劉貴仁，張永會，喬 木，欒春林，胡海平

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白山發(fā)電廠5號機組的水輪機改造

劉貴仁，張永會，喬 木，欒春林，胡海平

（國網(wǎng)新源白山發(fā)電廠，吉林樺甸132400）

白山發(fā)電廠5號機組運行多年后，設(shè)備老化嚴(yán)重，為保證安全運行，需對其進行改造。在改造前通過水輪機模型試驗、強度計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等多項手段進行了充分的論證以保證改后效果。本文對5號機組的水輪機的改造系統(tǒng)地進行了闡述，并進行了改造前后的穩(wěn)定性試驗，進行改造結(jié)果的比較論證，試驗結(jié)果說明改造后水輪機的水力穩(wěn)定性較改造之前優(yōu)良，也說明水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度設(shè)計的方案的正確。本文對混流式機組的改造提供了可借鑒的經(jīng)驗。

混流式機組改造；水輪機；穩(wěn)定性試驗；水力設(shè)計；強度計算；結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 前言

白山發(fā)電廠位于吉林省樺甸市境內(nèi)的第二松花江上游，由“一廠、兩壩、四站”組成，以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、養(yǎng)殖、航運等綜合效能，主要承擔(dān)著東北電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用的作用。白山發(fā)電廠白山電站安裝有五臺單機容量300MW混流式水輪發(fā)電機組，該機組為國內(nèi)完全自行設(shè)計、制造及安裝的機組，設(shè)計制造單位哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司。白山發(fā)電廠的機組運行多年，其中白山二期電站5號機組早在1991年12月即已投產(chǎn)發(fā)電，至今已運行22年。在改造前，機組老化問題已經(jīng)較為嚴(yán)重，存在多方面的隱患，影響著電站的安全穩(wěn)定運行，對故障進行處理過程中，多次頻繁對整個機組進行吊裝，也嚴(yán)重影響著電站的經(jīng)濟運行，所以急需對機組進行改造，以期保證電廠的安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟效益。

1 水輪機的改造

根據(jù)統(tǒng)計，白山機組運行20余年間，起機和停機次數(shù)較為頻繁，并且在低負(fù)荷的工況運行時間較長，這對單調(diào)節(jié)式的混流式水輪機而言，由于水力流態(tài)的不佳，會對轉(zhuǎn)輪及機組的其它部件造成一定程度的損害。改造前，機組轉(zhuǎn)輪存在不同程度的裂紋問題，并且存在導(dǎo)葉漏水量大，轉(zhuǎn)輪空蝕嚴(yán)重，頂蓋出現(xiàn)開焊等突出問題。在改造前進行了多輪的論證之后，基于工程現(xiàn)實，在保留現(xiàn)有包括蝸殼、尾水管、固定導(dǎo)葉等過流部件的水輪機流道的基礎(chǔ)上和保證安裝高程不變的前提下，確認(rèn)主要需要對水輪機轉(zhuǎn)輪、頂蓋、底環(huán)、固定止漏環(huán)、活動導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉傳動機構(gòu)、導(dǎo)葉接力器、主軸和主軸密封等進行更換，改造補氣系統(tǒng)，增加中心孔補氣裝置。

隨著技術(shù)的進步，以今天視角來看，當(dāng)時的設(shè)計、材料、工藝等多方面還有較大的提升空間。通過應(yīng)用目前最新的設(shè)計技術(shù)、制造工藝、材料技術(shù)對5號機組的水輪機進行改造后，以期提高水輪機效率，重點改善機組的空蝕性能，尤其改善機組的水力穩(wěn)定性，減少水輪機壓力脈動與振動值，增強抗裂紋能力。同時，減小機組的漏水量，避免頂蓋出現(xiàn)開焊等問題，改善機組的振動和擺度，降低機組運行噪聲，延長機組檢修周期。

1.1 水輪機轉(zhuǎn)輪的改造

白山電站使用的轉(zhuǎn)輪型號為HL200型轉(zhuǎn)輪，為我國使用較早的轉(zhuǎn)輪，在多年的運行過程中，空化的面積和深度在逐年擴大，在轉(zhuǎn)輪進口靠近上冠的位置，葉片的壓力面和負(fù)壓側(cè)存在不同程度的裂紋。這些問題縮短了機組的檢修周期，導(dǎo)致機組不能正常安全運行，也是機組的穩(wěn)定運行的隱患，圖1為改造前轉(zhuǎn)輪的裂紋情況。產(chǎn)生上述問題原因是多方面的，首先機組在振動擺度超標(biāo)負(fù)荷區(qū)長時間運行，造成轉(zhuǎn)輪葉片疲勞破壞產(chǎn)生裂紋；其次從當(dāng)初的水力設(shè)計上來看，轉(zhuǎn)輪上冠過高，下環(huán)錐角過大，葉片翼型不合理，在易發(fā)生空化的葉片背面靠進出水邊處，壓力負(fù)荷分布不合理；從制造材料來看，轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為ZG20MnSi抗空化性能差。

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片出水邊空化

圖2 轉(zhuǎn)輪葉片裂紋

轉(zhuǎn)輪是水輪機的核心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪的效率、空化和壓力脈動對機組水輪機的出力、檢修周期和水力穩(wěn)定性具有絕對性的影響，轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計需要結(jié)合電站實際運行的水力參數(shù)，開發(fā)穩(wěn)定性、能量指標(biāo)、空化性能均佳的轉(zhuǎn)輪。白山轉(zhuǎn)輪改造前后的水頭、額定出力參數(shù)沒有改變，最高水頭為126m，額定水頭為112m，最小水頭為81m。新設(shè)計的轉(zhuǎn)輪直徑為5800mm，原有轉(zhuǎn)輪的直徑為5500mm。新設(shè)計的轉(zhuǎn)輪經(jīng)過模型試驗換算至真機最高效率為95.5%，比原水輪機效率的92.5%高出3%。在試驗中，在額定點轉(zhuǎn)輪的臨界空化系數(shù)達到0.06，具有較優(yōu)的抗空化能力。作為在轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計中需要著重關(guān)注的壓力脈動要求的性能見表1，其中為相應(yīng)的運行水頭，為水輪機出力。在模型試驗中，試驗結(jié)果滿足要求。設(shè)計的轉(zhuǎn)輪在本水頭段的轉(zhuǎn)輪中屬性能較優(yōu)的轉(zhuǎn)輪，在水力性能上可以保證水輪機安全穩(wěn)定地運行。

表1 原型水輪機尾水管壓力脈動限制值

表2 原型水輪機轉(zhuǎn)輪前導(dǎo)葉后壓力脈動限制值

在制造中，水輪機轉(zhuǎn)輪采用不銹鋼鑄焊結(jié)構(gòu)。葉片、上冠、下環(huán)均采用VOD精煉的ZG04Cr13Ni5Mo不銹鋼鑄件，具有良好的可焊性。轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)采用VOD精煉鑄造制成，轉(zhuǎn)輪葉片采用鞍鋼VOD精煉鑄造成型、五軸數(shù)控精加工制成，上冠、下環(huán)與葉片在制造廠內(nèi)組焊成整體轉(zhuǎn)輪。轉(zhuǎn)輪泄水錐采用與轉(zhuǎn)輪相同的不銹鋼制造，泄水錐在制造廠內(nèi)采用焊接的方式連接到轉(zhuǎn)輪上冠。

1.2 機組水輪機頂蓋的改造

在改造前的多年運行中，5號機組水輪機的頂蓋上層鋼板的焊縫存在開裂竄水情況，原有水輪機頂蓋設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，下層為40mm厚的鋼板，上層鋼板厚度為20mm，中間為減壓腔，通過下層鋼板延圓周方向的開孔與轉(zhuǎn)輪上腔相連。在改造設(shè)計過程中，通過對原頂蓋進行有限元分析計算，以探究焊縫開裂根本原因。發(fā)現(xiàn)頂蓋在正常運行工況下平均應(yīng)力可以滿足材料性能要求，但局部應(yīng)力過高，導(dǎo)致局部焊縫運行一段時間，受疲勞影響出現(xiàn)開裂。若排水不及時，容易造成事故擴大，存在安全隱患。從總體結(jié)構(gòu)來看，頂蓋的上、下面板以及筋板厚度偏薄，導(dǎo)致頂蓋的軸向剛度較弱，在導(dǎo)葉軸孔處的軸向變形為0.737mm，對此進行改造，也是減小導(dǎo)葉漏水量的一個重要環(huán)節(jié)。

為此，在改造的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計中，改進了原有的不足，采用箱型中法蘭鋼板焊接結(jié)構(gòu)，頂蓋分為2瓣，分瓣面精加工，配有定位銷，并設(shè)有密封裝置，具有足夠的強度和剛度，可安全可靠地承受所有作用在它上面的力，不會產(chǎn)生過大的振動力和變形，并且頂蓋利用原有的調(diào)相進氣管改為減壓排水管以減輕軸向水推力。在設(shè)計中，頂蓋的軸向固有頻率有效避開由轉(zhuǎn)頻與葉片個數(shù)的乘積產(chǎn)生的激振頻率[1-2]，不會產(chǎn)生機組共振現(xiàn)象。

1.3 水輪機活動導(dǎo)葉及導(dǎo)葉拐臂的改造

白山電站機組水輪機導(dǎo)葉當(dāng)年采用ZG30鑄鋼制造，與當(dāng)今的材料相比，材料本身抗空化能力低，型線偏差大，加工精度低。另外多年運行中，導(dǎo)葉上軸承間隙變大，導(dǎo)葉關(guān)閉時容易造成導(dǎo)葉軸頸傾斜和變形，而且導(dǎo)水機構(gòu)老化嚴(yán)重，導(dǎo)葉軸線發(fā)生嚴(yán)重變形和扭曲，在改造前白山電站機組實測漏水量1.3～1.9m3/s，這些缺陷利用一般的大修手段是難以修復(fù)的。此外，導(dǎo)葉拐臂結(jié)構(gòu)型式已經(jīng)落后，拆裝困難。

在改造的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計中，通過對原導(dǎo)葉進行有限元分析計算[3]，發(fā)現(xiàn)活動導(dǎo)葉的最大應(yīng)力滿足強度要求，最大應(yīng)力位置均出現(xiàn)在導(dǎo)葉瓣體與中間樞軸相交處?；顒訉?dǎo)葉在靜水關(guān)閉工況和升壓工況下的最大綜合變形分別為5.899mm和7.624mm，變形相對較大，主要為扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)葉關(guān)閉時容易造成較大的漏水量。導(dǎo)葉變形較大會引起導(dǎo)葉立面間隙較大，產(chǎn)生大的導(dǎo)葉漏水量。

在水力設(shè)計上，導(dǎo)葉從全開到接近空載位置范圍內(nèi)具有水力矩自關(guān)閉特性[4]。在強度方面，對中導(dǎo)葉間樞軸和下樞軸（包括軸肩）適當(dāng)加粗，減小導(dǎo)葉扭轉(zhuǎn)變形。采用新型導(dǎo)葉密封結(jié)構(gòu)，有效消除因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的漏水量。此外在設(shè)計中，考慮到了機組的穩(wěn)定性問題，活動導(dǎo)葉在水中的固有頻率避開了轉(zhuǎn)頻與葉片個數(shù)的乘積和卡門渦頻率。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，導(dǎo)葉立面密封采用金屬密封，并采用斜面密封，通過導(dǎo)葉接力器壓緊行程的調(diào)整，減小導(dǎo)葉立面間隙的漏水量。導(dǎo)葉軸與導(dǎo)葉體的過渡區(qū)可最大程度地減小應(yīng)力集中。導(dǎo)葉采用3支點軸承支承結(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉上部設(shè)有止推軸承，防止導(dǎo)葉上浮。導(dǎo)葉推力軸承和附件能微量調(diào)整導(dǎo)葉的軸向位置，防止由于水力或機械力的作用，引起導(dǎo)葉與抗磨板之間的擠壓。導(dǎo)葉軸穿過頂蓋處的軸承套上將設(shè)置活動導(dǎo)葉軸密封。導(dǎo)葉立面間隙的調(diào)整，可以采用偏心銷的調(diào)整方法，操作簡單，維護的工作量小，導(dǎo)葉臂與導(dǎo)葉的傳遞力矩，可以采用銷套結(jié)構(gòu)，操作安全可靠。導(dǎo)葉開口按最大開口的105%進行設(shè)計，每個導(dǎo)葉臂上設(shè)有全開、全關(guān)限位塊。限位塊具有足夠的強度，能夠承受施加到導(dǎo)葉限位塊上的最大水力矩和沖擊力。當(dāng)剪斷銷斷后，通過限位塊使導(dǎo)葉不會碰到轉(zhuǎn)輪及相鄰導(dǎo)葉上。限位塊焊在頂蓋上，限位塊上鑲有減震墊。此外，連接板與導(dǎo)葉臂之間設(shè)有摩擦裝置，摩擦裝置為銅套夾緊式，摩擦裝置產(chǎn)生的磨擦力矩大于導(dǎo)葉水力矩，它的作用是當(dāng)剪斷銷破斷后，導(dǎo)葉在水流中不來回擺動，不會影響其他導(dǎo)葉的關(guān)閉。在加工制造中導(dǎo)葉采用抗空化和磨損的ZG06Cr13Ni4Mo材料整鑄而成。

1.4 水輪機接力器的改造

在改造前對機組進行導(dǎo)水機構(gòu)力特性試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機組在達到接近額定水頭的110m左右，出力達到185MW左右至270MW左右部分負(fù)荷時，調(diào)速器調(diào)節(jié)活動導(dǎo)葉較難通過此區(qū)域。根據(jù)多項模型導(dǎo)葉水力矩試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，混流式水輪機的導(dǎo)葉水力矩的峰值一般出現(xiàn)在部分負(fù)荷區(qū)域[5]。為解決此問題，需將現(xiàn)有的接力器的最低整定值從3.85MPa升至4.2MPa，為此對接力器進行改造，增大接力器的直徑。滿足在不超過額定油壓的條件下，能對導(dǎo)葉安全平穩(wěn)操作。并更換新型活塞環(huán)密封，活塞環(huán)的材料使用PTFE材料，減少接力器腔的竄油量。

1.5 水輪機主軸及主軸密封的改造

改造前的論證過程中，對主軸進行計算復(fù)核，主軸的最大復(fù)合應(yīng)力為85MPa，根據(jù)當(dāng)今實行的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15468-2006中4.2.2.9要求，主軸的最大復(fù)合應(yīng)力不超過材料屈服極限的1/4。白山電站的水輪機主軸1/4屈服極限為63.8MPa，超出標(biāo)準(zhǔn)值33%；根據(jù)上述國家標(biāo)準(zhǔn)主軸的最大復(fù)合應(yīng)力（計入應(yīng)力集中系數(shù)）不超過材料屈服極限的2/5，白山電站水輪機主軸2/5屈服極限為102MPa，白山二期電站5號機組水輪機主軸最大復(fù)合應(yīng)力max（計入應(yīng)力集中系數(shù)）為163MPa，按照現(xiàn)在的國家標(biāo)準(zhǔn)來看，超出標(biāo)準(zhǔn)值59%。同時，現(xiàn)水輪機主軸無水導(dǎo)軸領(lǐng)，改造后水導(dǎo)軸承改為油潤滑分塊瓦式結(jié)構(gòu)，需對現(xiàn)主軸進行改造。

水輪機主軸整體更換，應(yīng)用經(jīng)熱處理的20SiMn合金鋼鍛制。水輪機的主軸采用中空結(jié)構(gòu)，水輪機軸與轉(zhuǎn)輪連接采用法蘭螺栓聯(lián)接方式，摩擦傳遞扭力矩，螺栓不受剪力，保證了轉(zhuǎn)輪具有互換性[6]。螺桿的預(yù)緊采用液壓拉伸器拉緊，聯(lián)軸螺桿的材料為高強度合金鍛鋼，全新設(shè)計加工的主軸具有足夠的強度及剛度，可以保證在任何轉(zhuǎn)速直至最大飛逸轉(zhuǎn)速都能安全運轉(zhuǎn)而沒有有害的振動和變形[7]。主軸密封采用恒壓軸向自補償端面密封，此種密封結(jié)構(gòu)可靠，具有自補償能力[8]，機組停機和檢修主軸工作密封時，為防止水溢出頂蓋上，在工作密封下方設(shè)置了充氣圍帶檢修密封，檢修密封采用壓縮空氣膨脹式橡膠密封。

1.6 導(dǎo)軸承的改造

導(dǎo)軸承進行全新設(shè)計，采用分塊瓦軸承[9-10]，其優(yōu)點是維護方便，軸瓦間隙可調(diào)整。水輪機導(dǎo)軸承采用斜楔調(diào)整稀油潤滑、具有巴氏合金表面的分塊瓦軸承，具有堅固、耐用，加工和調(diào)整方便，而且軸承間隙調(diào)好后，能保持穩(wěn)定不松動。導(dǎo)軸承允許轉(zhuǎn)輪和主軸的軸向移動，以滿足拆卸和調(diào)整發(fā)電機推力軸承或清掃主軸連接法蘭止口的需要。

導(dǎo)軸承通過采用內(nèi)循環(huán)冷卻器冷卻[11]，給工作密封的檢修留有足夠的位置，能在不拆卸導(dǎo)軸承的情況下檢修工作密封。軸承設(shè)置一個完整的獨立的油潤滑系統(tǒng)。潤滑油能在主軸旋轉(zhuǎn)的作用下通過軸領(lǐng)和軸瓦進行自循環(huán)，油箱具有足夠大的容量以滿足軸承潤滑系統(tǒng)需要，油箱的布置使軸領(lǐng)和軸瓦至少50％總高度浸入靜止的油中。導(dǎo)軸承的冷卻器的布置為內(nèi)置式；水導(dǎo)軸承冷卻器設(shè)置在油槽內(nèi)，有足夠的冷卻容量。

軸承體具有足夠的剛度和強度[12]，能承受機組在任何可能發(fā)生的工況下的最大徑向力，并將負(fù)荷傳至水輪機頂蓋上。

2 改造后的穩(wěn)定性試驗

在水電站現(xiàn)場進行的水輪機真機試驗是分析壓力脈動最直接有效的方法[13-14]，通過相關(guān)參數(shù)的分析，可以總結(jié)出真機運行中的一些規(guī)律性問題，從而找到改善或者抑制壓力脈動產(chǎn)生的方法[15]。

在改造完成的前后，分別進行了機組的穩(wěn)定性試驗，通過實際的運行數(shù)據(jù)比較對改造的結(jié)果進行考核。改造前試驗的毛水頭為110.52m，改造后試驗的毛水頭為116m，以上導(dǎo)、法蘭和下導(dǎo)X方向的擺度試驗結(jié)果為例進行比較，如圖3所示，可以看出，全部出力范圍內(nèi)，經(jīng)過改造后各個測點的擺度大大降低，這可以說明改造后水輪機的水力穩(wěn)定性較改造之前優(yōu)良，另外，也說明結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度設(shè)計的方案的正確。

3 結(jié)論

從改造前后的穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)充分說明了改造的方案的技術(shù)的正確，從而保證了改造后的機組能夠經(jīng)濟、安全、穩(wěn)定運行。此次改造也為同類型的混流式機組的改造提供了參考和借鑒。

[1] 李鶴, 王天任, 韓萍, 聞邦椿. 考慮流體影響的水輪機葉輪固有頻率[J]. 東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016(9): 1275-1277.

[2] Kubota Y Ohashi H． A study on the natural frequencies of hydraulic pumps[J]. Computers ＆ Fluids, 1991, 13(10): 589 -593.

[3] 鄭小波. 水輪機過流部件的優(yōu)化設(shè)計和振動特性分析[D]. 西安：西安理工大學(xué)博士論文. 2006, 24-41.

[4] 邵國輝, 趙越. 混流式模型水輪機導(dǎo)葉水力矩試驗[J]. 水利水電科技進展, 2014(2)：22-26.

[5] 紀(jì)興英, 劉勝柱. 混流式水輪機導(dǎo)葉水力矩計算[J]. 大電機技術(shù), 2008(03): 38-41.

[6] 蘇建立, 孫建平, 翟建平, 鄭麗媛. 基于轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的水輪機主軸分析計算[J]. 湖北水力發(fā)電, 2005(2): 8.

[7] 王海, 李啟章, 鄭麗媛. 水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子動平衡方法及應(yīng)用研究[J]. 大電機技術(shù), 2002(2): 12- 16.

[8] 翟建平, 廖煥華. 水輪機主軸密封漏水的故障分析及處理[J]. 潤滑與密封, 2011,36(12): 104-107.

[9] 朱宏, 聶治學(xué), 吳封奎, 官鵬. 巨型混流式水輪機導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)特點及運行安全可靠分析[J]. 水力發(fā)電-機電與金屬結(jié)構(gòu), 2015, 41(10)：42-47.

[10] 孟令元.立式水輪機分塊瓦導(dǎo)軸承潤滑機構(gòu)的試驗研究.[J]大電機技術(shù)：1982（2）：46-52.

[11] 何少潤. 高轉(zhuǎn)速蓄能機組水導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)的改造[J]. 水電站機電技術(shù), 2010,33（5）：1-3.

[12] 劉鐵鑫, 張偉, 張麗霞. 水電機組結(jié)構(gòu)壽命評價預(yù)測軟件研究[C]. 全國水電廠技術(shù)改造學(xué)習(xí)交流研討會文集. 2007.

[13] 韋彩新, 韓鳳琴, 陳貞石. 水輪機轉(zhuǎn)輪不同泄水錐的特性研究[J]. 大電機技術(shù), 2001(1): 36-39.

[14] 鄭源, 陳德新. 水輪機[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2011:163-165.

[15] Ruprscht M. Heitele T. Helmrich etc. Numerical simulation of a complete Francis tubine including unsteady rotor/stator interactions[C]. IAHR Symposium 2000,Charlotte.

The Rehabilitation of No.5 Turbine for the Baishan Power Plant

LIU Guiren, ZHANG Yonghui, QIAO Mu, LUAN Chunlin, HU Haiping

(State Grid Xinyuan Baishan Power Plant, Huadian 132400, China)

The No.5 unit should be rehabilitated because of the aging components after the operation for many years. The research are conducted to ensure the rehabilitation achievement including the hydraulic turbine design, mechanical calculation and construction design. In this paper, the rehabilitation is illustrated systematically, and the stability test results are compared before and after the rehabilitation to demonstrate the effect, the test results show the well characteristic of the stability after the rehabilitation, and it is assured for the hydraulic design, mechanical calculation and construction design. The reference experiences are provided for the other Francis turbine rehabilitation in the future.

Francis rehabilitation; turbine; stability test; hydraulic design; mechanical calculation; construction design

TM622，TK733+.1

A

1000-3983(2017)05-0063-04

2017-02-20

劉貴仁（1970-），1995年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任白山發(fā)電廠副廠長，主要研究方向：水電廠生產(chǎn)管理，高級工程師。