形成原因
燈泡貫流式水電站是開發低水頭水力資源的較好方式,中國之外水頭25米以下的水電開發,已出現取代
軸流式水輪機的局面。
導水機構是
水輪機的重要組成部分。燈泡貫流式機組的導水機構通常都是採取坑外預組裝,整體翻身吊裝的安裝方式。由於水頭低,導水部件尺寸較大,
導葉要求在內外環中可以轉動,這樣導葉的軸端必然與內外環之間存在間隙而非鋼性連線,在導水機構整體翻身吊裝過程中,從力學角度來看屬於單點吊裝,在設備自身重量的影響下,內外環必然發生變形,導致內外環圓度值超標,直接影響導水機構的正常安裝。如果導水機構吊在空中的時間過長,內外環吊裝變形由彈性變形轉變成不可回復的塑性變形,那後果更加嚴重。所以導水機構在組裝、吊裝過程中的變形問題是一個重要的問題。
中國水利水電第七工程局有限公司機電安裝分局研製形成的《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》,解決了截至2009年世界上單機容量第二、中國單機容量最大的廣西紅水河橋鞏水電站燈泡貫流式機組導水機構安裝技術難題。
工法特點
《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》的工法特點是:
1.導水機構採用安裝間進行組裝、整體吊裝的方法。採取了內外配水環上游側朝下放置的方式進行組裝,增強了設備的穩定性,保證了導水機構安裝質量;同時製作了導葉安裝專用工具,解決了導葉吊裝不能到位的問題。
2.針對導水機構組裝、吊裝過程中變形的技術難題,採取了新安裝工藝,創新性設計了支持架,將導水機構的內、外環固定為一體,加強了整個導水機構的結構強度,較好地控制了導水機構的變形,保證了導水機構外環和內環的圓度,減少了吊裝過程中的變形,進一步提高了安裝的精度。
操作原理
適用範圍
《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》適用於超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝。
工藝原理
《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》的工藝原理敘述如下:
廠內組裝採用內外配水環上游側朝上放置的方式,該方案不合理之處在於各部件的重心偏上,容易產生設備倒塌現象,控制環很難安裝,有利之處在於16個導葉便於安裝。現場採取了內外配水環上游側朝下放置的方式進行組裝。在安裝16個導葉時,由於吊裝不能到位,另外製作了拔導葉專用工具,解決了導葉安裝問題。
同時為了防止導水機構吊裝過程中內外環產生的變形,除了在內外環之間焊接必要的支撐外,專門在導水機構出口端的內外環法蘭面之間設計一個支持架,將內外環固定,既控制了內外環軸向位移,又控制了內外環徑向位移和變形,並將內外環之間16個導葉與外環之間的間隙調為零,所有間隙留存在導葉與內環之間,將導葉與內環之間的間隙中打入鍥子板。將所有導葉調至全關位置,將相臨的兩個導葉用鋼板焊接在一起,這樣所有導葉就組成一個整體,藉助導葉起到鋼支撐的作用,提高了導水機構的剛度,最大限度減小吊裝過程中的內外環變形。
施工工藝
《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》的施工工藝流程見圖1。
《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》的操作要點如下:
一、內配水環組裝
1.檢查好安裝部件是否與機組號及組合標記對應,檢查和清掃內配水環各分瓣組件,檢查是否有劃痕或損傷,如果有,用銼刀、油石處理好。
2.檢查完畢,把內配水環其中一瓣放置在事先準備好的支墩上(進水口向下),用千斤頂,楔子板調水平。
3.吊起另一瓣(注意標記號對應),加鏈式葫蘆調平,組合時安裝好密封條塗上油脂和密封膠,依次進行組合,根據設計要求對組合螺栓施以合適扭矩,用塞尺組合面,應符合規範要求。
二、外配水環組裝
1.貫流式機組導水機構預裝與常規機組最主要的不同點是鋼支墩的製作準備,貫流式機組導水機構預組裝用的鋼支墩必須是兩套,內配水環和外配水環各一套,而且兩套鋼支墩的高差必須與管型座內外環法蘭面之間的距離一致。
2.清理、檢查外配水環分半面,清掃毛刺、高點(樣板平尺檢查),若有碰傷,需補焊打磨,用油石處理好組合面。
3.將外配水環其中一瓣進水口朝下放置在事先準備好的支墩上,用千斤頂,楔子板調水平,利用型鋼在內側中間位置支撐加固,防止單瓣配水環傾倒。
4.按照對應的標記號吊起另一瓣,為了便於組裝調整,最好掛兩個合適的鏈式葫蘆。起吊組合時,安裝好密封條,塗上油脂和密封膠,組合銷釘塗上薄油脂,裝上組合螺栓,對組合螺栓以合適扭矩,用塞尺組合面,應符合圖紙要求。
5.組裝中如兩瓣發生變形不能直接對正銷孔,則需採用一些措施:在保證過流面和法蘭面的無錯牙的基礎上,可用千斤頂或葫蘆等方法來消除變形,也可使用碼子和楔子進行局部調整。同時應注意檢查鋼球槽的錯牙情況,控制在0.05毫米範圍內。注意:截斷配水環組合面的密封條時,應在分瓣法蘭兩端靠連線法蘭的部位留0.3~0.5毫米餘量。
6.外配水環組裝完畢後,檢查調整外配水環法蘭面圓度的情況,作好記錄。各項檢查合格後,使用千斤頂、墊板、楔子板調整內、外配水環的水平,使其不平度滿足規範要求。
三、套筒安裝
首先在安裝間利用導葉球軸承壓裝工具將自潤滑向心關節軸承對號裝入套筒內(過盈配合,過盈量-0.04毫米),轉動自潤滑向心關節軸承,檢查是否充滿防水潤滑油脂。將外配水環的軸承孔塗上油脂,利用吊裝工具將套筒裝配全部對號裝入外配水環上相應的軸孔內(注意不要忘記安裝密封圈)利用調節螺套及連線螺栓調節套筒,使套筒最終的安裝位置略向里2~3毫米,避免導葉安裝時導葉密封面與外配水環密封面發生碰創。
四、導葉安裝
導葉呈錐形,均勻分布在與機組軸線成60°的內、外配水環的錐面上,裝配導葉時順著內外配水環軸承孔的斜度進行吊裝,為了便於吊裝,掛3台合適的鏈式葫蘆調整導葉長軸斜向上300°的夾角,將導葉軸緩慢滑入套筒的軸孔內(注意:正確安裝導葉密封裝置)。由於導葉軸與向心關節軸承是過盈配合(過盈量0.03毫米),而且導葉無法吊裝到位,故導葉安裝時必須使用拔導葉專用工具與吊裝相配合,直至導葉拉不動為止。按圖紙要求安裝卡環、防塵密封圈及軸承壓蓋。轉動導葉,安裝套筒端面的導葉密封裝置,檢查導葉端面與套筒端面應有間隙。
五、導葉臂安裝
調整導葉使其兩端面有間隙,將所有導葉處於關閉位置。檢查導葉軸表面損傷,並去除傷痕,將導葉臂小心滑入導葉軸上,對應好導葉臂上的標記安裝圓柱銷釘,按標記號安裝端蓋,最後應檢查導葉轉動的靈活性。
六、內、外配水環套裝
1.在內外配水環套裝工位上按照設計圖紙放樣,將前期製作的高低兩套鋼支墩均勻布置並臨時固定。支墩頂面放置楔子板,根據管型座內外環之間的距離調整兩套鋼支墩的高差。
2.將內配水環整體吊起防止在內圈的低支墩上,調整上法蘭面水平度,偏差不得大於1毫米。
3.調整導葉的端面,儘量使所有導葉大端面與外配水環內壁之間無間隙。
4.將外配水環和導葉整體吊起一定高度,與內配水環套裝,調整內、外配水環上的X、Y十字標記重合,使同心度滿足要求,並進一步檢查調整外配水環法蘭面的水平小於1毫米。
5.然後利用千斤頂將內配水環頂起,直至與部分導葉接觸為止,同時測量調整內外配水環出水口法蘭面的距離與管型座內外環進水口法蘭距離一致。檢查調整導葉下端軸孔與內環孔的同心度,如果導葉孔一側有規律的偏大或偏小,則需旋轉內、外環配水環來調整。
七、導葉下端軸安裝
導葉下端軸孔與內環孔的同心度調整完畢後,根據圖紙及廠家說明書的要求安裝導葉下端軸,並使用液壓拉伸器加壓將連線螺栓預緊到設計要求。利用吊裝工具按相應的標記安裝下支座。
八、導葉的調整
複測內外配水環的水平度以及內外配水環法蘭面的距離,使其與管型殼內、外環達到一致。利用套筒上的調整螺套對導葉進行軸向調整在導葉處於關閉位置時測出導葉端面間隙,如果導葉端面間隙出現有規律的傾斜,則需旋轉內外配水環調整;若出現無規律或個別導葉傾斜的情況,則通過臨時工具進行調整,從而確保導葉軸線位置的正確。測量導葉間隙,若不滿足要求,應根據計算出的修磨量對導葉的內環相應部位進行必要的處理。導葉在調整過程中必須採取可靠的防護措施,避免導葉自行轉動造成安全事故。
九、控制環安裝
清掃控制環和壓環的分瓣組合縫,檢查有無傷痕比處理合格。組合控制環和壓環時,應調水平並在組合面塗上油脂,按一定扭矩擰緊組合螺栓,連成整園後應檢查其園度及其他尺寸是否與圖紙相符。
清掃控制環和外配水環上的球軸承槽,清掃密封槽及潤滑油孔,安裝密封條並塗潤滑脂。把控制環吊起,用鏈式葫蘆調水平,慢慢下落靠近外配水環時,在四周加千斤頂,用於解決控制環直徑大,剛性差吊點間可能變形過大,不好找正,利用千斤頂配合吊車同步使控制環下落到合適的高度,裝入鋼球,調整好控制環與外配水環間的間隙,然後裝上螺栓,按設計要求均勻擰緊壓環推拉螺釘,保證鋼球和外配水環滾道間隙滿足要求(用百分表或塞尺檢查),試驗控制環靈活無發卡、擺動等現象後,安裝油杯注油。
十、安全連桿及連桿裝配
將控制環按關閉位置臨時固定牢固,檢查所有導葉應處於在關閉位置,按照圖紙及出廠標記安裝連桿。該電站連桿採用的是2009年前新引進的安全連桿結構和擾曲連桿結構相結合,間隔布置。安全連桿也稱彈性連桿,它分為兩段,中間是軸銷結構,外面是由彈簧固定。當導葉出現卡阻現象時,連桿受力超過彈簧的整定值時,彈簧拉伸二段連桿中間的軸銷傳動,起到了保護導葉的作用,檢查後彈簧可恢復原狀。安全連桿良好的結構性能,解決了以往貫流式機組導水機構中剪斷銷剪斷的問題。安裝完連桿後,安裝自動限位開關及反饋機構。
十一、導水機構翻身吊裝
1.導水機構的起吊準備工作
1)所有導葉均應推至與外配水環內壁接觸嚴密,然後在每片導葉與內配水環之間安裝楔子板,以保持外配水環的圓度,對稱打緊導葉與內配水環間楔子板並點焊固定。
2)將所有導葉調至全關位置,將相臨的兩個導葉用鋼板焊接在一起,這樣所有導葉就組成一個整體,藉助導葉起到鋼支撐的作用。
3)在導水機構出口端的內外環法蘭面之間設計安裝一個支持架,將內外環固定,既控制了內外環軸向位移,又控制了內外環徑向位移和變形。
4)控制環與外配水環之間應沿圓周方向對稱焊接四塊拉板,防止控制環轉動和變形。
2.導水機構吊裝
1)導水機構吊裝用的鋼絲繩必須具有5~6倍以上的安全係數,卡扣、吊環的額定起吊重量必須滿足吊裝要求。
2)導水機構翻身的支點必須成為弧形,以防止重心的突然變化,一般廠家提供兩個翻身靴安裝在外配水環-Y方向的兩側。由於外配水環離地面較高,因此應在翻身靴正下方用硬方木搭設“山墩”,“山墩”的長度和寬度應滿足導水機構翻身需要,“山墩”必須使用鋼釘連線固定,防止導水機構翻身過程中“山墩”倒塌造成事故。
3)校合導水機構的重心位置是否正確如有問題應及時修改吊耳位置,避免翻身吊起後導水機構法蘭面垂直度偏差過大,影響正常安裝就位。同時,導水機構+Y方向的主吊耳的焊縫必須認真檢查。
4)以上工作已完全準備就緒就可以慢慢起鉤,待導水機構離開地面時方可把翻身工具拆除,以不妨礙導水機構的安裝為止。
5)大型燈泡機組的導水機構整體重量較重,一般都在150噸以上,常規的手拉葫蘆無法調整,因此翻身後,應對外配水環的垂直度進行初步調整,利用吊裝鋼絲繩的串動調整導水機構的重心,從而調整外配水環的垂直度。
十二、導水機構整體安裝調整
1.導水機構進入機坑後,根據垂直度的實際偏差,利用10噸或20噸手拉葫蘆橫向拉動導水機構,調整垂直度使組合法蘭平行為止,方便穿連線螺栓。
2.檢查導水機構外配水環X、Y十字標記與管型座外環是否重合,並利用管型座外環正下方準備好的千斤頂及頂絲進行調節,假如有必要的話,也可以在側面各架一個螺旋千斤頂進行調節,通過導水機構整體旋轉的方式,使二者的中心重合。
3.用下面兩個千斤頂和側向的千斤頂進行調節,首先保證導葉端面間隙儘量均勻,然後兼顧少數螺絲孔的錯位,調整安裝內外配環連線螺栓,當達到要求後便可以分兩組對稱打緊螺栓,假如有少數螺絲孔錯位,便可以進行適當的處理。
4.待螺栓打緊後便可以松鉤拆掉吊具和支架,鬆開千斤頂,導水機構的整吊裝完畢。
5.取出導葉內外環端面的楔子,測量檢查所有導葉端面間隙,根據測量間隙精確調整導葉內外環的相對位置,同時應考慮轉動部分安裝後內環的下沉量,導葉間隙符合要求後,打緊導水機構所有把合螺栓。
6.根據圖紙,鑽絞相應導葉內外環組合面的定位銷,並安裝定位銷;拆除臨時支撐,並打磨乾淨。
十三、導葉端面、立面間隙調整
測量出各個導葉端面總間隙,通過調整螺栓調整導葉內外端間隙應對稱,使其滿足設計要求。用橋機或鏈式葫蘆轉動控制環,關閉導葉,檢查相鄰導葉間的立面間隙,導葉立面間隙可藉助連桿長度調整,局部間隙大則需用砂輪機或銼刀等工具修磨,如果導葉傾斜,則利用外配水環上的調節裝置調整。導葉立面間隙調整工作比較費時,需要重複作到每個導葉與相鄰導葉接觸符合規範要求,否則必須進行研磨處理直到符合要求為止。首先隨意選擇相鄰的四片導葉作為基準,第一片導葉的調整環儘量在中心位置並用楔子板鎖定導葉(有必要可同時加上拉緊器鎖定),第二三、四片,以第一片為基準關閉,測量導葉的關閉位置,由於加工上的誤差必須反覆進行調整,儘量使四片導葉的關閉線相等。這四片導葉調整好後,其餘各片逐個關閉檢查處理。利用上述方法反覆幾次調整,每片導葉關閉嚴密後,需要整體檢查一下關閉線位置和立面間隙是否為零(如反覆關閉都不能達到規範要求,也可以人為的在最後一個導葉或立面間隙嚴重超差的導葉位置留一條縫最後處理,這樣可以減少導葉的磨削個數,給施工帶來方便)各導葉的端面、立面間隙符合設計及規範要求,轉動靈活,無卡阻現象,就說明完成了導水機構的最後調整。
《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》的勞動力組織見表1。
參考資料:
材料設備
《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》無需特別說明的材料,採用的主要設備見表2。
參考資料:
質量控制
《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》的質量控制要求如下:
一、分瓣外導水環、內導水環和控制環組合面應按設計要求塗密封膠或安裝密封條,裝配密封條時其兩端露出量一般為1~2毫米。
二、設備組合面應光潔無毛刺。合縫間隙用0.05毫米塞尺檢查,不能通過;允許有局部間隙,用0.10毫米塞尺檢查,深度不應超過組合面寬度的1/3,總長不應超過周長的20%;組合螺栓及銷釘周圍不應有間隙。組合縫處安裝面錯牙一般不超過0.10毫米。
三、導水機構裝配應符合下列要求:
1.內、外導水環應調整同軸度,其偏差不大於0.5毫米;
2.導水機構上游側內、外法蘭間距離應符合設計要求,其偏差不應大於0.4毫米;
3.導葉端面間隙調整,在關閉位置時測量,內、外端面間隙分配應符合設計要求,導葉頭、尾部端面間隙應基本相等,轉動應靈活;
4.導葉立面間隙允許局部最大不超過0.25毫米,其長度不超過導葉高度的25%。
一、內、外導水環和活動導葉整體吊入機坑時,應將內導水環和導水錐與管型座的同軸度調整到不大於0.5毫米.
二、控制環與外導水環吊入機坑後,測量或調整控制環與外導水環之間的間隙,應符合設計要求。
施工前,根據工程實際條件,組織工程技術人員反覆認真討論研究,確立一套適合的技術措施和工藝流程,細到每一個環節,都制定相應的技術質量控制和檢查驗收標準,採用“三三制”的控制措施,即“三階段”控制、“三檢制”控制,從技術上對工程施工質量作出保證。“三檢制”控制完善自身的質量檢驗制度,對單元工程首先進行內部“自檢”,實行“三檢制”即施工人員初檢、技術人員復檢、質量安全部終檢。檢查合格後,由質量安全部門組織監理單位驗收。
一、遵照國家和部頒布的所有現行的技術規範、規程、標準進行安裝、調試及驗收。當國家或部頒的標準及規範作出修改補充時,則以修改後的新標準及規範為準。若標準之間出現矛盾時,以高標準為準。
二、《水輪發電機組安裝技術規範》GB 8564-2003。
三、《水工金屬結構焊工考試規則》SL 53-92。
四、《水利水電基本建設單元工程質量等級評定標準》SDJ 294-88。
一、內外配水環調整同軸度,其偏差不大於1.0毫米。
三、導水機構上游側內、外法蘭間距離應符合設計要求,其偏差不應大於0.5毫米。
三、導葉端面間隙調整,導葉外端面間隙為實際總間隙的60%~70%,內端面間隙為實際總間隙的30%~40%。
四、導葉立面間隙允許局部最大不超過0.25毫米,其長度不超過高度的25%。
安全措施
採用《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》施工時,除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外,尚應遵守注意下列事項:
從安全體系、安全措施、安全管理制度上實現工程的安全生產管理,首先從思想上認識安全生產的重要性和緊迫性,制定了安全工作目標,制定安全考核和獎懲辦法,與主要施工負責人員簽訂安全考核指標;從安全技術上、措施上、制度上、人員上嚴把安全關,加大人力、物力、財力的投入,牢牢把握住重點、高危作業部位的安全防護;每月進行一次安全檢查,對施工環節存在的安全問題,提出整改意見並要求限期落實;提高了工程參建人員安全意識,增強了安全責任。
環保措施
《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》的環保措施如下:
1.在施工過程中,嚴格遵守國家和地方的有關環境保護的法規和規章以及契約的有關規定,並對違反環境保護的法規和規章以及契約的有關規定所造成的環境及人員和財產損失負全部責任。
2.在施工前,對施工人員進行保護環境的教育,並在施工中堅持做到保護環境,保持生產、生活區域內整潔、衛生。
3.在施工過程中採取有效措施,注意保護飲用水源不因施工活動造成其污染。
4.為了保持施工區的環境衛生,在工地現場設定足夠的臨時衛生設備,及時清理垃圾,並運至監理單位或業主指定的地點進行堆放或處理。
5.採用先進的設備和技術,努力降低噪聲,控制粉塵和廢氣濃度以及做好廢水的治理和排放。
6.在工程施工過程中,合理地保持施工場地不出現不必要的障礙,合理布置存放設備及多餘材料,及時從現場清除所有垃圾及不再需要的臨時設施。防止任意堆放器材、雜物阻塞工作場地周圍的通道和破壞環境。
效益分析
《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》效益分析:
1.導水機構的安裝堅持用科學的方法指導生產,通過最佳化施工,節約了工期,導水機構從吊入機坑調整到完成安裝,僅僅用了4天,安裝的成本得到了有效的控制,效果顯著。通常導水機構整體吊裝,由於外配水環圓度變形、內外配水環同心度變化等原因,導水機構吊裝調整需要10天才能完成,因此直線工期縮短6天,直接施工成本降低萬元,創造間接經濟效益12萬元。
2.根據導水機構安裝的現場跟蹤、檢測、驗收、運行證明了導水機構安裝質量滿足規程規範和廠家有關技術標準,實現了導水機構的設計性能。
3.通過對橋鞏導水機構的施工總結、最佳化和改進,取得了較高的科技研究成果,彌補了中國國內外在該方面的技術研究空白,為同類型水輪發電機組的設計選型、製造、安裝和運行管理積累了經驗。
註:施工費用以2009-2010年施工材料價格計算
套用實例
《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》的套用實例如下:
1.工程概況
橋鞏電站水輪發電機組是全國單機容量最大的燈泡貫流式水輪發電機組,單機容量為57兆瓦,轉輪直徑7.45(7.4)米,額定轉速為83.3轉/分鐘,最大水頭24.3米,水輪機型號:GZ(758)-WP-740(東電)、GZB38M-WP-745(天阿),發電機型號SFWG57-72/9000(電)、SFWG57-72/9000(天阿)。
2.施工情況
橋鞏水電站於2005年1月開工,2007年11月完成主河道截流,2008年2月份1號機組開始安裝。1號機於2008年7月25日進入72小時帶負荷試運行,7月27日順利完成。7月28日正式投入商業運行;3號機於2008年11月30正式投入商業運行。
3.工程檢測與結果評價
經過3年的運行,1號、3號機在當前水頭下最高帶57MW負荷,未發現機組有任何異常,定、轉子溫升較低,通風冷卻系統餘量較大,經中試所多次測試和全過程監控,機組各部分系統運行情況良好,各參數符合規程規範、廠家技術要求。
榮譽表彰
2011年9月,中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2009-2010年度國家級工法的通知》建質[2011]154號,《超大型燈泡貫流式機組導水機構安裝工法》被評定為2009-2010年度國家二級工法。