红石电站水轮机转轮的技术改造

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【摘 要】白山发电厂红石电站4台水轮机转轮到运行寿命期时进行了转轮更换，经稳定性试验和效率试验，机组振动、摆度减小，效率提高。

【关键词】水轮机转轮；裂纹；改造；稳定性；效率

一、概述

1、白山发电厂红石电站总体概况

红石电站装有4台单机50MW的轴流定浆、半伞式水轮发电机组，总装机容量200MW。水轮机型号ZDA190-LH-600；发电机型号SF50—56/9000。设计年发电量4.4亿KW·h。电站以发电为主，兼有防洪、养殖等综合利用效益，承担东北电网调峰和少量事故备用任务。电站的4台机组于1983年全部投入运行。

2、机组主要技术参数

水轮机部分：型号，ZA190-LJ-600；最大水头，27.0m；设计水头，24.3m；额定功率，58.7MW；额定转速，107.1r/min；额定流量，251m3/s；额定工况效率，91%；水轮机轮叶数，5个。

发电机部分：型号，SF50-56/9000；转动惯量，15500t-m2。

二、水轮机运行情况分析

红石电站的水轮发电机组于1983年投运，到目前为止，红石电站的水轮机仍是国内尺寸最大的轴流定浆式水轮机。随着红石机组运行时间的增长，转轮老化、裂纹问题日益严重。红石电站4台机组于1983年投入运行，由于受当时中国生产力水平的限制，从材料生产、电站设计、主机结构设计、机械制造、安装管理水平均据当今有较大的差距，加之水轮机水力振动较大，所以到2003年以后，水轮机转轮叶片疲劳破坏非常严重。从2003年开始，除遇机组大修外，每年春秋检都要对转轮叶片进行探伤，每次都发现转轮叶片都有不同程度的裂纹，如下面的图片，而且每个叶片的裂纹不止一处。2003年2号机春季小修时，发现并处理了5处裂纹，最严重的长120mm，深12mm；2003年2号机秋季小修时，发现并处理了6处裂纹，最严重的长160mm，深15mm；2004年2号机春季小修时，发现并处理了7处裂纹，最严重的长140mm，深20mm；1号、3号、4号机的情况与2号机类似，发现裂纹后，均已结合C级检修进行了处理。

这些情况，说明设备已接近寿命周期，需要经过技改更换；也需要白山发电厂立足现有条件，对运行年久的主机设备加强管理和维护，春、秋检期间加强水轮机转轮检查、

检修维护，发现问题及时处理，及时消除缺陷，认真进行检修，确保主机设备稳定运行。

到2007年，已运行24年。除转轮外，水轮机的其他部件经过检修和技术改造，已经比较完善。转轮的设计报废年限是25年，所以白山发电厂于2007年开始，对红石电站的水轮机转轮逐台进行更换。

三、水轮机转轮改造（更换）的实施

1、转轮定做：经过与哈尔滨电机厂研讨和协商，确定整个转轮整体更换、转轮叶片安放角按最优调整、叶片翼型和曲率优化、材质改进、确定交货日期。

2、按机组A级检修程序将机组分解。

3、泄水锥分解拆除并运出。

4、拆除两片对边叶片并运出。

分解拆除两片对边叶片后，就可以把转轮通过厂房大门运出；刨开转轮体与叶片定位销钉（每个叶片一个φ50的销钉）的护板；拔出φ50的销钉；刨开转轮体与叶片连接螺栓、螺钉（每个叶片2个M100×260的连接螺钉、4个M110×400的连接螺栓）的护板；在转轮体内部，刨开转轮体与叶片连接螺栓的焊点；用30mm厚的钢板在叶片上焊吊点，挂好钢丝绳；焊接50mm厚的钢板，设好千斤顶，准备好悠锤；快速把转轮体上螺栓孔周围加热120°；操作千斤顶、悠锤，把叶片均匀的顶出。

5、吊运水轮机轴并返厂

转轮体专用支架固定牢靠；将转轮体落至转轮体专用支架上并牢固连接；拆卸主轴和转轮卡环并运出；分解拆除水轮机轴与转轮体连接螺钉（计24个M100×200的螺钉），并测量拉伸值，作好记录；将水轮机主轴装车运送哈机厂加工处理，保证与转轮的配合。

6、吊运水轮机顶盖

清扫水轮机顶盖与座环的两接触面；将水轮机顶盖吊回4F机坑，并按方位落稳（准备进行机组中心测定）。

7、组装叶片

新转轮体、叶片、销钉、连接螺钉、连接螺栓到货后，清扫新转轮体的销钉孔、与叶片连接的螺栓孔；测量新转轮体的销钉孔径、与叶片连接的螺栓孔径、叶片枢轴直径、叶片轴肩部位的尺寸。若配合不当，则打磨销钉、叶片枢轴、叶片轴肩部位。并分清叶片与转轮体连接螺栓孔的组合（必须按厂家给定的组合方案进行组装）；将新转轮体落至转轮体专用支架上，并固定牢固；将一个分配好的叶片吊至检修机坑，对好叶片枢轴孔吊好，并设置好顶入准备（设好千斤顶，准备好悠锤）；对准备装入叶片的转轮体连接螺栓孔进行加热1200；把叶片枢轴和转轮体连接螺栓孔涂抹透平油；将叶片枢轴均匀地压入（并配合悠锤打入）；测量叶片与转轮体间隙，适当时打入销钉；按技术要求（主要是拉伸值）打紧2个M100×260的连接螺钉、4个M110×400的连接螺栓）；检查叶片组装情况，直到合格为止；焊接连接螺栓的锁锭块，点焊螺帽，焊接好连接螺栓孔、销钉孔的护板；照如上方法，组装其他4片叶片。

8、水轮机主轴与转轮试装

水轮机主轴到货后，在检修间放稳，仔细清扫；测量水轮机主轴上下法兰直径、水导轴衬直径、水导轴承瓦内径、连接螺钉孔、销钉孔的配合。若配合不当，则进行处理。

将水轮机主轴吊运至转轮体上试装。若配合不当，则进行处理；将水轮机主轴在检修间放稳。

9、组装水轮机转轮体与泄水锥

在检修间把泄水锥立起放稳；在泄水锥外侧焊接两个吊点；拆卸转轮体专用支架与基础的连接；将转轮体（连同转轮体专用支架）吊至检修间；卸下转轮体专用支架；将转轮体吊至泄水锥上方；在顶盖和泄水锥间挂上两个5T链条葫芦；将转轮、泄水锥吊至检修机坑；将转轮、泄水锥落至地面，下面用15mm厚的木版垫好（吊钩不松开）；打紧转轮体与泄水锥间的连接螺栓；焊接好环形护板。

10、连接水轮机主轴与转轮

将水轮机主轴、转轮提起，安装卡环后落下，检查稳定情况；连接水轮机主轴与转轮体，按要求的拉伸值打紧24个M100×200的连接螺钉，并作好记录；检查组装情况，直到合格为止；焊接连接螺钉的锁锭块，点焊螺帽，焊接好连接螺钉孔的护板。

11、整体回装前的准备

将水轮机主轴、转轮、顶盖组装好；整体检查验收，直到合格为止。

四、转轮改造前后稳定性试验比较

机组修前的振动、摆度数据见表一，机组修后振动、摆度数据见表二。从试验数据看，水轮机转轮更换后机组的振动、摆度减小，机组在各主要工况点运行是稳定的，机组运行的稳定性增强。经过一年来的运行检验，证明机组运行是稳定可靠的。

五、转轮改造前后效率试验比较

本台机组修前修后采用超声波流量仪法测流（本台机组已安装了超声波流量仪测量过机流量），导叶开度、上游水位、下游水位、有功功率实测值、无功功率、功率因数、进口压力、出口压力、进口速度头、接力器行程、采用相应的传感器测量，计算工作水头、水头损失，把流量、功率、耗水率换算至试验水头下的数据水轮机计算各个工况点的水轮机效率，经对试验数据进行处理，修前水轮机的最高效率为89.34%，修后水轮机的最高效率为91.28%，更换转轮后，水轮机效率提高。

六、结论

转轮改造（更换）后，由于转轮叶片安放角按最优调整，叶片翼型和曲率优化，水力振动减小，机组稳定性增强，水轮机效率提高，对接近寿命周期的电站的水轮机改造具有借鉴意义。