摘要：对水轮机过流部件存在的问题进行分析、优化及改造尤为重要。文章结合工程实例，分析了该水轮机过流部件改造前存在的问题，探讨了过流部件的优化改造措施，并结合运行情况，对过流部件的改造效果进行了评估，可为解决水轮机过流部件质量问题提供一定的理论依据，供类似工程项目参考借鉴。
关键词：水轮机过流部件；质量问题；优化改造；效果评估
我国水电资源丰富，近几年来，越来越多的水电站相继投产发电，水电站的安全运行与水轮机能否正常工作是分不开的。其中，水轮机转轮、顶盖、底环、导叶等过流部件对于水轮机的正常运行有着重要的作用，这些过流部件的质量影响着机组发电效率以及水电站的正常运转，是一个关系水轮机安全运行的重要而特殊的问题。水轮机过流部件的优化设计及改造，对于保障水轮机过流部件质量，提高水电站的经济效益和延长机组寿命、促进国民经济的发展有着极其重要的意义，同时也是困扰水电站的工作人员和急待解决的难题。
1 工程概述
某电站以发电为主，同时发挥防洪、灌溉等综合作用。电站机组除3号机转轮外，所使用的还是20世纪60、70年代的机组设备，经过40余年的长期服役，机械部件受气蚀、磨损、锈蚀等问题影响，部件老化严重。随着科学技术的发展，水力发电设备设计、制造、材料和工艺水平均有大幅提高。水电厂就3号机过流部件改造进行了广泛调研，联合设计单位进行技术攻关，于2013年5月成功完成了3号机过流部件的更新改造，同时达到了提高设备性能和节水增效的目标。
表1 主要过流部件改造前后材质对照表.png)
图1 导叶限位装置装配示意图.png)
2 过流部件改造前存在的问题
（1）限于当时的材料技术水平，3号机过流部件材质落后，原顶盖、底环过流面及导叶材质均为无抗气蚀、抗腐蚀性能的普通碳钢材料（Q235B），多年运行下来，顶盖、底环的过流面以及导叶表面已经在气蚀、磨损及腐蚀的联合破坏下受损严重。
（2）导叶立面密封采用传统的橡胶密封型式，密封效果不佳且橡胶条易老化、易损坏。原导叶端面设计有橡胶密封，在长期运行中顶盖、底环表面密封槽口已经腐蚀破坏，导叶早已没有端面密封，由此产生的间隙气蚀问题，使导叶端面和顶盖、底环过流面破坏加剧，端面间隙增大。
（3）导叶密封装置效果不理想，端面间隙增大等问题导致机组停机时导叶漏水量增大。根据改造前导叶漏水量测定结果，某地3号水轮机在额定水头下，导叶漏水量为2.3987m3/s，是标准要求漏水量0.339m3/s（额定流量的3‰）的7倍之多。
（4）原导叶轴套及导叶连杆轴套均采用尼龙1010材质，这种材料抗磨性差，检修后不久轴承配合间隙就会发生变化，另外这种材料遇水易膨胀其吸水率高达0.5%～1.0%，因此安装时为了防止轴套抱轴，导叶卡死等事故，导叶与轴套配合间隙往往取值较大。尼龙轴套的这些特性导致导叶失去原有的定位能力，使水轮机停机时导叶关闭不严引起导叶漏水。
（5）原主轴密封为尼龙密封块平面密封，密封块靠弹簧顶起与转换接触封水，但由于弹簧弹力不均造成密封块偏磨，且尼龙材质较硬，长期运行造成转环接触面磨出沟痕，加剧了密封块本身磨损，使密封封水效果不理想。
3 过流部件的优化设计
鉴于机组过流部件存在的种种问题，结合本次3号机组技术改造，对过流部件进行了全面的更新改造。改造范围包括：底环、活动导叶、顶盖、套筒、导叶臂、双联臂、轴套等。改造应用了一些新技术，对一些部件进行了优化设计，各部件使用的材料及部件性能均有不同程度提高（见表1）。详细情况如下：
3.1 底环
（1）原底环受限于当时的运输条件采用两瓣现场拼装，而新底环采用整圆结构，有利于提高底环的安装质量和稳定性。
（2）新底环过流面采用高强耐磨不锈钢板S135，止漏环采用不锈钢板0Cr18Ni9，大幅提高了底环过流面的抗气蚀、抗磨损、抗腐蚀性能。
（3）原底环在侧面与座环的接缝处设置了4个φ30的骑缝圆柱销，销孔与柱销皆因腐蚀定位能力差。新底环销钉位置改在底环套筒孔内底面上，定位能力更好。
3.2 导叶
（1）导叶的设计使从全开度位置至空载开度位置范围内，导叶的水力矩特性具有自关闭的趋势。
（2）导叶最大可能开度为最大设计开度（额定水头、额定出力工况下）的1.05倍，并设有可靠的双向限位装置（见图1）。限位装置由焊接在导叶臂上的限位块和螺栓连接在套筒上的双向挡块组成，当导叶臂剪断销破断时，限位块被挡在两个挡块中间区域内，限制导叶位置使其不会碰撞转轮。
（3）导叶材质由原普通铸钢（ZG20MnSi）铸造升级为全不锈钢（ZG06Cr13Ni4Mo）铸造，有效提高导叶抗气蚀、抗磨损、抗腐蚀性能。
（4）导叶立面密封由原橡胶密封改为目前成熟且流行的立面金属密封技术，导叶头尾搭接密封面接触紧密，调整合格后密封效果优于橡胶密封且不存在橡胶密封脱落、老化失效等问题。
（5）底环和顶盖与导叶上下端面配合处各增设一圈导叶端面密封装置（见图2），密封环使用铸锡青铜材质，下垫橡胶垫条，使密封环具备自适应补偿性能，密封环两侧由压板固定在底环或顶盖密封槽内，导叶全关后导叶端面与密封环紧密贴合，有效减少导叶漏水损失。
图2 导叶端面密封装置装配示意图.png)
3.3 导叶轴承
（1）导叶采用三支点结构，具有上、中、下三个轴承，轴承内轴套由尼龙材料改为FZ-6A型的自润滑铜瓦，该材料耐磨、耐压性能好，结构稳定，保证导叶转动时灵活、摩擦小，其硬度低于导叶，可有效保护导叶轴颈。
（2）原导叶中、下轴颈处无密封，泥沙颗粒容易进入导叶轴承与导叶轴颈之间，刮伤和损坏导叶轴承和导叶轴颈；新轴承分别在导叶中轴颈和导叶下轴颈处设密封，有效防止泥沙颗粒进入，延长了导叶轴承和导叶的寿命。
3.4 顶盖
（1）顶盖采用整体结构，由优质Q235钢板焊接而成，具有足够的强度和刚度，非过流面及安装面做防腐处理。
（2）顶盖与导叶端面相邻处设置不锈钢抗磨板（S135），抗磨板精加工后厚度不低于15mm。顶盖上的固定止漏环采用35mm厚0Cr18Ni9不锈钢钢板装焊，精加工后厚度25mm。
（3）顶盖上轴套孔与底环轴套孔均采用数控精确加工，确保顶盖、底环上的轴套孔同心，以保证过流部件安装质量。
4 过流部件改造实施关键点
3号机组改造于2012年12月3日开始，其中过流部件改造于2013年5月4日开始，整个机组改造工作于2013年6月5日全面完成。项目实施过程中为了保证改造的质量、工期和安全要求，重点把握好改造过程中的几个关键点。
（1）注意新老部件的配合。由于是改造机组，过流部件只进行了部分更换，因此新老部件的配合要尤其注意。改造部件设计应该基于充分收集原部件的设计图纸、设计材料基础上进行。新部件的加工也不能盲目，应该留出余量，在拆机后对过流部件改造相关尺寸进行现场复核，确定复核尺寸与原图纸设计尺寸及新图纸设计尺寸无误后，再进行新部件的精加工。如此即可避免过流部件因为磨损、气蚀等造成的尺寸误差，又可避免设计图纸与实际不符的错误出现，为改造工作打好基础。
（2）现场安装工艺创新。按照常规的安装流程，立式混流式机组安装首先应进行的是机组定中心工作，机组基准中心一般为下固定止漏环的中心，下固定止漏环的中心由座环镗口中心确定。机组基准中心确定后，再进行底环中心水平调整、导叶预装配、顶盖中心水平调整等预装工作。在本次3号机改造中，完成底环装配工作后，对后续的过流部件安装程序进行了调整，顶盖位置不再采用吊钢琴线测中心的方法调整，而是直接将转轮吊入基坑，用转轮和上下迷宫环的间隙确定顶盖的位置，简化了预装程序。这种方法避免了导叶、顶盖、中心支架等部件的反复装拆，过流部件定位安装一步到位。根据某地3号机组安装实践，这种用实物找正进行过流部件安装的方法完全能够满足安装要求，且相比常规安装方法可缩短近一半的安装时间。
（3）注重不同工作面的协调。由于3号机组改造保留原定子机座，因此定子部分的定位筋、铁芯、线圈等安装工作均在发电机基坑内完成，改造工作量大，改造工期长。过流部件改造开始时，定子部分正在进行线棒并头套焊接工作。为了避免上下两个工作面的相互影响，对原以发电机下机架为基础的定子施工排架进行了改造，重新搭设环形施工排架，排架中空，可以满足底环、顶盖等大件吊装要求，满足定子改造与过流部件改造同步进行互不干扰的要求。此举为3号机过流部件的安装争取了20余天的改造工期，极大的缩短了整个机组的改造工期。
（4）把好改造质量验收关。要保证项目的改造质量，必须建立一套有效的质量验收工作流程，包括新部件的进场开箱验收以及部件的安装、试验验收流程，问题处理流程等。3号机组改造就开箱验收制订了到货验收清单表，就安装质量编制了标准QCR质量验收记录表。表格中明确验收节点、验收项目、验收标准，由安装单位、厂家、监理、业主四方共同现场验证后签字确认，发现问题及时由监理、或业主对相关方发出联络单进行解决。通过一系列质量管控措施的制定和实施，保证了改造后新部件之间、新老部件之间安装配合参数符合技术标准要求。
（5）做好项目相关方的沟通协调。为了科学合理的制定改造工作计划和控制项目工期，除了在项目开始前充分收集相关信息外，做好项目实施过程中与供货厂家和安装单位等相关方的沟通协调也非常必要。在项目管理中，业主处于中心位置，是项目各相关方联系的纽带，因此业主必须畅通与各相关方的有效沟通平台。3号机组改造过程中建立了监造周报表、项目管理周报表、监理周报表、安全文明监督周报表等报表制度，方便随时掌握设备加工、安装最新情况；通过设计联络会、技术交底会、专题讨论会、项目周例会等会议平台，辅以电话、邮件、传真等联系手段，使各项目相关方管理人员得到充分的讨论沟通，达到事半功倍的效果。
5 过流部件改造效果评估
（1）通过技术改造，3号机组过流部件性能得到明显提升。彻底解决了原部件锈蚀、磨损、老化的缺陷，过流面新材质的广泛应用可有效减轻空蚀、泥沙磨损、腐蚀对水轮机过流部件的破坏，增加机组可靠性，延长设备使用寿命，减少机组检修次数和检修费用，从而增加电站的综合效益。
（2）通过机组启动试验及试运行，过流部件运行状态良好。机组改造安装完成后结合机组稳定性试验分别进行了空载、带负荷、过速、甩负荷等各种工况测试，测试过程过流部件部分运行正常，改造后稳定性试验结果基本与改造前一致。机组试运行后3号机组随即进入迎峰度夏大发电，期间3号机组累计运行967h，过流部件运行正常。迎峰度夏结束后安排对3号机组进行了一次停机检查，经检查改造后的底环、活动导叶、顶盖等改造部件均正常。通过试运行及迎峰度夏长时间大负荷考验说明此次过流部件改造成功，改造部件安全可靠。
（3）通过导叶漏水量测定，检验过流部件改造成效。导叶漏水量是本次过流部件改造效果评估的重要参数，为了能定量的分析改造前后导叶漏水量的变化，在3号机改造前后分别进行了导叶漏水量的测定工作。测定试验结合厂前辈及其他厂类似试验方法对比分析，最终选定使用“斜井法”进行3号机组导叶漏水量测定。根据测试结果，在额定水头下，改造前3号水轮机导叶漏水量为2.3987m3/s，改造后导叶漏水量为0.8599m3/s，经过试运行及迎峰度夏机组运行磨合后，再次测量3号机导叶漏水量为0.16m3/s，远低于额定流量3‰（0.339m3/s）的标准，说明过流部件改造后节水效果十分明显。
6 总结
综上所述，保障好水电站水轮机过流部件质量、性能问题，无疑是对水电资源的进一步开发奠定良好的技术基础。因此，设计、改造出性能优良的过流部件就成为了一项重要内容。相关技术人员应通过对水轮机过流部件存在问题的研究，认识质量问题的本质，进行水轮机过流部件优化设计，以保障机组运行效率，进而保障水电站安全运行及工作效率。实践证明，在本工程中，技术改造后的机组运行状况正常，效益良好，能够实现优化改造目标，可为相关工作提供一定的参考价值。
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论文作者:黎冲
论文发表刊物:《基层建设》2016年12期
论文发表时间:2016/10/19
标签：部件论文; 过流论文; 机组论文; 水轮机论文; 顶盖论文; 轴套论文; 端面论文; 《基层建设》2016年12期论文;