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我国水电机电安装50年发展与技术进步

北极星电力网技术频道    作者:电力论文3   2007/12/24 18:39:41   

 关键词:  水电 电机 安装

水电机电安装伴随着我国水力发电建设事业的发展已经走过了50年的历程。至今,中国已是世界上第一位的水电装机大国,其在建水电工程规模在世界上也遥遥领先。本文从水电机电安装队伍的发展壮大、装机规模的增加、安装技术的进步和具变革性的技术创新等几个方面论述了我国水电机电安装事业及其技术发展的过程,并提出在新一轮水电建设大潮中机电安装技术的发展趋势和方向。

建国初期的1951年,东北丰满水电站修复并开始安装原苏联制造的新机组,水力发电建设局安装大队成立,水电机电安装行业由此诞生。50年来,尤其是改革开放20年来,我国水电机电安装行业经历了从无到有,从小到大,从弱到强的发展壮大过程。截止到2001年底,全国水电装机容量达到8270万千瓦,已超过美国跃居世界首位。其中大中型水电机组5800万千瓦约占70%。最近11年来,大中型水电机组就投产3213万千瓦,97%由中央直属水电施工企业安装。水电机电安装施工企业(以下简称安装企业)作为一种专业性和技术性较强的安装工程建设实体,从计划经济时代开始创业直到现在,独立的或与土建施工企业联合进入市场已有50年历史,取得了显著的工程业绩和跨时代的技术进步,并造就了一批有代表性的综合实力较强的企业单位,掌握了具有世界水平的施工技术和施工工艺。近6000万千瓦的大中型水电机组的投产和运行,充分体现了我国水力发电业的综合实力和世界先进的技术水平。这些水电工程在为国家创造巨大经济财富和综合效益的过程中,有水电机电安装企业一份不可磨灭的贡献。半个世纪的成就

机电安装企业的发展历程

1951年,在东北丰满水电站成立安装大队,修复该电站机电设备及安装原苏联制造的8.5万千瓦机组。1957年成立水电总局安装局,1958年下放至地方,1963年恢复成立水利水电机电安装局,直至1969年文革期间撤销。随后原安装局的8个处分别划归水电工程局管辖,建立各工程局的机电安装处。其演变结果是:安装一处归水电一局和七局;安装三处归水电十二局和武警二总队;安装四处归葛洲坝集团公司、水电八局、广西水电工程局和水电七局一部分;安装五处归水电十局和水电六局;安装七处归水电十四局;安装二处和六处在1965年合并为八处,以后分别归水电四局、水电五局、水电三局、水电十一局和水电二局。经过从1969年到现在的32年间的发展和重组,水电机电安装企业基本上稳定在由工程局辖属,成为水电工程局、也成为中国水利水电工程总公司和葛洲坝集团公司不可分割的重要组成部分,成为我们水电站建设的主要施工力量。目前,水电总公司系统共有14支机电安装队伍(含水电十二局),称为机电安装分局(处或公司),从业人数8800人。葛洲坝集团机电建设公司2900人,再加上广东、广西、湖南、武警二总队等单位的安装处(支队)共约14000人。据调查和统计,平均年龄不超过33岁,文化程度全部在高中或相当高中的专业技校以上。企业领导及经营、生产、技术管理人员和施工项目经理绝大多数为大学本科以上学历,已完全改变了五、六十年代安装系统以中专生为主体的人员结构形式。这些企业的大多数,全员劳动生产率、建安产值利润率、人均利润和收入均高于同行业的土建施工企业。它们的产业是水电施工企业支柱产业的重要组成部分,它们的专业技术是集成度较高的传统工业技术。在水电工程建设系统中占有一定的比重和地位。水电装机容量的发展

2002年的水电装机,因1996~1999年间开工项目锐减,增加量不会超过200万千瓦。

安装技术和施工能力的进步

20世纪50年代初以江西上犹、东北大伙房、安徽梅山、佛子岭、四川狮子滩、浙江黄坛口、广东流溪河为代表的水电站的建设开创了我国水电机电安装的早期历史,安装机组的容量大多在1.5万千瓦左右。在此之后的50年,机组安装容量等级上了若干个台阶,它们是: 新安江、柘溪、新丰江电站为代表的7.25-8.5万千瓦的机组安装;

云峰、龚咀电站为代表的10万千瓦机组的安装;

刘家峡、丹江口电站为代表的15-22.5万千瓦机组的安装;

葛洲坝、水口电站为代表的12.5万千瓦及以上的大型轴流转桨式水轮发电机组的安装,其中水口电站20万千瓦轴流转桨式机组为世界上该类型容量最大的机组;

白山、龙羊峡、隔河岩、漫湾、天生桥、岩滩、小浪底电站为代表的25-30万千瓦级的机组的安装;

李家峡、二滩电站为代表的40-55万千瓦级大型水电机组的安装;

三峡、龙滩、小湾、拉西瓦为代表的70万千瓦级超大型水电机组的安装。通过以上各时段水电机组设备安装工程的实践和锻炼,一代又一代的水电机电安装建设者,已经掌握了极丰富的水电站成套机电设备的安装、调试和试运行试验技术。可归纳为:

1)能组装、焊接直径大于8米的混流式水轮机偏心或对称分瓣的转轮,其工艺技术已达到世界先进水平。首次在国内实现在现场散件组装焊接直径超过6米的全不锈钢(马氏体)混流式水轮机的转轮,完成组焊、加工和抗磨层喷涂的全部工艺过程,质量完全符合国际标准要求;

2)用先进的CO2气体保护焊接机具成功地组焊了近60台直径超过10米的水轮发电机转子圆盘式支架,其变形被控制在允许的范围内;

3)能安装目前世界上单机容量最大的水口水电站轴流转桨式水轮机组,并实现了一年三投的工程业绩;

4)能安装的大型混流式水轮发电机组的单机容量已达40-55万千瓦,并创造了一年投产4台55万千瓦机组的工程业绩;

5)能安装调整各种形式的大型机组推力轴承,其中包括由日立公司专利技术设计、制造的轴向负荷为4100吨的世界上第三大推力轴承;

6)在世界上首次安装了40万千瓦蒸发冷却的水轮发电机,其安装工艺水平和调试技术在内冷电机的技术领域里又有重大的创新;

7)能制造和安装直径达12.4米的目前世界上最大的压力钢管、水头达500-600米的高压输水钢管、三峡永久船闸的超大型金属结构;适应抗拉强度达60公斤/平方毫米-80公斤/平方毫米级钢材的各种加工、焊接和安装要求;

8)能安装容量在36万千伏安及以上、电压等级达500千伏的整体式或三相组合式电力变压器、油浸电抗器、高压电缆以及500千伏封闭组合电器(GIS);

9)能安装大容量、高扬程的可逆式抽水蓄能水泵-水轮机组及其启动设备,其中包括世界上最先进的能带负荷和使机组变速运行的可控硅静止式变频装置(SFC);

10)能实现由计算机监控系统管理和操作的水电站各种自动装置和计算机设备的安装和调试,包括安装、调整和操作世界上一流的电器制造商生产的各种机电一体化控制设备,如微机调速器、励磁系统、智能化监测装置等。

11)如果在建工程规模和电力设备供应能得予保证,全行业具有完成年安装投产大中型水电机组700万千瓦以上的能力;单个工程项目点年装机投产强度可达每间隔3____4个月左右投产一台机组,均衡生产和保持持续装机强度的概念和实践已被总结为编制网络计划的原则并形成优秀实用的计算机施工管理软件。

上述施工技术的形成和逐步完善无可非议地显示出中国机电安装企业的实力和经验。世界上没有任何一个国家的水电专业施工队伍或工程公司能像中国水电机电安装企业一样在50年的时间内经历过这么多的工程,完成过这么多台机组设备的安装,处理和解决过这么多的复杂的技术难题。无论是初期三门峡、刘家峡、丹江、龚嘴机组分瓣水轮机转轮的焊接,还是小浪底整体转轮的现场组焊;无论是刘家峡特殊定子整体吊装、新安江、刘家峡双水内冷机组安装的初步体验、葛洲坝17万千瓦超大型轴流式机组的安装,还是60公斤/平方毫米级高强钢蜗壳或压力钢管的焊接、组装;无论是330千伏及500千伏GIS高压电器设备的安装,还是55万千伏安以上三相分离式或组装式壳式变压器的安装;无论是机电一体化的电站监控装置,还是梯级调度计算机监控系统的安装调试等等,中国的水电施工企业都实践和掌握了,我们已经具有了年装机700-800万千瓦,年金属结构制作安装10万吨的能力。可以说中国的水电机电安装企业的技术实力和施工能力在世界上没有任何一个国家可以与之相匹敌。

失误和教训

失误和挫折是任何工程建设都难以完全避免的,何况是50年的漫长施工之路。本文列举的几个实例系主要或部分是由于设计或安装中的操作失误或管理失控而引起的工程事故案例,从中总结出教训和经验,但也因为这些事故和失误,导致机组结构设计、安装工艺和工艺规程的更新和改进。

1)1971年刘家峡水电站36万千伏安自耦式联络变压器起吊就位过程中,因起吊钢丝绳卡扣捆绑不到位而导致吊运中的变压器坠落,砸到正在运行中的22.5万千瓦1号发电机之上,造成全国通报的重大恶性事件。此后变压器外壳吊耳结构和吊装工艺规程及吊具结构有了新的改进;

2)1983年白山水电站2号机组(30万千瓦)过速试验至1.34倍额定转速时(额定转速为125转/分),发生转子磁轭严重下沉,磁轭片间相对滑移、径向磁轭键扭斜、打键力全部消失、机组不能运行的事故,导致发电机转子磁轭结构设计的改进,组合磁轭键的应用和磁轭交叉叠片工艺的确定,相应的磁轭压紧力有了更合理的理论数据和测量方法。二年后,圆盘式转子支架以其优良的径向和轴向刚度取代了传统的支臂式转子支架,轮辐烧嵌的安装工艺因结构设计的改进而不再采用;

3)2000年12月天生桥水电站5号机组与6号机组作双机甩负荷试验时,发生5号发电机上引风板下沉脱落,打坏转子励磁引线,撞弯并折断部分磁轭副键引起定转子机械损伤和电气短路的事故。对于密闭自循环空气冷却发电机的上下挡风板、引风板的设计间隙、整体刚度和焊缝质量及现场检查又有新的认识。电机转动部分和固定部分轴向间隙、径向间隙的安装和检查支撑件中可能的焊缝失效应引起足够的重视;

4)1997年二滩水电站首台机组定子叠片因外国公司现场安装督导专家技术指导失误,造成铁损试验不合格、整台定子铁心只好折开,重新叠片压紧的返工事故。在定子结构、材料和铁心冲片质量不能改变的条件下,按照中国标准和国内技术专家的意见,修正了国外公司的工艺规定,重叠的定子铁心取得了成功。进一步证实和完善了我国定子现场装配工艺规程的内容;

5)1998年底小浪底水电站第一台机组水轮机蜗壳挂装,由于对国外某公司的焊接工艺要求不适应和中外各方在焊接检验方法、检验标准的不一致,导致成型焊缝多次铲除重焊、反复修补的不应发生的施工事故,拖延了直线安装工期,此后对蜗壳Ⅰ、Ⅱ类焊缝和蝶形边焊缝的焊接工艺要求和探伤检验标准有了新的认识,修正了我国安装标准中的部分规定;

6)1998年二滩水电站首台机组起动试运行,在做升压试验时发生定子线棒层间RTD垫条烧毁引起相应的线棒烧损、定子单相接地。此系加拿大GE公司的定子线圈测温电阻垫条表面涂层错误所致。经测试验证,RTD垫条表面电阻仅2欧姆,相当于导电体,在旋转磁场作用下感应出电压,与定子铁心多点接地而烧损。此事件导致整台定子54个RTD垫条和烧损的定子线棒全部更换。对于定子线棒测温电阻RTD及层间垫条的涂层出厂检验,已经引起了业内人士的共同关注;

7)1996年莲花水电站首台机组进入72小时连续试运行过程中,发生国产弹性金属塑料推力轴瓦(共18块)严重烧损的重大事故。轴瓦瓦面塑料覆盖层磨掉,漏出的金属铜丝同时磨损了镜板摩擦面。经现场处置研究,更换新加工的塑料轴瓦,对镜板作现场研磨处理,机组恢复正常运行。其技术关键在于设计者对弹性金属塑料推力轴瓦瓦面在动压油膜压力下的弹性变形与其支撑机械变形和热变形的综合叠加关系掌握不到位,油膜压力下的弹性变形大于机械和热变形,导致瓦面负拱度产生,油膜破坏,轴瓦烧损。该事件提醒在安装过程中应重点对塑料瓦瓦面成形进行几何尺寸检查的规定。

8)1974年刘家峡4号机组蜗壳与座环蝶形边焊缝在施焊后一周内全部产生贯穿性裂缝,蜗壳混凝土无法浇筑。其原因在于座环蝶形边与蜗壳开口段连接的过渡段材质没有经正火处理,导致材料结晶粗大,焊接性能极差。不得不将已浇入混凝土的座环连同基础一并凿出,只将蜗壳留在机坑内,座环返厂再加工处理后重新运至现场吊入机坑,与在机坑中的整体蜗壳配装焊接(即蝶形边焊接)。此事件引起座环结构设计的革新,纯平板型座环结构因此出现,同时带过渡段的平板型座环的厂内选材和热处理亦成为检验座环制造质量的重要项目。

十项重大技术创新

1)发电机定子现场整体叠片组装、嵌装全部线圈的现场装配工艺和定子整体吊装技术,使得八十年代以后的大中型水轮发电机定子已经如同发电机转子一样,被确定为在现场整体装配;

2)发电机推力轴承的推力轴瓦以及导轴承的导轴瓦由单一的巴氏合金瓦面材料改为增加了弹性金属塑料瓦的新材料、新结构、新技术。推力轴瓦采用弹性金属塑料瓦的应用技术已从根本上解决了大型推力轴承运行可靠性的问题;

3)超大型水轮机埋件(如尾水管的肘管、锥管、基础环、蜗壳、机坑里衬等)由施工安装企业在现场下料、卷板制造的生产方式;

4)大型混流式水轮机转轮由分瓣结构现场组装焊接发展到由散件运输、在现场整体组焊的加工制造工艺;

5)新型发电机内冷技术用于水电工程,蒸发冷却水轮发电机定子的安装工艺和调整试验技术;

6)发电机圆盘式转子支架结构的应用与组装焊接技术;

7)用于压力钢管、高压岔钢和蜗壳的60公斤/平方毫米和80公斤/平方毫米级高强钢的焊接和应力消除技术;

8)调速器和励磁装置系统智能化、机电一体化控制设备的安装调试技术;

9)高电压等级(330千伏、500千伏)封闭组合电器设备GIS的安装、调试技术;大容量组合式壳式变压器现场组、安装调试技术;

10)以新型自动化监测装置和元件为基础的水电站计算机监控系统的安装和调试技术以及可逆式抽水蓄能机组起动试验技术。

以上10项技术创新,已经把我国水电机电安装的施工技术全面地推到了世界先进水平,实现了与国际水平接轨的目标。与此同时,当代中国机电安装施工标准化体系,以成熟的施工经验为依据,提供了在世界最丰富、最全面、最合理的机电安装工艺导则、技术规范、质量标准和试验规程,成为机电安装工程最重要的技术保证和质量保证的基础,同时也是这个行业能逐步达到世界先进水平的重要标志。

安装施工技术的发展与展望

进入21世纪,水电机电安装企业所面临的是近4000万千瓦的在建水电工程规模,它们大致可分成如下几类:

1.以三峡、龙滩、小湾、拉西瓦等水电项目为代表的70万千瓦巨型水轮发电机组和相应机电设备的安装。其中包括水内冷发电机、极限容量条件下的全空气发电机、大容量变压器、超高压(750千伏)电气设备的安装试验、大型水轮机稳定性工况试验、超大型金属结构制作、安装等;

2.以桐柏、泰安、张河湾、宜兴等抽水蓄能电站为代表的20-30万千瓦可逆式抽水蓄能机组及启动设备的安装、调试;

3.以公伯峡、洪家渡、乌江扩机、平班、恶滩等为代表的20-30万千瓦常规水轮发电机组及其330千伏、500千伏高压电气设备的安装;

4.以洪江、尼那、青居、桐子壕等水利水电工程为代表的一大批3-4.5万千瓦低水头灯泡贯流式机组的安装;

上述在建工程的划分,基本上构成了当代我国水电机电设备的安装格局,相应的机电安装技术发展也必将围绕着这些工程的建设和投产而展开,它们将是:

1)超大型水电机组结构装配中的刚强度及装配应力控制技术;转轮在现场组装、焊接、应力消除和加工技术;

2)超大型机组埋件现场制作工艺技术的规范与制造方式的推广,埋件制造方式的变革性创新;

3)内冷电机绕组的安装与试验(包括水力和电气试验)技术,水处理系统与机组联合起动调试技术;

4)高铁心全空气电机的叠片工艺和空冷系统冷却通道结构件安装、调整技术和要求的工艺措施;

5)75万千伏安及以上超大容量变压器的运输、安装和试验。其中包括局放试验的要求和试验方法;

6)750千伏超高压电压等级的出现和相应电气设备的安装试验技术和相应试验设备的应用;

7)可逆式机组启动试验、调试技术的进一步成熟和在全系统内的掌握范围进一步扩大,工况转换智能化程度和转换成功率技术的进一步提高;

8)水电站与电力系统之间调试、送出试验进一步规范和完善;

9)水电机组运行工况在线监测系统,其中包括对机组稳定性监测和故障诊断技术的发展,促使在电站计算机监测系统的安装、调试中将这部分相对独立的系统包括进去,并掌握其工作原理和智能软件;

10)大型灯泡贯流式发电机冷却系统的改进和安装技术,以及提高大型灯泡贯流式机组刚度的技术措施,大型卧式机组轴线调整标准的进一步完善和规范。

水电机电安装50年发展和技术进步是史无前例的,是在中国优越的水力资源条件下,水力发电事业发展的结果。归根结底,是社会工业化发展和技术进步的产物。机电安装企业的存在和发展也是在中国特定条件下形成的。作为电源建设的一个环节,水电机电安装起着将电站建设投资转化为现实收益的重要作用。新世纪时代的水电机电安装行业和安装企业,一定要再抓住水电开发的大好机遇,不断地实现技术创新和管理创新,不断地总结发展过程中的经验和教训,才能再有所作为。技术创新和管理创新将永远是安装企业赖以继续生存和发展的根本条件。

来源:中国电能质量
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