验不合格。拟采取措施予以补救：

首先计划在后续2#、1#机组导水机构预装中，将活动导叶预装数量从原方案的20只调整为18只，6只与圆筒阀超级螺母（用于筒阀接力器活塞杆与圆筒阀连接）对应的活动导叶不参与预装，为后续可能需要采取补救措施做好准备。

当需要采取补救措施时，按照圆筒阀接力器的分布位置，对称均匀的在底环上放置六个500mm高钢支墩并调平，将圆筒阀下落至钢支墩水平面上后，拆除圆筒阀超级螺母，吊出圆筒阀接力器，复测圆筒阀接力器基座水平是否满足0.05mm/m的要求，如超出要求范围，重新打磨基座水平至0.05mm/m以内，打磨好后回装圆筒阀接力器、连接超级螺母、提起圆筒阀、拆除支墩，并重新进行圆筒阀动作试验，直至合格为止。

即使出现上述情况需要采取补救措施，其施工关键流程即已与原方案相同，但同样也达到了减少了顶盖、筒阀整体吊入、吊出机坑的次数、缩短直线工期、降低安全风险的目的。

四、效果与结论

通过大岗山水电站2#、1#机组导水机构预装、安装实践证明，顶盖在安装间调平后进行圆筒阀接力器基座和接力器安装，其最终圆筒阀接力器垂直度，以及圆筒阀升降动作结果完全满足质量验收要求，无需采用补救措施。在确保不降低施工质量标准的前提下，最终实现了缩短关键线路工期、降低施工安全风险的目的，为后续同类机组施工提供了成熟、宝贵的经验。