大崗山水電站水輪機(jī)設(shè)備頂蓋及圓筒閥預(yù)裝、安裝工藝優(yōu)化

謝守斌

【摘要】本文主要介紹對設(shè)計(jì)有圓筒閥（或稱為筒閥）的水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在預(yù)裝、安裝工作中，以確保不降低設(shè)備安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為前提，通過施工流程的優(yōu)化及采取必要措施，確保最終達(dá)到縮短施工工期、降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)的目的。

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī)；頂蓋；圓筒閥；工藝；優(yōu)化

一、概況

1、工程及設(shè)備概述

四川大渡河大崗山水電站為地下廠房發(fā)電工程，電站左岸山體內(nèi)共安裝4臺(tái)單機(jī)額定容量650MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量2600MW，單機(jī)容量為大渡河流域各梯級電站之最。

電站水輪機(jī)設(shè)備由上海福伊特水電設(shè)備有限公司（簡稱VOITH）提供，本文主要涉及的相關(guān)設(shè)備是水輪機(jī)設(shè)備中的頂蓋和圓筒閥，其中頂蓋分4瓣到貨，組裝后總重約230t、最大外徑φ10150mm、最高尺寸2177.5mm；圓筒閥分2瓣到貨，組裝后總重約77t、最大外徑φ9327.6mm、高1825mm。

2、頂蓋、筒閥工作原理簡介

上述圖1、圖2分別為頂蓋與圓筒閥示意圖，如圖中所示：圓筒閥的接力器安裝于頂蓋之上，圓筒閥接力器活塞桿與圓筒閥通過超級螺母連接固定，接力器活塞桿的上下動(dòng)作即可帶動(dòng)圓筒閥做升降啟閉動(dòng)作。當(dāng)圓筒閥開啟時(shí)，圓筒閥存放于頂蓋外側(cè)的圓筒閥儲(chǔ)存?zhèn)}內(nèi)，關(guān)閉后則位于固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉之間，起到機(jī)組在緊急事故停機(jī)時(shí)快速切斷流道的目的。如圖3所示：

圓筒閥的動(dòng)作僅為上下升降的起閉動(dòng)作，升降動(dòng)力由圓筒閥接力器提供，升降動(dòng)作的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性靠6個(gè)筒閥接力器動(dòng)作的一致性，以及筒閥周圈的導(dǎo)向條與固定導(dǎo)葉導(dǎo)軌的間隙偏差控制，一臺(tái)套筒閥周圈共布置12根導(dǎo)向條，導(dǎo)軌與導(dǎo)向條設(shè)計(jì)間隙為1.2毫米。筒閥參與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝，一方面是為了檢查筒閥接力器動(dòng)作的穩(wěn)定性，另一方面是為在預(yù)裝時(shí)測量筒閥本體導(dǎo)向槽與固定導(dǎo)葉導(dǎo)軌之間的實(shí)際間隙，以便進(jìn)行導(dǎo)向條的配刨加工。當(dāng)配刨后的導(dǎo)向條使用沉頭螺釘固定于筒閥閥體上以后，筒閥導(dǎo)向條與固定導(dǎo)葉導(dǎo)軌的間隙應(yīng)滿足1.2（-0.2mm～0mm）毫米的偏差要求。

3、方案優(yōu)化原因

按照原廠家安裝說明要求和原施工方案，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝、安裝期間，頂蓋、圓筒閥共需吊入機(jī)坑3次，吊出機(jī)坑2次，且該方案已在4#、3#（前兩臺(tái)）機(jī)組安裝工作中實(shí)施。但按照大崗山主要機(jī)電設(shè)備施工方案和邏輯關(guān)系安排，2#、1#機(jī)定子將在機(jī)坑內(nèi)組裝、疊片、試驗(yàn)，定子組裝施工、試驗(yàn)完成前，水輪機(jī)設(shè)備將無設(shè)備吊裝就位通道，故水輪機(jī)設(shè)備預(yù)裝、安裝工期相對4#、3#機(jī)組發(fā)生重大改變，水輪機(jī)設(shè)備開始導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝至發(fā)電機(jī)軸吊入機(jī)坑安裝的相對施工工期從170天銳減至110天。介于上述原因，頂蓋、筒閥組裝方案的優(yōu)化即成為最重要的可優(yōu)化施工項(xiàng)目之一。

二、頂蓋與筒閥優(yōu)化方案對比

1、方案流程

（1）原方案流程

頂蓋、筒閥原施工方案和流程如下：頂蓋單獨(dú)吊入機(jī)坑（第1次吊入）預(yù)裝，預(yù)裝完成后在頂蓋上進(jìn)行圓筒閥接力器支座預(yù)裝和圓筒閥接力器預(yù)裝→頂蓋吊出機(jī)坑（第1次吊出）與圓筒閥連接→頂蓋、圓筒閥整體吊入機(jī)坑（第2次吊入）進(jìn)行圓筒閥預(yù)裝（測量導(dǎo)向槽與導(dǎo)軌間隙）→頂蓋、圓筒閥整體吊出機(jī)坑（第2次吊出），同時(shí)按照測量間隙配刨圓筒閥導(dǎo)向條→圓筒閥導(dǎo)向條安裝→頂蓋、圓筒閥整體吊入機(jī)坑（第3次吊入）安裝。

（2）優(yōu)化方案流程

頂蓋、圓筒閥預(yù)裝、安裝優(yōu)化方案流程如下：當(dāng)頂蓋在安裝間組裝完成后，將頂蓋水平調(diào)平（確保水平偏差與座環(huán)上法蘭面加工后的水平偏差一致，表面水平偏差≤0.15毫米）→圓筒閥接力器支座預(yù)裝、圓筒閥接力器預(yù)裝→頂蓋與圓筒閥（安裝間）連接→頂蓋、圓筒閥整體吊入機(jī)坑（第1次吊入）預(yù)裝（吊入機(jī)坑后，先進(jìn)行頂蓋預(yù)裝、定位，再進(jìn)行圓筒閥預(yù)裝）→頂蓋、圓筒閥整體吊出機(jī)坑（第1次吊出），同時(shí)按照測量間隙配刨圓筒閥導(dǎo)向條→圓筒閥導(dǎo)向條安裝→頂蓋、圓筒閥整體吊入機(jī)坑（第2次吊入）安裝。上述施工流程可詳見工藝流程圖。

2、方案流程圖對比

3、頂蓋與圓筒閥施工工序優(yōu)化核心

本次方案優(yōu)化主要通過圓筒閥接力器預(yù)裝工序的改變，以期達(dá)到優(yōu)化導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝工期，緩解緊張施工工期、降低大件吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)的目的。即將原方案中頂蓋第一次吊入機(jī)坑預(yù)裝合格后，再在機(jī)坑內(nèi)占用直線工期進(jìn)行圓筒閥接力器預(yù)裝的工序，優(yōu)化至在頂蓋吊入機(jī)坑預(yù)裝前（不占用在機(jī)坑內(nèi)施工的直線工期），在安裝間進(jìn)行圓筒閥接力器預(yù)裝。

4、頂蓋與圓筒閥施工工序優(yōu)化原因概述

（1）主機(jī)設(shè)備安裝工期壓力

根據(jù)原施工工序，在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝、安裝期間，頂蓋、圓筒閥共需吊入機(jī)坑3次，吊出機(jī)坑2次，從導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝開始至發(fā)電機(jī)軸吊入機(jī)坑安裝工期約有170天。但由于后續(xù)2#、1#機(jī)定子將在機(jī)坑內(nèi)組裝施工，將阻斷水輪機(jī)設(shè)備進(jìn)入機(jī)坑的全部通道，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝必須待定子施工平臺(tái)拆除完成后方可進(jìn)行，其有效施工工期將從170天銳減至110天，施工工期壓力艱巨。

（2）安全風(fēng)險(xiǎn)

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝、安裝期間，發(fā)電機(jī)正進(jìn)行定子線棒嵌裝，定子下線防護(hù)棚高于發(fā)電機(jī)層地面2米，故頂蓋、圓筒閥吊裝時(shí)，需使用單臺(tái)橋機(jī)的2組大鉤抬吊，方可順利跨越；但當(dāng)頂蓋吊裝時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)葉又需穿過頂蓋上的軸孔，兩組大鉤抬吊則不利于頂蓋在吊裝就位時(shí)的旋轉(zhuǎn)，吊裝角度與就位角度稍有偏差則無法確保一次性穿過活動(dòng)導(dǎo)葉而吊裝就位，所以每次吊入、吊出機(jī)坑均需要利用鋼支墩在機(jī)坑內(nèi)進(jìn)行一次橋機(jī)大鉤單鉤和雙鉤吊裝的更換，方可吊裝就位；再加之頂蓋與圓筒閥組裝后總達(dá)307噸的重大件吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)，若吊裝次數(shù)越多，安全風(fēng)險(xiǎn)也就越大。

（3）其它電站施工經(jīng)驗(yàn)

通過對近年來設(shè)計(jì)有圓筒閥裝置且已建成電站的調(diào)研，有部分電站也已有實(shí)施上述優(yōu)化方案的成功先例，其成功經(jīng)驗(yàn)可供參考和借鑒。

（4）結(jié)論

通過上述3項(xiàng)主要原因分析，我部擬將頂蓋與圓筒閥施工工序優(yōu)化為頂蓋2次吊入機(jī)坑，1次吊出機(jī)坑。

三、優(yōu)化方案技術(shù)說明

1、技術(shù)難點(diǎn)

對于圓筒閥的預(yù)裝和安裝，關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)主要是通過圓筒閥接力器基座水平調(diào)整來確保圓筒閥接力器活塞桿的垂直度（0.10mm/m）。

原方案主要通過頂蓋在機(jī)坑內(nèi)預(yù)裝合格、定位銷釘孔鉆鉸完成后，在永久安裝狀態(tài)下（座環(huán)上法蘭面水平現(xiàn)場機(jī)加工后要求小于0.15mm）進(jìn)行圓筒閥接力器基座的水平調(diào)整（0.05mm/m），并依靠其水平確保圓筒閥接力器活塞桿操作的垂直。

工藝優(yōu)化后，頂蓋將在安裝間調(diào)整水平（按照頂蓋安裝就位后的極限偏差進(jìn)行調(diào)整，即按照座環(huán)上法蘭面現(xiàn)場機(jī)加工后水平，小于0.15mm），再進(jìn)行圓筒閥接力器基座水平的調(diào)整；優(yōu)化方案中頂蓋水平的測量誤差、頂蓋在安裝間鋼支墩上的彈性變形情況等將與頂蓋在機(jī)坑內(nèi)存在偏差，按照該方案執(zhí)行后是否可滿足筒閥接力器基座和筒閥接力器活塞桿的質(zhì)量要求，即為此項(xiàng)優(yōu)化的技術(shù)難點(diǎn)。

2、技術(shù)難點(diǎn)分析及解決方案

座環(huán)上法蘭面為工地現(xiàn)場機(jī)加工，加工水平<0.15mm，加工面直徑φ10150mm，若考慮頂蓋與座環(huán)的把合面水平忽略不計(jì)，故當(dāng)頂蓋吊入機(jī)坑與座環(huán)把合后，其頂蓋水平度應(yīng)為0.015mm/m（0.15mm÷10.15m）以內(nèi)。

另根據(jù)已施工機(jī)組4#、3#機(jī)施工經(jīng)驗(yàn)，圓筒閥接力器基座在機(jī)坑內(nèi)安裝時(shí)，基座上平面（筒閥接力器把和面）水平≤0.05mm/m，圓筒閥接力器安裝后即可滿足接力器活塞桿≤0.1mm/m的垂直度要求。

按照頂蓋外徑與頂蓋水平偏差的關(guān)系分析其對圓筒閥接力器基座水平的影響，頂蓋在機(jī)坑內(nèi)和安裝間兩種不同的工況下，其頂蓋水平變化可能出現(xiàn)的極限偏差應(yīng)<0.15mm，兩種工況下圓筒閥接力器基座的水平極限偏差a應(yīng)符合如下計(jì)算：

a/500=0.15/10150

a=0.007mm

式中：a為當(dāng)頂蓋水平出現(xiàn)極限偏差時(shí)圓筒閥接力器基座的極限水平偏差；

500為圓筒閥接力器基座上平面最大外徑φ500mm；

0.15為頂蓋水平可能出現(xiàn)的極限偏差0.15mm；

10150為頂蓋最大外徑φ10150mm。

通過上述計(jì)算可知：當(dāng)頂蓋在安裝間調(diào)整水平后的工況與頂蓋在機(jī)坑內(nèi)的工況不同時(shí)，只要其傾斜方向相同（避免出現(xiàn)兩種工況下的正、負(fù)極限偏差，正負(fù)極限偏差將導(dǎo)致兩種工況下的水平極限偏差為0.3mm），即使出現(xiàn)極限偏差0.15mm的情況，其對圓筒閥接力器基座的水平影響僅為0.007mm/m。

因此，在安裝間進(jìn)行頂蓋調(diào)平時(shí)，首先應(yīng)確保頂蓋與座環(huán)上法蘭面加工后的水平傾斜方向相同，擬使用水平儀加測微頭測量頂蓋與座環(huán)把和面的4個(gè)方位水平，并與座環(huán)加工驗(yàn)收數(shù)據(jù)對比，從而最大可能的消除頂蓋在兩種不同工況下的水平誤差；并在此基礎(chǔ)上，盡量將頂蓋在安裝間的水平調(diào)整至與座環(huán)上法蘭面加工后的水平偏差一致。

另按照頂蓋在兩種工況下存在最大0.15mm極限水平偏差，將會(huì)導(dǎo)致筒閥接力器基座出現(xiàn)0.007mm/m水平偏差的分析結(jié)論考慮，當(dāng)在安裝間進(jìn)行接力器基座水平調(diào)整時(shí)，應(yīng)提高基座水平的偏差要求，控制其水平偏差在0.04mm/m以內(nèi)，即可完全消除頂蓋水平對圓筒閥接力器活塞桿垂直度的影響，從而滿足最終安裝要求；另在圓筒閥接力器基座水平調(diào)整時(shí)，若盡量調(diào)整其水平偏差方向與座環(huán)上法蘭面水平偏差方向保持一致，即可最大限度的消除頂蓋在安裝間和機(jī)坑內(nèi)兩種不同工況下水平偏差引起的圓筒閥接力器垂直度偏差。

3、圓筒閥接力器垂直度超標(biāo)補(bǔ)救措施

按照優(yōu)化方案，圓筒閥與頂蓋組合后第一次吊入機(jī)坑預(yù)裝時(shí)，將先進(jìn)行頂蓋預(yù)裝，后進(jìn)行圓筒閥預(yù)裝（進(jìn)行圓筒閥接力器動(dòng)作試驗(yàn)）。若在筒閥動(dòng)作試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)因頂蓋在安裝間和機(jī)坑內(nèi)不同工況誤差而引起圓筒閥接力器垂直度超標(biāo)，導(dǎo)致圓筒閥試驗(yàn)不合格。擬采取措施予以補(bǔ)救：

首先計(jì)劃在后續(xù)2#、1#機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝中，將活動(dòng)導(dǎo)葉預(yù)裝數(shù)量從原方案的20只調(diào)整為18只，6只與圓筒閥超級螺母（用于筒閥接力器活塞桿與圓筒閥連接）對應(yīng)的活動(dòng)導(dǎo)葉不參與預(yù)裝，為后續(xù)可能需要采取補(bǔ)救措施做好準(zhǔn)備。

當(dāng)需要采取補(bǔ)救措施時(shí)，按照圓筒閥接力器的分布位置，對稱均勻的在底環(huán)上放置六個(gè)500mm高鋼支墩并調(diào)平，將圓筒閥下落至鋼支墩水平面上后，拆除圓筒閥超級螺母，吊出圓筒閥接力器，復(fù)測圓筒閥接力器基座水平是否滿足0.05mm/m的要求，如超出要求范圍，重新打磨基座水平至0.05mm/m以內(nèi)，打磨好后回裝圓筒閥接力器、連接超級螺母、提起圓筒閥、拆除支墩，并重新進(jìn)行圓筒閥動(dòng)作試驗(yàn)，直至合格為止。

即使出現(xiàn)上述情況需要采取補(bǔ)救措施，其施工關(guān)鍵流程即已與原方案相同，但同樣也達(dá)到了減少了頂蓋、筒閥整體吊入、吊出機(jī)坑的次數(shù)、縮短直線工期、降低安全風(fēng)險(xiǎn)的目的。

四、效果與結(jié)論

通過大崗山水電站2#、1#機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝、安裝實(shí)踐證明，頂蓋在安裝間調(diào)平后進(jìn)行圓筒閥接力器基座和接力器安裝，其最終圓筒閥接力器垂直度，以及圓筒閥升降動(dòng)作結(jié)果完全滿足質(zhì)量驗(yàn)收要求，無需采用補(bǔ)救措施。在確保不降低施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的前提下，最終實(shí)現(xiàn)了縮短關(guān)鍵線路工期、降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)的目的，為后續(xù)同類機(jī)組施工提供了成熟、寶貴的經(jīng)驗(yàn)。