水轮发电机组声光一体中心测量工具研制

徐耀刚，张伟林，白 超，刘红映，赵显康

（国网四川省电力公司 映秀湾水力发电总厂，四川 成都 611830）

0 概述

水轮发电机组经过一段时间的运行，因设备本身缺陷或机械损耗等原因，加上电磁力、离心力及轴向水推力等作用，可能造成机组轴线、动静平衡发生微小改变，当这些变化积累到一定程度时，便会对机组的正常稳定运行产生影响，如不及时处理，可能导致机组出现安全事故。除去机组本身缺陷，机组过流部件的磨蚀损耗是影响其稳定运行最重要的因素之一。水轮发电机组流道内的水并不是清水，往往是含有泥沙及各种杂质的水，经过一段时间运行，过流部件就会出现磨损和缺陷，尤其过流部件在空蚀和泥沙磨损的共同作用下，其金属表面破坏速度更加剧烈[1]。

因此，水轮发电机组在经过一个周期的运行后，需对其进行检修。检修工作以检修规模和停用时间为原则，将机组检修分为A、B、C、D 级检修。A 级检修指对机组进行全面的解体检查和修理，以保持、恢复或提高设备性能；B 级检修指针对机组某些设备存在问题，对发电机组部分设备进行解体检查和修理，可有针对性地实施部分A 级检修项目；C 级检修指根据设备的磨损、老化规律，有重点地对发电机组进行检查、评估、修理、清扫和消缺；D 级检修指当发电机组总体运行状况良好，而对主要设备的附属系统和设备进行消缺[2，3]。

水轮发电机组安装或进行A 级检修时，机组会有所有部件解体再安装的阶段。对机组进行安装或回装前，为使机组符合稳定运行的条件，需对机组中心进行测量和调整，且必须使中心数据达到规范标准要求，以减小机组旋转时的摆度，避免机组摆度过大或者间隙不均匀而发生设备损坏事故[4-6]。机组中心的调整一般需结合机组各部设计间隙进行标准的确定[7]。明确标准后，机组基础环、底环、底盖等固定部分的中心是否满足标准要求就需要通过测量、比较各固定部分中心，判断中心是否满足标准。代替转动部分中心、为固定部件中心调整提供判断依据的设备，便是中心测量工具。中心测量工具主要由中心架、求心器和测量工具等部件组成。

1 中心测量传统方法—耳机电测法

耳机电测法是一种水轮发电机组安装与检修过程中常用的中心测量方法。该方法需在中心架加绝缘垫，中心架通过导线（导线中间集合电池和耳机）分别连接中心架与被测物如图1 所示。此时，中心架连接求心器及钢琴线带正电，被测物体与内径千分尺连接带负电，当使用千分尺接触到钢琴线时，电路接通，可以通过接触和断开时耳机中反馈电流的“咔咔”声，确定被测点与钢琴线的距离，测量正交方向四个点的距离，调整钢琴线至对称方向距离相等，则钢琴线即在被测物体的中心，用此方法依次测量机组基础环、底环、顶盖等部件的中心，通过调整来保证各固定部分同心。

图1 传统耳机电测法示意图

2 耳机电测法弊端

在水轮发电机组A 级检修实践中，传统耳机电测法主要有以下几个弊端：

（1）设备复杂。传统的中心测量方法，需要求心器、中心架、钢琴线、绝缘垫、电池、导线、耳机接口、内径千分尺等物品。设备较多，尤其测量部分需要连接的部件较多且结构复杂。

（2）测量不便。因传统中心测量方法需要将导线从中心架一直连接到被测物体上，由于机坑深度通常在十余米以上，冗长的导线在测量过程中不方便操作，导线也可能在测量的时候碰到钢琴线，导致测量数据受到影响。

（3）测量可靠性不高。传统的中心测量方法只有通过耳机内的声音确定内径千分尺与钢琴线是否接触，当耳机效果不佳或设备故障时则无法判断是否接触钢琴线进而导致触碰钢琴线，使钢琴线过度摆动，从而影响测量可靠性和精度。

3 测量工具研制目标及设计思路

3.1 工具研制目标

为解决传统耳机电测法设备复杂、测量不便、测量可靠性不高的问题，需研制一种简便的、可靠性高的中心测量工具，其主要目标：

（1）新型中心测量工具要具有设备简单、成本低等特点；

（2）要取消长导线，避免长导线在测量时对钢琴线的影响；

（3）除了声音信号，增加其他辅助信号，双重信号确认测量精度，提高测量的可靠性；

（4）具有通用性，能够适配标准化的测量工具；

（5）使用方法简单。

3.2 工具研制设计思路

新工具的研制设计在充分考虑研制目标后，进行了可行性论证和试验。为保证工具的简易便携，且成本可控，其设计思路为：

（1）取消绝缘垫、长导线，将电池、耳机接口整合为统一模块；

（2）增加发光二极管作为辅助型号，佐证声音信号，提高测量精度；

（3）测量接头两端采用标准内径千分尺接头，具有通用性。

4 声光一体中心测量工具

4.1 声光一体中心测量工具结构组成

声光一体中心测量工具结构如图2。

图2 声光一体中心测量工具结构图

210 为工具连接内径千分尺外接头集成壳体，220 为工具电池组件集成部分，230 为工具连接内径千分尺内接头集成壳体，240 为工具耳机测量回路集成部分插口，250 为内径千分尺内接头接口，260为内径千分尺外接头接口，270 为发光二极管及其集成回路。

4.2 声光一体中心测量工具工作原理

声光一体中心测量工具将测量电池组件以及导线等原件集成到一个工具上。使用时，将耳机电测法中的导线、电池、绝缘垫等撤除，工具与中心架、钢琴线、内径千分尺以及被测机组即可组成完整的电气回路，具体步骤如下：

（1）将中心架放置于机组之上（不需要绝缘垫），钢琴线通过中心架上的求心器悬垂于基坑中间；

（2）将内径千分尺测杆分别连接声光一体中心测量工具的内外接头；

（3）将内径千分尺一端靠住被测机组基准测点，测量端寻找机组中心钢琴线，当测量头与钢琴线接触时，测量工具测量回路即通过中心架、钢琴线、机组测点和内径千分尺导通，便携式声光一体测量工具在此时会通过耳机电流提示测杆触碰钢琴线以及通过发光二极管发光提示测杆已经与钢琴线接触。声、光互为备用，机电融合一体，工作原理如图3。

图3 声光一体中心测量工具工作原理

5 声光一体中心测量工具的应用

声光一体中心测量工具研制后，首先应用于映秀湾电厂耿达电站3 号机组A 级检修工作中。

耿达电站机组为混流式机组，单机容量40 MW，水轮机转轮直径2.15 m，转轮上冠、下环分别设置梳齿式止漏环。耿达电站机组具体参数如表1。

表1 耿达电站水轮机具体参数

机组A 级检修工作要求对过流部件进行更换，需对下梳齿、底环、顶盖进行中心测量工作，以确定更换部件的中心。过流部件中心测量工作中，还需对发电机组定子中心以及上机架中心进行校核，综合得到水轮机中心与发电机组中心的理论数据。

因此，此次耿达电站3 号机组A 级检修过程中涉及的中心测量工作繁多，测量次数达上百次，其中还涉及下梳齿、底环、顶盖、上机架等数十吨重的大件吊装工作。如遇测量数据不可靠或者数据有问题，需进行反复测量，反复进行大件吊装工作极大增加工作安全风险。所以，传统中心测量方法的弊端在检修过程中完全暴露，一般情况下传统中心测量方法大致需要12 个工作日。声光一体式中心测量工具的研制，为的就是提升中心测量工作可靠性、保障检修质量、提升检修工作效率、降低作业风险，实现企业检修工作的降本增效与风险管控。声光一体式中心测量工具见图4。

图4 声光一体中心测量工具

需要指出的是机组中心测量值为相对值，保证每次测量工具无变化即可保证相对数据间精度相同。机组中心测量值满足GB/T 8564-2003《水轮发电机组安装技术规范》[8]关于机组各部同轴度的要求，且水轮机中心偏差小于0.03 mm。机组中心测量数据如图5。

图5 机组中心测量数据

声光一体中心测量工具应用于检修工作后，耿站3 号机组A 级检修中心测量工作时间缩短约1 d，且测量数据精准、稳定。检修工作缩短1 d，由增效带来的显性经济收益超过数十万元。

声光一体中心测量工具相继推广至映秀湾电厂映秀湾电站、渔子溪电站A 级检修中心测量工作，使用效果均达到预期目标。

6 结论

声光一体中心测量工具的研制主要优点：

（1）优化了水轮发电机组检修工艺流程，保障机组检修质量，提高中心测量工作效率，为电厂带来巨大经济效益。

（2）工具的研制极大促进一线工人创新创效的积极性，为工作向更加优化、更加高效、更加安全方向发展。

目前，工具还存在标准化程度不够，绝对尺寸精度要求不够等问题。解决这些问题后将拓宽工具的使用面，使其适应更多测量场景，同时为声光一体中心测量工具开拓相应的市场。