用于混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉的防護(hù)涂層

[挪威]O.G.達(dá)赫豪格 P.E.斯卡勒 V.莫辛 A.古鐵雷斯

范春生 編譯自英刊《水電與大壩》2010年第2期

亞洲的喜馬拉雅山地區(qū)和南美的安第斯山(Andes)地區(qū)是世界上水電儲(chǔ)量最大的2個(gè)地區(qū),同時(shí)也是發(fā)電設(shè)備受泥沙磨損最嚴(yán)重的地區(qū)。

水輪機(jī)制造商一直在致力于開發(fā)適合于水輪機(jī)抗沖蝕磨損的新型材料和涂料,其中,最成功的方案之一是采用一種碳化鎢作涂層。目前,混流式水輪機(jī)涂層一般用于頂蓋、導(dǎo)葉和一些轉(zhuǎn)輪的局部,要在整個(gè)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上加涂層一直是困難的,因?yàn)槭艿娇臻g的限制,使得涂層施加設(shè)備難以操作。

作為斯特卡福(Statkraft)集團(tuán)的一個(gè)組成部分,SN動(dòng)力公司在挪威具有100多年的投資、建設(shè)和運(yùn)行水電站的強(qiáng)大的工業(yè)基礎(chǔ),其中,SN動(dòng)力公司擁有的一些水電站在雨季承受著巨大的輸沙量,而且,該公司一直與技術(shù)開發(fā)商密切合作,尋找維護(hù)方案以便能使水輪機(jī)的泥沙磨損降到最小。

戴納伐克(Dyna Vec)是一家于2007年成立的附屬于挪威科技大學(xué)(Norwegian University of Science and Technology)的公司。該公司已開發(fā)出了一種全新的抗沖蝕磨損的處理方法,可將涂層添加到整個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片的表面。

這種新技術(shù)已用于佩魯(Peru)的加華(Cahua)水電站的一臺(tái)轉(zhuǎn)輪上。該電站屬于 SN動(dòng)力公司,裝有2臺(tái)22 MW的混流式機(jī)組,水頭為215 m。水輪機(jī)泥沙磨損嚴(yán)重,水流的最大含沙量達(dá)20g/L,泥沙中含有大約 30%的石英砂和 30%的長(zhǎng)石砂。通過(guò)水輪機(jī)的最大泥沙量為240kg/s,且 60%的泥沙材料硬于水輪機(jī)的基材。

加涂層后的新轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉安裝于2009年 3月。2009年雨季進(jìn)行了效率試驗(yàn)和機(jī)組的直觀檢查。試驗(yàn)結(jié)果介紹如下。

1 加華水電站

加華水電站屬于 SN動(dòng)力公司所有,是一座徑流式水電站,上游距佩蒂菲卡(Pativilca)河口 60km,位于利馬(Lima)北約200km。電站于1967年投產(chǎn),裝機(jī)容量為 42 MW,安裝有2臺(tái)混流式水輪機(jī)組,機(jī)組設(shè)備由瑞發(fā)(Riva)公司交付。該河流含有大量的泥沙,因而不得不每年進(jìn)行水輪機(jī)維修,每年平均檢修20d。

作為每年維修的一部分,必須將轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉和頂蓋吊開以后進(jìn)行檢修。原水輪機(jī)設(shè)計(jì)為在高石英砂和長(zhǎng)石砂含量最大為 3 g/L、過(guò)機(jī)泥沙量最大為 36 kg/s的水流環(huán)境下運(yùn)行。

2009年 3月安裝的由戴納伐克公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的新轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉現(xiàn)一直運(yùn)行在最大含沙量為20g/L、相應(yīng)的過(guò)機(jī)泥沙量為240kg/s的環(huán)境中。

2 水輪機(jī)設(shè)計(jì)

從設(shè)計(jì)上來(lái)看,該水輪機(jī)同其他混流式水輪機(jī)相比并無(wú)明顯差別,然而,其制造技術(shù)明顯不同于現(xiàn)代混流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)。戴納伐克公司已研制了一種混流式轉(zhuǎn)輪,該轉(zhuǎn)輪是用螺栓連接在一起,而不是焊接在一起。這種連接方法已申請(qǐng)專利,而且已經(jīng)在幾臺(tái)水輪機(jī)上進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)。該轉(zhuǎn)輪在車間組裝期間是將葉片先單獨(dú)涂漆,然后再安裝到轉(zhuǎn)輪輪轂上并被保護(hù)起來(lái),水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪組合件及加華混流式水輪機(jī)部件示意見圖1。該制造技術(shù)要求在涂漆過(guò)程中必須具有高精度的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)加工設(shè)備和控制環(huán)境。

圖1 加華水電站水輪機(jī)部件

加華水電站混流式水輪機(jī)的高速水流過(guò)流面已加涂層。一種碳化鎢涂料被涂到導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)和轉(zhuǎn)輪上,涂層的最大厚度為0.3mm。

3 泥沙量和含沙量

加華水電站泥沙收集系統(tǒng)示于圖2。該系統(tǒng)運(yùn)行良好,含沙量由人工泥沙取樣器進(jìn)行測(cè)量。將泥沙取樣器收集的水樣進(jìn)行過(guò)濾,然后將沙送入烘箱烘干,便可得到含沙量。試驗(yàn)期間,每 30min測(cè)量一次。

圖2 帶沉沙池的加華水電站進(jìn)水口

該水輪機(jī)于2009年 3月12日在當(dāng)?shù)丶撅L(fēng)季節(jié)的末期安裝完畢。試驗(yàn)期間的前5周,水流含沙量較高,具體數(shù)據(jù)見圖 3。試驗(yàn)期間,通過(guò)水輪機(jī)的泥沙量分布狀況見圖 4。在試驗(yàn)期間,測(cè)出的最大含沙量超過(guò)了25g/L。

圖3 2009年的平均含沙量

圖4 2009年測(cè)出的泥沙量

原水輪機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)行最大含沙量為 3g/L,而實(shí)際上戴納伐克公司設(shè)計(jì)的水輪機(jī)運(yùn)行的最大含沙量為20g/L。相應(yīng)地,原水輪機(jī)和新的戴納伐克公司設(shè)計(jì)的水輪機(jī)運(yùn)行的過(guò)機(jī)泥沙量分別為 36kg/s和240kg/s。

4 泥沙磨損

盡管水電站裝配有附加的水輪機(jī)部件以減少磨損,但原水輪機(jī)的泥沙磨損仍要求每年按時(shí)進(jìn)行修復(fù),且每年要消耗相當(dāng)?shù)某杀?。修?fù)工作包括焊接、打磨及每個(gè)部件的加工處理。

表1所示為 4個(gè)季風(fēng)季節(jié)的泥沙量統(tǒng)計(jì)情況。新的未涂漆的水輪機(jī)能承受的最大泥沙量為12～14萬(wàn) t。如果泥沙量增大,該未加涂層的水輪機(jī)部件被腐蝕的程度,僅相當(dāng)于采用焊接、打磨等工藝不能修復(fù)的情況。戴納伐克公司相信:加華水電站涂漆后的水輪機(jī)能應(yīng)付2倍多的泥沙量而不用維修。

表1 加華水電站泥沙量統(tǒng)計(jì)

原水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪受泥沙磨損和汽蝕的雙重影響,汽蝕一般發(fā)生在嚴(yán)重磨損的區(qū)域,且反過(guò)來(lái)又使得磨損程度加劇。在原水輪機(jī)中,汽蝕通常是發(fā)生在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口葉片的負(fù)壓側(cè)。在葉片出口和轉(zhuǎn)輪外徑處,轉(zhuǎn)輪腐蝕程度也很嚴(yán)重。在轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)周圍,滲漏水同樣也會(huì)引起腐蝕。

新轉(zhuǎn)輪葉片表面沒有任何可見的腐蝕點(diǎn),但涂層厚度已減少到不到 30%,且在轉(zhuǎn)輪外徑的一個(gè)尖角處,仍有一些腐蝕點(diǎn),這些點(diǎn)的涂層已脫落,可見已明顯腐蝕。在轉(zhuǎn)輪葉片靠近輪轂及下環(huán)的迎水邊和出水邊的地方,因?yàn)槿~片與輪轂和下環(huán)接縫處存在尖角,也是很容易被腐蝕的。

原來(lái)的導(dǎo)葉腐蝕很嚴(yán)重,相反,加了涂層后的導(dǎo)葉表面無(wú)任何可見的腐蝕點(diǎn)。加了涂層后的導(dǎo)葉上出現(xiàn)的唯一的腐蝕點(diǎn)位于導(dǎo)葉軸與頂蓋連接的尖角處,在該位置,有少量的小面積的涂層已經(jīng)脫落。

戴納伐克公司已探索出了新的工程解決方案以對(duì)付水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉上那些眾所周知的敏感點(diǎn)。這些新方法將在交付到加華水電站的下一臺(tái)水輪機(jī)上被采用。

來(lái)自尼泊爾奇姆魯克(Jhimruk)水電站的經(jīng)驗(yàn)表明,50%的效率損耗來(lái)自迷宮密封。由此,加華水電站將對(duì)迷宮進(jìn)行改進(jìn),以方便對(duì)整個(gè)迷宮進(jìn)行涂層施工,這意味著必須去掉尖角部位。其難點(diǎn)在于要找到一種既能起到迷宮作用、又能方便涂層施工的幾何結(jié)構(gòu)。

5 水輪機(jī)效率

按照國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)(IEC41)的要求,進(jìn)行了熱力學(xué)法效率試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),采用進(jìn)口安裝的溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了溫度測(cè)量。輸水隧道和壓力井的長(zhǎng)度足以保證水輪機(jī)進(jìn)口斷面的溫度是相同的。在出口處,對(duì)通過(guò)尾水管出口斷面上的2個(gè)高程 8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了溫度測(cè)量。實(shí)際上,是將 8個(gè)點(diǎn)的水通過(guò)管道導(dǎo)入到一個(gè)混水罐中,通過(guò)安裝于混水罐上的溫度探頭進(jìn)行測(cè)量。水輪機(jī)進(jìn)口的壓力測(cè)量與溫度測(cè)量一樣,取自蝸殼進(jìn)口斷面。出口壓力是通過(guò)測(cè)量尾水管出口水位來(lái)測(cè)量,上迷宮滲漏水被引入尾水管,因而,不測(cè)量滲漏水。該試驗(yàn)的不確定度為+0.96%。

分別在2009年 3月13日和 6月 8日進(jìn)行了2次效率試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,2次試驗(yàn)在高負(fù)荷時(shí)的效率相差不到1%,而在低負(fù)荷時(shí),效率損失約為2%,其結(jié)果見圖5。這一效率損失主要是由固定導(dǎo)葉的腐蝕和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片迎水邊和出水邊的腐蝕所引起的。

圖5 加華水電站的效率試驗(yàn)

尼泊爾奇魯克電站相似的效率試驗(yàn)表明,僅僅在 6700t的泥沙情況下,效率損失就達(dá) 8%。奇魯克電站安裝的是一臺(tái)4.2MW的混流式水輪機(jī),其導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪均未涂漆,已被完全磨穿。該電站的效率試驗(yàn)結(jié)果見圖 6。

圖6 奇魯克水電站的效率試驗(yàn)

圖7 2009年的發(fā)電量

6 發(fā)電量

原水輪機(jī)在高含沙量期間是不運(yùn)行的。圖7所示為涂漆和未涂漆的水輪機(jī)所發(fā)的電量。未涂漆的水輪機(jī)所發(fā)的電量是從因水流高含沙量而停機(jī)時(shí)開始計(jì)算的,從2009年 3月13日到 6月 9日,2臺(tái)水輪機(jī)的發(fā)電量之差為13.1GW?h。由此推斷,如果涂漆后的水輪機(jī)在整個(gè)季風(fēng)季節(jié)一直運(yùn)行,則增加的電量可能會(huì)超過(guò)26GW?h。

7 結(jié) 論

根據(jù)計(jì)算,加華水電站加涂層后的水輪機(jī)可將發(fā)電量增加到13.1GW?h。與相同時(shí)間未涂漆的水輪機(jī)相比,可增加發(fā)電量50%,期間,泥沙量為13.1萬(wàn) t,運(yùn)行期間最大含沙量為20g/L。

如果涂層后,試驗(yàn)期間,在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi),效率降低不到1%,在轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉和頂蓋上大的表面也無(wú)明顯可見的腐蝕點(diǎn),磨掉的涂層厚度不到 30%,那么在一些涂層脫落的地方,將補(bǔ)加一點(diǎn)新涂料?，F(xiàn)正在生產(chǎn)一臺(tái)新轉(zhuǎn)輪,在新轉(zhuǎn)輪上將對(duì)腐蝕敏感的地方進(jìn)行修改。這臺(tái)新改進(jìn)后的轉(zhuǎn)輪于2010年2月安裝在加華水電站。

水輪機(jī)新涂層的使用可以增加水輪機(jī)的發(fā)電量,同時(shí)也可為腐蝕嚴(yán)重的其他地區(qū)的水輪機(jī)組提供成功復(fù)制的機(jī)會(huì)。