白山发电厂5号机组的水轮机改造

刘贵仁，张永会，乔 木，栾春林，胡海平



白山发电厂5号机组的水轮机改造

刘贵仁，张永会，乔 木，栾春林，胡海平

（国网新源白山发电厂，吉林桦甸132400）

白山发电厂5号机组运行多年后，设备老化严重，为保证安全运行，需对其进行改造。在改造前通过水轮机模型试验、强度计算和结构优化设计等多项手段进行了充分的论证以保证改后效果。本文对5号机组的水轮机的改造系统地进行了阐述，并进行了改造前后的稳定性试验，进行改造结果的比较论证，试验结果说明改造后水轮机的水力稳定性较改造之前优良，也说明水力设计、结构设计和强度设计的方案的正确。本文对混流式机组的改造提供了可借鉴的经验。

混流式机组改造；水轮机；稳定性试验；水力设计；强度计算；结构设计

0 前言

白山发电厂位于吉林省桦甸市境内的第二松花江上游，由“一厂、两坝、四站”组成，以发电为主，兼有防洪、灌溉、养殖、航运等综合效能，主要承担着东北电网系统调峰、调频和事故备用的作用。白山发电厂白山电站安装有五台单机容量300MW混流式水轮发电机组，该机组为国内完全自行设计、制造及安装的机组，设计制造单位哈尔滨电机厂有限责任公司。白山发电厂的机组运行多年，其中白山二期电站5号机组早在1991年12月即已投产发电，至今已运行22年。在改造前，机组老化问题已经较为严重，存在多方面的隐患，影响着电站的安全稳定运行，对故障进行处理过程中，多次频繁对整个机组进行吊装，也严重影响着电站的经济运行，所以急需对机组进行改造，以期保证电厂的安全生产，提高经济效益。

1 水轮机的改造

根据统计，白山机组运行20余年间，起机和停机次数较为频繁，并且在低负荷的工况运行时间较长，这对单调节式的混流式水轮机而言，由于水力流态的不佳，会对转轮及机组的其它部件造成一定程度的损害。改造前，机组转轮存在不同程度的裂纹问题，并且存在导叶漏水量大，转轮空蚀严重，顶盖出现开焊等突出问题。在改造前进行了多轮的论证之后，基于工程现实，在保留现有包括蜗壳、尾水管、固定导叶等过流部件的水轮机流道的基础上和保证安装高程不变的前提下，确认主要需要对水轮机转轮、顶盖、底环、固定止漏环、活动导叶、活动导叶传动机构、导叶接力器、主轴和主轴密封等进行更换，改造补气系统，增加中心孔补气装置。

随着技术的进步，以今天视角来看，当时的设计、材料、工艺等多方面还有较大的提升空间。通过应用目前最新的设计技术、制造工艺、材料技术对5号机组的水轮机进行改造后，以期提高水轮机效率，重点改善机组的空蚀性能，尤其改善机组的水力稳定性，减少水轮机压力脉动与振动值，增强抗裂纹能力。同时，减小机组的漏水量，避免顶盖出现开焊等问题，改善机组的振动和摆度，降低机组运行噪声，延长机组检修周期。

1.1 水轮机转轮的改造

白山电站使用的转轮型号为HL200型转轮，为我国使用较早的转轮，在多年的运行过程中，空化的面积和深度在逐年扩大，在转轮进口靠近上冠的位置，叶片的压力面和负压侧存在不同程度的裂纹。这些问题缩短了机组的检修周期，导致机组不能正常安全运行，也是机组的稳定运行的隐患，图1为改造前转轮的裂纹情况。产生上述问题原因是多方面的，首先机组在振动摆度超标负荷区长时间运行，造成转轮叶片疲劳破坏产生裂纹；其次从当初的水力设计上来看，转轮上冠过高，下环锥角过大，叶片翼型不合理，在易发生空化的叶片背面靠进出水边处，压力负荷分布不合理；从制造材料来看，转轮材质为ZG20MnSi抗空化性能差。

图1 转轮叶片出水边空化

图2 转轮叶片裂纹

转轮是水轮机的核心结构，转轮的效率、空化和压力脉动对机组水轮机的出力、检修周期和水力稳定性具有绝对性的影响，转轮的水力设计需要结合电站实际运行的水力参数，开发稳定性、能量指标、空化性能均佳的转轮。白山转轮改造前后的水头、额定出力参数没有改变，最高水头为126m，额定水头为112m，最小水头为81m。新设计的转轮直径为5800mm，原有转轮的直径为5500mm。新设计的转轮经过模型试验换算至真机最高效率为95.5%，比原水轮机效率的92.5%高出3%。在试验中，在额定点转轮的临界空化系数达到0.06，具有较优的抗空化能力。作为在转轮改造设计中需要着重关注的压力脉动要求的性能见表1，其中为相应的运行水头，为水轮机出力。在模型试验中，试验结果满足要求。设计的转轮在本水头段的转轮中属性能较优的转轮，在水力性能上可以保证水轮机安全稳定地运行。

表1 原型水轮机尾水管压力脉动限制值

表2 原型水轮机转轮前导叶后压力脉动限制值

在制造中，水轮机转轮采用不锈钢铸焊结构。叶片、上冠、下环均采用VOD精炼的ZG04Cr13Ni5Mo不锈钢铸件，具有良好的可焊性。转轮上冠、下环采用VOD精炼铸造制成，转轮叶片采用鞍钢VOD精炼铸造成型、五轴数控精加工制成，上冠、下环与叶片在制造厂内组焊成整体转轮。转轮泄水锥采用与转轮相同的不锈钢制造，泄水锥在制造厂内采用焊接的方式连接到转轮上冠。

1.2 机组水轮机顶盖的改造

在改造前的多年运行中，5号机组水轮机的顶盖上层钢板的焊缝存在开裂窜水情况，原有水轮机顶盖设计为双层结构，下层为40mm厚的钢板，上层钢板厚度为20mm，中间为减压腔，通过下层钢板延圆周方向的开孔与转轮上腔相连。在改造设计过程中，通过对原顶盖进行有限元分析计算，以探究焊缝开裂根本原因。发现顶盖在正常运行工况下平均应力可以满足材料性能要求，但局部应力过高，导致局部焊缝运行一段时间，受疲劳影响出现开裂。若排水不及时，容易造成事故扩大，存在安全隐患。从总体结构来看，顶盖的上、下面板以及筋板厚度偏薄，导致顶盖的轴向刚度较弱，在导叶轴孔处的轴向变形为0.737mm，对此进行改造，也是减小导叶漏水量的一个重要环节。

为此，在改造的结构强度设计中，改进了原有的不足，采用箱型中法兰钢板焊接结构，顶盖分为2瓣，分瓣面精加工，配有定位销，并设有密封装置，具有足够的强度和刚度，可安全可靠地承受所有作用在它上面的力，不会产生过大的振动力和变形，并且顶盖利用原有的调相进气管改为减压排水管以减轻轴向水推力。在设计中，顶盖的轴向固有频率有效避开由转频与叶片个数的乘积产生的激振频率[1-2]，不会产生机组共振现象。

1.3 水轮机活动导叶及导叶拐臂的改造

白山电站机组水轮机导叶当年采用ZG30铸钢制造，与当今的材料相比，材料本身抗空化能力低，型线偏差大，加工精度低。另外多年运行中，导叶上轴承间隙变大，导叶关闭时容易造成导叶轴颈倾斜和变形，而且导水机构老化严重，导叶轴线发生严重变形和扭曲，在改造前白山电站机组实测漏水量1.3～1.9m3/s，这些缺陷利用一般的大修手段是难以修复的。此外，导叶拐臂结构型式已经落后，拆装困难。

在改造的结构强度设计中，通过对原导叶进行有限元分析计算[3]，发现活动导叶的最大应力满足强度要求，最大应力位置均出现在导叶瓣体与中间枢轴相交处。活动导叶在静水关闭工况和升压工况下的最大综合变形分别为5.899mm和7.624mm，变形相对较大，主要为扭转变形，导叶关闭时容易造成较大的漏水量。导叶变形较大会引起导叶立面间隙较大，产生大的导叶漏水量。

在水力设计上，导叶从全开到接近空载位置范围内具有水力矩自关闭特性[4]。在强度方面，对中导叶间枢轴和下枢轴（包括轴肩）适当加粗，减小导叶扭转变形。采用新型导叶密封结构，有效消除因扭转变形产生的漏水量。此外在设计中，考虑到了机组的稳定性问题，活动导叶在水中的固有频率避开了转频与叶片个数的乘积和卡门涡频率。在结构设计上，导叶立面密封采用金属密封，并采用斜面密封，通过导叶接力器压紧行程的调整，减小导叶立面间隙的漏水量。导叶轴与导叶体的过渡区可最大程度地减小应力集中。导叶采用3支点轴承支承结构，导叶上部设有止推轴承，防止导叶上浮。导叶推力轴承和附件能微量调整导叶的轴向位置，防止由于水力或机械力的作用，引起导叶与抗磨板之间的挤压。导叶轴穿过顶盖处的轴承套上将设置活动导叶轴密封。导叶立面间隙的调整，可以采用偏心销的调整方法，操作简单，维护的工作量小，导叶臂与导叶的传递力矩，可以采用销套结构，操作安全可靠。导叶开口按最大开口的105%进行设计，每个导叶臂上设有全开、全关限位块。限位块具有足够的强度，能够承受施加到导叶限位块上的最大水力矩和冲击力。当剪断销断后，通过限位块使导叶不会碰到转轮及相邻导叶上。限位块焊在顶盖上，限位块上镶有减震垫。此外，连接板与导叶臂之间设有摩擦装置，摩擦装置为铜套夹紧式，摩擦装置产生的磨擦力矩大于导叶水力矩，它的作用是当剪断销破断后，导叶在水流中不来回摆动，不会影响其他导叶的关闭。在加工制造中导叶采用抗空化和磨损的ZG06Cr13Ni4Mo材料整铸而成。

1.4 水轮机接力器的改造

在改造前对机组进行导水机构力特性试验，发现当机组在达到接近额定水头的110m左右，出力达到185MW左右至270MW左右部分负荷时，调速器调节活动导叶较难通过此区域。根据多项模型导叶水力矩试验结果，可以发现，混流式水轮机的导叶水力矩的峰值一般出现在部分负荷区域[5]。为解决此问题，需将现有的接力器的最低整定值从3.85MPa升至4.2MPa，为此对接力器进行改造，增大接力器的直径。满足在不超过额定油压的条件下，能对导叶安全平稳操作。并更换新型活塞环密封，活塞环的材料使用PTFE材料，减少接力器腔的窜油量。

1.5 水轮机主轴及主轴密封的改造

改造前的论证过程中，对主轴进行计算复核，主轴的最大复合应力为85MPa，根据当今实行的国家标准GB/T15468-2006中4.2.2.9要求，主轴的最大复合应力不超过材料屈服极限的1/4。白山电站的水轮机主轴1/4屈服极限为63.8MPa，超出标准值33%；根据上述国家标准主轴的最大复合应力（计入应力集中系数）不超过材料屈服极限的2/5，白山电站水轮机主轴2/5屈服极限为102MPa，白山二期电站5号机组水轮机主轴最大复合应力max（计入应力集中系数）为163MPa，按照现在的国家标准来看，超出标准值59%。同时，现水轮机主轴无水导轴领，改造后水导轴承改为油润滑分块瓦式结构，需对现主轴进行改造。

水轮机主轴整体更换，应用经热处理的20SiMn合金钢锻制。水轮机的主轴采用中空结构，水轮机轴与转轮连接采用法兰螺栓联接方式，摩擦传递扭力矩，螺栓不受剪力，保证了转轮具有互换性[6]。螺杆的预紧采用液压拉伸器拉紧，联轴螺杆的材料为高强度合金锻钢，全新设计加工的主轴具有足够的强度及刚度，可以保证在任何转速直至最大飞逸转速都能安全运转而没有有害的振动和变形[7]。主轴密封采用恒压轴向自补偿端面密封，此种密封结构可靠，具有自补偿能力[8]，机组停机和检修主轴工作密封时，为防止水溢出顶盖上，在工作密封下方设置了充气围带检修密封，检修密封采用压缩空气膨胀式橡胶密封。

1.6 导轴承的改造

导轴承进行全新设计，采用分块瓦轴承[9-10]，其优点是维护方便，轴瓦间隙可调整。水轮机导轴承采用斜楔调整稀油润滑、具有巴氏合金表面的分块瓦轴承，具有坚固、耐用，加工和调整方便，而且轴承间隙调好后，能保持稳定不松动。导轴承允许转轮和主轴的轴向移动，以满足拆卸和调整发电机推力轴承或清扫主轴连接法兰止口的需要。

导轴承通过采用内循环冷却器冷却[11]，给工作密封的检修留有足够的位置，能在不拆卸导轴承的情况下检修工作密封。轴承设置一个完整的独立的油润滑系统。润滑油能在主轴旋转的作用下通过轴领和轴瓦进行自循环，油箱具有足够大的容量以满足轴承润滑系统需要，油箱的布置使轴领和轴瓦至少50％总高度浸入静止的油中。导轴承的冷却器的布置为内置式；水导轴承冷却器设置在油槽内，有足够的冷却容量。

轴承体具有足够的刚度和强度[12]，能承受机组在任何可能发生的工况下的最大径向力，并将负荷传至水轮机顶盖上。

2 改造后的稳定性试验

在水电站现场进行的水轮机真机试验是分析压力脉动最直接有效的方法[13-14]，通过相关参数的分析，可以总结出真机运行中的一些规律性问题，从而找到改善或者抑制压力脉动产生的方法[15]。

在改造完成的前后，分别进行了机组的稳定性试验，通过实际的运行数据比较对改造的结果进行考核。改造前试验的毛水头为110.52m，改造后试验的毛水头为116m，以上导、法兰和下导X方向的摆度试验结果为例进行比较，如图3所示，可以看出，全部出力范围内，经过改造后各个测点的摆度大大降低，这可以说明改造后水轮机的水力稳定性较改造之前优良，另外，也说明结构设计和强度设计的方案的正确。

3 结论

从改造前后的稳定性试验数据充分说明了改造的方案的技术的正确，从而保证了改造后的机组能够经济、安全、稳定运行。此次改造也为同类型的混流式机组的改造提供了参考和借鉴。

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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

刘贵仁（1970-），1995年毕业于哈尔滨工业大学，现任白山发电厂副厂长，主要研究方向：水电厂生产管理，高级工程师。