多管齊下綜合治理努力破解多泥沙電站運行難題

曹寶保

（淳化縣茨坪水電站，陜西 咸陽 711200）

淳化縣茨坪水電站是涇河梯級開發(fā)的徑流引水式電站之一，裝機7500kW（3×2500）。涇河年均徑流量19億m3，多年平均輸沙量約26900萬t，實測最大含沙量為1430kg/m3。電站于1997年11月投入運行，兩年間僅運行了5000小時左右，就由于磨蝕破壞導(dǎo)致機組出力嚴重不足，于1999年11月開始第一輪大修。由于涇河含沙量大，且主要集中在汛期，導(dǎo)致電站過流部件破壞迅速且十分嚴重，給運行帶來極大困難，繁重的檢修工作成為困擾電站的一大難題。12年來，經(jīng)過不斷地摸索實踐，茨坪水電站在運行和檢修方面，積累了一定經(jīng)驗，目前，機組檢修周期已經(jīng)達到四年，運行時間可達到12000小時。

總結(jié)經(jīng)驗主要有以下幾個方面：

一、合理設(shè)計，為渾水發(fā)電創(chuàng)造條件

1.首部樞紐。茨坪水電站首部樞紐布置自右向左依次為拱形溢流重力壩、重力墩，墩下設(shè)過水孔，孔前以引渠與原河床銜接，孔后引渠右岸布置溢流側(cè)堰，左側(cè)為進水閘，其后為沖沙閘，以向右彎曲的沖沙渠與河道連接。過水孔、沖沙閘軸線一致，與溢流壩弦線垂直。進水閘與隧洞軸線一致，和沖沙道軸線呈61°夾角。進水閘底板高出沖沙閘底板1.8m。因庫容極小，經(jīng)過多年運行，右岸及原河道已淤積嚴重，僅在和引水道相對應(yīng)的河道形成狹窄的通道。這種布置形式，在來流大于引用流量時，可邊引水，邊沖沙。來流較大時主流通過溢流壩下泄，來流在100m3/s以下時，主流從重力墩下過水孔通過。側(cè)向取水、設(shè)置攔沙坎可以避免推移質(zhì)或含沙率極高的底流進入引水隧洞，當(dāng)來流遠大于引用流量時，大部分水面漂浮物可通過溢流壩或溢流側(cè)堰下泄。

2.壓力前池。茨坪水電站壓力前池布置在洞室內(nèi)，前池擴散段平面轉(zhuǎn)彎，立面擴散，以銜接隧洞與前池引水段。引水段末端布置折線形溢流堰，右側(cè)依次布置3臺機組的引水管。在溢流洞與3#引水管之間布置前池沖沙洞。機組引水管底板高出了前池引水段1.0m，可減少推移質(zhì)進入機組。隧洞設(shè)計流量大于機組總引用流量，可實現(xiàn)一邊沖沙、一邊發(fā)電。

3.尾水渠。茨坪水電站尾水管與河道基本垂直，尾水渠向左轉(zhuǎn)彎后，以1：4反坡與原河道連接。尾水渠上游垂直河道設(shè)置砌石擋浪墻，右岸設(shè)置導(dǎo)墻。擋浪墻和導(dǎo)墻可避免500m3/s以下洪水對尾水的頂托，防止推移質(zhì)滾入尾水渠。

4.機組選型。多泥沙電站機組選型既要比較各機型的能量特性、汽蝕特性和造價等，其磨蝕破壞后的可修復(fù)性和易損件更新費用也應(yīng)該受到足夠重視。適應(yīng)茨坪水電站的水輪機有ZD560和HL240兩種型號，設(shè)計單位從降低造價的角度最終確定采用ZD560-LH-180水輪機。雖然軸流定漿式水輪機汽蝕特性、效率都不如混流式，但結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)輪造價低，易修復(fù)，特別是機組流道尺寸大，導(dǎo)葉全開時檢修人員可進入水輪機檢查、檢修，這為電站現(xiàn)場修復(fù)創(chuàng)造了條件。

5.安裝高程。有關(guān)研究和運行經(jīng)驗均表明，多泥沙電站磨損和汽蝕相互作用，會形成惡性循環(huán)。在汽蝕區(qū)造成的海綿狀剝蝕，組織疏松，在沙粒的撞擊和切削下快速磨損脫落；在非汽蝕區(qū)金屬表面受到硬質(zhì)沙粒撞擊和切削，出現(xiàn)凹凸不平，也會引發(fā)汽蝕。安裝高程決定著水輪機的汽蝕裕量。茨坪水電站上游同規(guī)模、同機型的幾座引水式電站，其水輪機磨蝕就比茨坪電站輕得多，究其原因，主要是這幾座電站的尾水位較高，即安裝高程相對較低，因而轉(zhuǎn)輪具有較小的吸出高度，轉(zhuǎn)輪等過流部件基本不發(fā)生或者僅有輕微的汽蝕，所以，盡管同處涇河，水流含沙率變化不大，但其水輪機磨蝕相對較輕。

多泥沙電站在設(shè)計階段就應(yīng)該深入調(diào)查，加強研究，采取措施應(yīng)對泥沙磨損問題。茨坪水電站設(shè)計之初認為涇河泥沙顆粒較細，不會對水輪機造成大的損壞，因而未對設(shè)備制造廠家提出特殊要求，水電站設(shè)計吸出高度僅為-0.1m，目前，由于尾水渠出口沖刷降低，單機運行時吸出高度已達不到設(shè)計要求。因此，建在多泥沙河流上的電站，應(yīng)考慮適當(dāng)加大開挖深度，降低安裝高程，從而加大汽蝕裕量，使各種工況下盡可能避免發(fā)生汽蝕，這對于減緩磨損將十分有效。

二、重視攔污，及時清淤

1.攔污柵的設(shè)置與運用。汛期多泥沙水流中夾帶的雜草、塑料、樹根等纏裹在固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉上，會阻礙水流，嚴重影響機組出力，破壞流量均勻分配，造成機組振動。茨坪水電站運行初期，僅在渠首進水閘前設(shè)置了一道固定式攔污柵，而各機組快速閘門前因受洞室前池尺寸限制，取消了攔污柵。由于無法及時清理，渠首攔污柵被柴草完全堵塞而壓壞。后經(jīng)過研究，加大了攔污柵尺寸，安裝了電動葫蘆，將原攔污柵改成活動式攔污柵，并利用進水閘檢修門槽加裝了第二道活動式攔污柵，兩道攔污柵交替使用，互為備用，始終保持有一道攔污柵處于工作狀態(tài)，當(dāng)其堵塞較嚴重時，放下另一道攔污柵，然后將其提出水面人工清理。在非常情況下（如提升設(shè)備故障等），也采用過停機后提起沖沙閘反沖的方法，也可沖走附著在柵條上以及柵前的大部分漂浮物，以確保攔污柵的安全。經(jīng)過運行實踐，兩道攔污柵有效地避免了柴草的大量涌入，特別是杜絕了樹根、樹木等大型漂浮物進入引水道。另外，如柵條間隔設(shè)計尺寸過小，攔污柵一入水就會被迅速堵塞，來不及清理；如尺寸過大，則會使大型漂浮物進入機組。因此，柵條間隔設(shè)計應(yīng)考慮“堵排結(jié)合、以排為主”，既要能夠攔堵大型漂浮物，又要考慮讓一部分柴草通過。

2.庫區(qū)防淤。汛期涇河含沙量極大，易導(dǎo)致庫區(qū)、前池等淤積，必須采取預(yù)防措施。為防止庫區(qū)及引水道嚴重淤積，在來流大于引用流量時，應(yīng)及時開啟渠首沖沙閘沖沙；當(dāng)洪水較大，機組停機時，要敞開沖沙閘沖沙；當(dāng)來流接近或小于總引用流量時，也要定期提起渠首沖沙閘沖淤，防止閘前嚴重淤積；汛后清水挾沙能力強，庫區(qū)淤積的泥沙又會被沖帶入引水道，要充分利用檢修等停機機會，空庫沖淤，這對于枯水期降低泥沙磨損效果十分明顯。

3.前池防淤。前池在汛期運行中，要根據(jù)來水大小，及時提落前池沖沙閘，可減少過機泥沙，防止推移質(zhì)大量堆積前池；在來流小于3臺機組的引用流量時，為防止前池沖沙閘前嚴重淤積，必須定期沖沙。茨坪水電站前池運行一段時間后，水流中挾帶的卵石以及未襯砌拱頂崩落的石塊，會在前池左側(cè)墻和末端形成三角形堆積帶，無法沖走，每年汛前汛后分別人工清理一次，否則堆積物過多，會使推移質(zhì)進入水輪機，較大的石塊會卡在導(dǎo)葉間，導(dǎo)致剪斷銷破斷；較小的石塊、卵石如果大量進入水輪機，會撞擊葉片，使已經(jīng)被磨蝕的葉片頭部或出水邊迅速脫落，機組出力急速下降、振動加劇。

三、控制工況，力求在高效率區(qū)運行

1.減少開停機次數(shù)。俄羅斯對混流式水輪機轉(zhuǎn)輪可靠性研究表明，一次起停機過程相當(dāng)于水輪機在90%功率范圍內(nèi)運行80小時。開停機頻繁，將嚴重降低水輪機轉(zhuǎn)輪的使用壽命。對于有一定調(diào)節(jié)能力的電站，做到減少開停機相對較容易，而無調(diào)節(jié)能力的徑流式電站，要減少開停機次數(shù)只能從以下三個方面入手：一是及時檢查消缺，確保主設(shè)備及其附屬設(shè)備健康水平良好，盡量減少事故或故障停機；二是水機值班人員要及時和水工值班人員溝通，隨時掌握來水情況，及時調(diào)整開度，在滿足水輪機最小負荷要求的前提下，盡可能延長每次開機后的運行時間；三是可與上游水文站或上游電站建立聯(lián)系，及時了解水情，為運行調(diào)度爭取時間、贏得主動。

2.避免長時間空載運行?？蛰d運行是水輪機最不利的工況，空載時導(dǎo)葉開度小，水流對葉片呈正沖角，汽蝕和磨損相對于額定工況要嚴重得多。一般小型電站不存在空載備用問題，因此，加強調(diào)度，減少開停機次數(shù)，提高操作水平，縮短開停機和解并列的操作時間，就是減少空載時間的唯一途徑。

3.盡可能使水輪機在高效率區(qū)運行。水輪機在水流無撞擊進入轉(zhuǎn)輪和法向出口（或略具正環(huán)量）條件下，水力損失最小，效率最高，這種最優(yōu)工況僅在某一特定水頭、流量下才能形成。水輪機在實際運行中，流量、水頭總是變化的，不可避免地要偏離最優(yōu)工況，導(dǎo)致流道中的流速場發(fā)生畸變，加劇磨蝕破壞。運行管理的一項重要任務(wù)，就是盡可能保持水輪機在接近最優(yōu)工況的高效率區(qū)運行，以最大限度地減輕磨蝕的危害，延長檢修周期。

泥沙磨損約與相對流速3次方成正比，汽蝕與相對流速的5～7次方成正比。過負荷運轉(zhuǎn)時，開度或水頭增加，水流相對速度增大，發(fā)生汽蝕的幾率加大，磨損程度和速度必然大幅度增加。在汛期，當(dāng)來水小于電站總引用流量時，水庫（或前池）水位處于設(shè)計值，尾水位處于設(shè)計水位以下，由于水流含沙量大，容重比清水大，水輪機的實際水頭將大大超過設(shè)計水頭，必須注意調(diào)整開度，避免超負荷運轉(zhuǎn)。

引水式電站汛期一般無法對天然來水進行再分配。當(dāng)來水量小于電站總引用流量時，開機臺數(shù)及機組間的負荷分配要更多地從減輕磨蝕的角度考慮，盡可能使各運行機組接近額定負荷運轉(zhuǎn)。通過適時開停機、及時調(diào)整開度、合理分配負荷來確保各臺水輪機的工作水頭在額定值附近，避免某臺機組長時間小開度、低負荷運行。

對于經(jīng)過汛期運行已發(fā)生磨蝕破壞的水輪機來說，枯水期偏離設(shè)計工況運轉(zhuǎn)其危害是顯而易見的，這時應(yīng)該對水頭的調(diào)節(jié)給予足夠的重視，避免水輪機在高水頭低負荷或低水頭大流量的工況運行。在來流小于單機設(shè)計流量時，可利用壩前河道的槽蓄能力短時間調(diào)蓄，待蓄滿后開機，水輪機導(dǎo)葉開度在滿足最小負荷的前提下，盡可能地接近滿載開度，但要注意和來水量相適應(yīng)，不必片面追求滿載，以避免庫水位快速下降而被迫停機。隨著庫水位的下降，可考慮適時調(diào)整渠首進水閘門的開啟高度，以維持前池水位、滿足引用流量。

4.必要時避開沙峰運行。涇河各年輸沙量差別很大，年內(nèi)又集中于幾次洪水，汛期（7～9月）輸沙量占全年輸沙量的91.3%。在含沙量特別大、磨損特別嚴重的情況下，汛期停機排沙，棄水保機，是一種不得已而為之的選擇。涇河汛期含沙率一直較高，機組磨蝕破壞嚴重，但完全放棄汛期運行會造成經(jīng)濟效益的巨大損失。目前，對含沙水流的磨損機理、規(guī)律的研究尚未取得一致認可的結(jié)論，一般認為，水流的含沙率越高，磨損量越大；也有的研究者認為，水流的含沙量高到某一數(shù)值，達到飽和狀態(tài)時，反而會起到抑制和削弱磨蝕的作用。由于缺乏有效的理論指導(dǎo)，加之現(xiàn)場測量手段的限制，到目前為止，茨坪水電站還沒有一個確切的含沙率限值來指導(dǎo)生產(chǎn)。通常的做法是，在保證機組安全的前提下，最大限度地利用汛期來水，與上游水文站簽訂了報汛協(xié)議，及時掌握水情、沙情，在來水含沙率特別大時，短時主動停機避沙，待沙峰通過后迅速恢復(fù)生產(chǎn)。

四、多管齊下 防修并重

1.過流部件更新時注重汲取運行經(jīng)驗。茨坪水電站過流部件，特別是轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室磨蝕破壞十分嚴重，轉(zhuǎn)輪運行約12000小時就必須更新。在轉(zhuǎn)輪更新時，該站注重借鑒有關(guān)文獻介紹的做法，汲取運行經(jīng)驗，逐漸摸索出了一系列行之有效的做法，采用了適當(dāng)加大葉片包角、縮小輪轂直徑、葉片背面設(shè)置裙邊、葉片安放角由+10°變?yōu)?5°、適當(dāng)加厚葉片外緣等措施，其中在葉片背面設(shè)置裙邊對減輕葉片外緣和轉(zhuǎn)輪室的磨蝕破壞的作用十分明顯。在轉(zhuǎn)輪室更新方面，經(jīng)過探索，改組焊件為鑄鋼件，面板由19mm加厚到40mm，在一個檢修周期內(nèi)磨蝕破壞不再穿孔。根據(jù)運行經(jīng)驗，普遍磨損會引起轉(zhuǎn)輪室內(nèi)徑加大，而轉(zhuǎn)輪外徑受頂蓋止口尺寸限制無法增加，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪間隙過大，為了解決這一問題，該站把轉(zhuǎn)輪室內(nèi)徑減小了10mm。鑄鋼轉(zhuǎn)輪室整體性好，剛度大，內(nèi)應(yīng)力小，在磨蝕破壞后可堆焊修復(fù)，變形量小。

2.綜合各個因素擇優(yōu)選用材料。過流部件的材料選擇要綜合考慮抗磨蝕性能、可修復(fù)性能、造價和修復(fù)費用等多方面因素。茨坪電站水輪機葉片材質(zhì)先后選用過（1）ZG30；（2）ZG20SiMn（3）1Cr18Ni9Ti；（4）OCr13Ni5Mo幾種材料。由于備件生產(chǎn)廠家工裝水平的限制，采用立體樣板、人工打磨方式加工，葉型、光滑度不能保證，鑄件成分、質(zhì)量極不穩(wěn)定，加上各年的水流條件差異很大，因此，各轉(zhuǎn)輪使用期內(nèi)的磨蝕程度不一。相比較而言，不銹鋼材料抗汽蝕能力較強，葉片經(jīng)汛期運行后，除葉片外緣和鑄造缺陷處出現(xiàn)魚鱗坑外，其余部位基本光滑，僅見細微的波紋，但材料（3）抗磨損能力不如（1）、（2），葉片普遍磨損嚴重，厚度明顯變薄，這一點在轉(zhuǎn)輪室上也得到驗證；材料（1）、（2）抗磨損能力雖優(yōu)于（3），但不如（4），抗汽蝕能力差，葉片背面有明顯的汽蝕區(qū)，但整體變薄的趨勢明顯比（3）小；材料（4）雖具有較好的耐磨蝕性能，但由于根部出現(xiàn)裂紋，嚴重危及安全運行，僅在一個轉(zhuǎn)輪上使用過。鑒于不銹鋼葉片性價比不如碳鋼，因此該站近兩年加工的轉(zhuǎn)輪材料均采用ZG20SiMn，其抗磨蝕性能與ZG30相當(dāng)。目前使用的轉(zhuǎn)輪室均為鑄鋼件。

3.合理確定擴修間隔，及時維修消缺。多泥沙電站有必要根據(jù)各站實際和技術(shù)水平，確定一個經(jīng)濟合理的機組擴修間隔。擴修間隔短，則停機時間長而有可能造成發(fā)電量的減少，且人員勞動強度大；擴修間隔過長，則必然使抗磨蝕措施的費用大幅度增加而得不償失。實現(xiàn)擴修間隔目標，首先要制定合理的機組運行計劃，明確主運行、主備用、次備用機組；其次要堅持“該修必修、修必修好”的原則，嚴格控制檢修質(zhì)量；再次，要定期檢查，掌握機組健康狀況，根據(jù)情況適當(dāng)增加中修和大修，對磨蝕破壞部位早發(fā)現(xiàn)，早處理，以延緩破壞速度，減少累積破壞量，這一點對固定部件如座環(huán)、轉(zhuǎn)輪室尤為重要。

4.經(jīng)濟合理運用抗磨蝕措施。目前，有許多在大中型機組上應(yīng)用效果好的材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的抗磨蝕措施，但或者費用昂貴，或者工藝技術(shù)復(fù)雜，或者無法進行現(xiàn)場維修，因而沒有在小型電站普遍運用。

茨坪水電站在抗磨蝕措施應(yīng)用方面做了一些探索，有以下三種：

一是“換”。轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪室、轉(zhuǎn)輪密封等部件，在無法修復(fù)時，一般需要重新加工制作。在更新時，對材料、結(jié)構(gòu)做部分改進。目前存在的主要問題是，葉片采用立體樣板人工打磨加工，葉型誤差大，表面粗糙。運行一個汛期，葉片進出水邊、外緣正背面徑向70～100mm磨蝕破壞嚴重，如不及時修復(fù)，葉片會加速破壞，且因間隙加大又不均勻，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪室面板迅速磨蝕破壞。

二是“修”。磨蝕深度小于1mm的輕微磨蝕區(qū)，直接修磨光滑。因鑄造缺陷出現(xiàn)的孤立的魚鱗坑、未穿孔的強磨蝕區(qū)，在采取防變形措施后，先用與本體材料成分相近的焊條填平魚鱗坑，然后整體用A102焊條堆焊，再打磨光滑。底環(huán)、頂蓋、轉(zhuǎn)輪室等多采用這種方法修復(fù)。對葉片外緣磨蝕極為嚴重的部位，已無法堆焊修復(fù)，一般是先按磨蝕區(qū)形狀制作樣板，按樣板劃線割除殘留部分、制作補丁，然后焊接修磨成型。這種辦法，能基本保證型線，葉片與轉(zhuǎn)輪室間隙可減小到3mm左右。茨坪水電站在2008年和2009年都曾在8月底出現(xiàn)主運行機組出力嚴重下降，停機檢查發(fā)現(xiàn)葉片外緣成片穿孔、進出水邊掉角，采取的搶修手段是制作和磨蝕破壞區(qū)面積相當(dāng)、形狀一致，厚度為16mm的Q235鋼板，直接貼焊在葉片正面。

三是“護”。對易受磨蝕破壞的部件或部位，采用抗磨蝕材料防護，變維修為預(yù)防，可以有效減輕磨蝕危害，提高運行效率，延長擴修周期。茨坪水電站在實踐中采用過的措施主要有：（1）金屬堆（鋪）焊。支持蓋鋪焊8mm厚的Q235鋼板，在一到兩個擴修周期內(nèi)本體基本不被磨損。在轉(zhuǎn)輪室修復(fù)中試用過GB1焊條，其堆焊層具有優(yōu)異的抗磨蝕性能，在2009年汛后機組檢修時在葉片外緣強磨蝕區(qū)堆焊。（2）金屬粉末噴焊。茨坪電站水輪機出廠前由廠家對座環(huán)、頂蓋、底環(huán)、轉(zhuǎn)輪等部件噴焊了Ni合金粉末，座環(huán)、頂蓋保護時間長達4～5年，其余部件效果不大；2008年1#水輪機葉片外緣噴焊Ni合金粉末，未見明顯效果。（3）非金屬材料涂層。曾在在支持蓋上使用過WD9006復(fù)合涂層，在轉(zhuǎn)輪和支持蓋上刷涂過納米塑料合金，均未取得明顯效果。目前取得明顯防護效果的是在導(dǎo)葉上涂覆的環(huán)氧砂漿，只要工藝得當(dāng)、配方合適，可保證導(dǎo)葉本體在1～2年基本不被磨蝕，在支持蓋上涂覆環(huán)氧砂漿可防護1000小時左右，堅持每年涂覆，也能取得一定效果。曾在轉(zhuǎn)輪室及葉片正面涂覆環(huán)氧砂漿，很短時間內(nèi)大部分脫落，使過流面凹凸不平，加劇了磨蝕。

五、結(jié) 語

多泥沙電站運行面臨著泥沙磨損和汽蝕的雙重困擾。減緩磨蝕危害，實現(xiàn)安全高效經(jīng)濟運行，是擺在水電人面前的十分緊迫的現(xiàn)實問題。茨坪水電站存在十分突出的磨蝕危害，作為運行管理單位，今后將更加注重收集積累各種技術(shù)資料，如磨蝕破壞的部位、面積、破壞強度，修復(fù)使用的材料、工藝及效果等，通過長期資料的積累，不斷總結(jié)分析，以求摸索出符合實際、經(jīng)濟合理、更加有效的運行方式、檢修手段、磨蝕修復(fù)工藝和防護材料等。

【1】許國光.中小型水輪機空蝕磨損破壞狀況與對策,《水機磨蝕與實踐50年》.中國水利水電出版社.2005.

【2】郭中興,張祿勛,王志高.我國水力機械抗泥沙磨損的實驗研究,《水機磨蝕與實踐50年》.中國水利水電出版社.2005.