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1、惠蓄300MW可逆式机组设计修改和技术改造综述惠州抽水蓄能电站建设公司 何少润 魏炳漳 摘要：惠州抽水蓄能电站作为引进ALSTOM的建设项目，在安装调试过程中对主机设备相关部件进行了一系列的设计修改。本文汇集了惠蓄电站水泵水轮机、电动发电机、球阀以及水力机械辅助设备方面主要的设计修改和技术改造项目，并根据具体情况进行不同层次的介绍和剖析，供在建或拟建蓄能电站国产化后续项目的机组设备设计、制造借鉴和参考。关键词：水泵水轮机 转轮 水导轴承 主轴密封 电动发电机 磁极线圈 磁轭叠压 球阀伸缩节 板式冷却器 钢管排水阀一、前言惠州抽水蓄能电站（以下简称“惠蓄”电站）位于广东省惠州市博罗县紧靠东江中游
2、的城郊，是一座周调节的纯抽水蓄能电站。电站分A、B厂，分别安装4台立式单级混流可逆式水泵水轮机电动发电机组，单机容量（发电工况）300MW，总装机容量2400MW，和广州抽水蓄能电站同为目前世界最大的抽水蓄能电站之一。 惠蓄电站作为国家发改委技术引进、捆绑招标的主要建设项目之一，与宝泉、白莲河抽水蓄能项目于2004年分别同ALSTOM公司签订了主机设备采购合同，且ALSTOM的引进技术还被应用在黑麜峰、蒲石河等抽水蓄能机组国产化后续项目上。 鉴于ALSTOM设计的主机设备在惠蓄电站安装调试过程中发现较多的缺陷，在惠蓄业主的督促和大力配合下，ALSTOM对主机设备相关部件进行了一系列的设计修改，
3、其中也采纳了业主提出的诸多技术改造建议。为了给在建或拟建蓄能电站国产化后续项目的机组设备设计、制造提供有益的借鉴，本文汇集了惠蓄电站ALSTOM主要的设计修改和技术改造项目，并根据具体情况进行不同层次的介绍和剖析，供有关人士参考。二、水泵水轮机部分惠蓄电站水泵水轮机额定转速500 r/min，额定水头/扬程为517.4/553 m，额定出力/入力为306.12/272.66 MW，水轮机/水泵工况额定流量为66.2/47.2 m3/s。其结构参见图1，主要设计修改及技术改造分述如下：1 机坑里衬；2 中间轴；3 水轮机轴；4 水导轴承；5 顶盖；6 导叶接力器；7 主轴密封；8 活动导叶；9
4、转轮；10 座环；11 蜗壳；12 底环；13 尾水管。图1 水泵水轮机剖面图 1转轮的设计修改转轮是水泵水轮机最重要的部件，由上冠、9个材料为ASTM A743 GrCA6NM的叶片、下环和泄水锥焊接而成。水轮机进口边/水泵出口边直径3828 mm，高度1133 mm，重量21700 kg，如图2所示。图2 转轮结构由于在已投入运行2#3#机的转轮叶片靠近下环出口边发生与ALSTOM在另外一个抽水蓄能电站同样发现的空蚀情况（参见图3），为了保证和进一步提高技术的可靠性，ALSTOM的技术部门决定在该部位产生气穴风险更大的惠蓄电站进行必要的修改。即将原转轮叶片出口边（见图4）按图5所示进行修改
5、，尽管这样的修改会增加该部位的应力集中，但根据ALSTOM所进行的转轮应力分析及计算表明，由于此处载荷较小，泵工况进水边的应力较低，且不会对转轮的平衡造成影响。GRENOBLE工厂和东方电机厂已经对新1#机和4#7#机进行了修改，8#机也在工地进行了修改，23#机拟在工地进行此项修改工作。图3 转轮叶片空蚀图4 原转轮叶片图5 转轮叶片出口边修改图 2水导轴承的技术改造惠蓄机组水导轴承为稀油润滑导轴承，采用可调整分块瓦结构，主要由水导瓦、球形头和推力块、楔型块及其调整螺栓、内挡油圈、外油箱和轴承体等组成，如图6所示。图6 水导轴承结构由于机组甩负荷及过渡工况时大轴所产生的径向冲击力较大，致使球
6、面抗重块与推力块接触面产生塑性变形（最大值达到0.07mm），并由于导瓦间隙增大而影响轴线状态。为此，ALSTOM决定对材质均为34Cr2Ni2Mo（调质）的球面抗重圆柱和推力块进行表面淬火处理，使其硬度从248HB提高到52HRC以上，较好地解决了上述问题。 3. 水导轴承外循环冷却系统的技术改造 1）机组投入试运行初期，水导轴承及其冷却系统运行极不稳定，主要存在以下问题： 水导轴承初期运行瓦温偏高，如1#机空载500rpm仅半小时即达到65.669.9，接近跳机值70，而油温仅32.8； 随着机组转速升高，油泵噪音达到103dB，使用超声波流量检测仪检测无显示，油槽内循环油呈现高度乳化现象
7、； 螺杆泵与电动机的梅花型弹性联轴节由于振动剧烈而破裂、地脚膨胀螺栓松动。 2）经分析一致认为，由于所选用泵型的流量值与水导油槽内外油腔的容积不相匹配，导致溢出到回油腔的油位不能满足设备技术手册关于“油泵吸油孔口必须低于回油槽的油面100mm以下” 的规定，甚至出现不能淹没油泵90mm吸油孔口的情况，从而引发噪音和振动。为此，ALSTOM采取了适当缩短主螺杆工作长度（即减少密封腔数）的处理措施：将“PZ102 #3CRSRHA”型三螺杆泵（密封腔个数为2）主螺杆的上部沿轴向进行过渡车削，由原102mm外圆车削加工至99mm（如图7所示条影部分），使密封腔个数减为1。同时，也改变了主动螺杆工作系
8、数，适当增大泵体内部泄漏量。图7 主螺杆 3）采取在工作腔内上部油盆壁径向开10个20060mm的矩形孔使内外油腔顺畅沟通的措施，如图8所示。籍以提高导轴承油槽内油路循环的合理性，遏制油槽内油流的浪涌、飞溅、爬升所产生的剧烈扰动，减少空气混入油中形成含有大量气泡泡沫层在回油腔内被吸进油泵的可能，从而避免引发气蚀、噪音和振动。图8 水导油槽侧壁开孔示意图 4）由于螺杆泵吸油管径为150mm，而水导油槽排油孔口仅90mm，为了使油路畅通，在油槽下部增设回油联通管，如图9所示。图9 水导油槽增设回油管布置图 5）经以上处理后，机组投入运行效果明显好转： 瓦温及油温趋于正常。 油泵出口油压从原来的3.
9、53.6bar降低到2.52.9bar；泵流量也维持在空载运行水平，基本达到了油泵与油槽容积匹配的效果。 机组正常运转时，油泵泵体振动均34mm/s；噪音也明显减低，一般均低于GB11890规定的上限值85dB。 水导轴承外循环油冷却系统各种工况均能能够平稳运行，同时，内油盆从溢流孔口外溢的油流甚少、大大减轻油乳化现象。 4 主轴密封的设计修改 惠蓄电站主轴密封采用弹簧复位式流体静压平衡轴向机械密封形式，由浮动环、固定环、密封环、抗磨环、压紧弹簧装配等部件组成，如图10所示。压紧弹簧装配包括8个不锈钢压紧弹簧（自由状态下长度为150mm，加预应力长度为120mm）及配套的导向杆、衬套、垫圈、调
10、整螺杆（参见图10之详图B）。 图10 主轴密封结构 机组运行过程中，多次出现密封供水管断裂、压紧弹簧导向杆断裂（见图11）轴密封严重漏水现象。 图11 密封供水管及压紧弹簧导杆损坏情况 对此，ALSTOM吸纳我们的建议进行了如下设计修改： 1）调整弹簧装配不合理的结构设计 取消调整螺杆，重新加工整轴的导向杆，上部为丝杆并加装备紧螺母增强防松性能，下部加装卡环定位，如图12所示； 取消孔盖；图12 主轴密封修改图 在推力板上加工压紧弹簧的限位槽（见上图），避免扭紧螺帽时弹簧产生偏移，影响其“保持浮动环的周向稳定”的功能； 2）将约束活动环兼有导向性能的“U”盘根，改为约束性能稍强、断面为211
11、8mm的方形密封圈，并在与活动环接触面增设4mm厚的耐磨层，如图12之详图C所示。 3）图11所示管道均更换为软管连接。 5导水机构连杆的技术改造连杆机构包括上下两块连板（中间用螺栓和拉板连接固定）、马蹄型连接夹板和拐臂，连杆两端均通过球轴承连接，如图13。图13 导水机构结构图 1）机组运行中出现以下事故征兆： 如图13及14中的塑料销钉（材质为CESTIDUR）磨损、脱落，失去连杆调平定位的作用，导致导叶连杆与拐臂碰磨现象。 导叶拐臂端的球轴承锁定螺母下的垫片磨损乃至松动，同时不同程度产生污泥状黑色粉末，如图15所示。 球轴承偏心销定位镫形块的点焊全部出现裂纹。 严重的刮磨可能影响到该导叶
12、接力器动作的同步性能，而拐臂的上下摆动还会挤压导叶止推垫片，严重时导致止推垫片破裂（如图16所示）。 图14 图15图16 2）ALSTOM按照我们的建议进行了以下改进，如图17所示： 对原销钉孔进行M18攻丝，攻丝深度约2530mm。 原销钉改为M18螺钉，如详图A所示。 调整螺钉压紧塑料抗磨柱，使连杆达到调平要求；为了使拐臂的摆动不至于对上连杆产生轴向力，调整后再将螺钉提升1mm, 然后锁紧，螺母使塑料销钉有上下位移余量，参见图17之详图A。图17 连杆机构修改图 6 抗磨板上浮/下沉的分析处理多台机组导水机构上下抗磨板在经过一段时间运行后，均发现多处发生不同程度的下沉/上浮，由此导致导叶
13、端部间隙减小甚至磨损（如图18所示），个别机组（如6#机顶盖抗磨板）在安装前就出现这种状况。 图18 抗磨板固定螺栓下沉及抗磨板磨损经检查分析，造成这种现象的原因主要是：顶盖/底环固定抗磨板的螺孔攻丝深度不足，固定螺钉未到位，达不到限制抗磨板上浮的目的，如图19（a）为设计装配图，而(b)则固定螺钉未到位尚有“”间隙的异常状况。图19 抗磨板固定螺栓结构另外一种可能是承受螺钉固定作用部分的抗磨板厚度只有9mm，当抗磨板与顶盖/底环之间渗入水压使其产生变形时也会出现抗磨板下沉/上浮而与导叶磨擦损伤。显然，抗磨板的下沉/上浮也说明设计所采用层间涂抹“TED IRON”防护涂料并没有起到应有的作用。
14、以上问题的有效处理办法正在探索之中。 7. 取消转轮压水水环释放系统惠蓄电站水环原设计为：转轮充气压水起动过程中,漏入转轮室的水流在转轮离心力的作用下于导叶出水面形成水环，当水环越积越厚,达到一定程度时,将由座环的水环释放管(由液压阀控制)排至尾水廊道（如图20所示）。 图20 水环释放系统原设计根据广蓄电站成功经验采取的改进方案是调节平稳的迷宫环冷却水量使其泄漏水泄漏到转轮室，并在转轮离心力的作用下，在转轮室导叶出水面形成水环。水环过厚时可直接由导叶端面（0.30 mm）和立面间隙（0.05mm）逸入蜗壳。调试中若水环厚度过薄，可适当增加上下迷宫环冷却水的流量或采用在蜗壳减压管上增设节流片来
15、适当减小水环排水，达到水环供水与排水的动态平衡，保证水环厚度适中。如图21所示，1#8#机均取消了水环释放管及其附件，既简化了结构，又改善了水环水力流态，减小座环上的水力振动，相应减小了设备故障的机率，提高了水泵工况起动的成功率和调相运行的可靠性。图21 取消水环释放系统的设计 8. 转轮上下止漏环供水方式的设计修改转轮上下止漏环供水的初始设计系采用上游管道供水，参见图22。图22 转轮上下止漏环压力钢管供水为了使转轮上下止漏环供水得到平稳压力的水源，经修改设计增加了来自技术供水的水源，参见图23。图23 转轮上下止漏环技术供水三、电动发电机部分 惠蓄电站电动发电机额定转速500 r/min，额定输出/输入容量为334 MVA/353 MVA，额定电压18 kV，发电/抽水工况的额定电流分别为10713 A /11547 A，额定功率因素分别为0.9/
