黨河上游二級電站水輪機的抗磨設計

解再益（湖南云箭集團有限公司，湖南 長沙 40100）

黨河上游二級電站水輪機的抗磨設計

解再益
（湖南云箭集團有限公司，湖南 長沙 40100）

摘要：黨河上游二級站設計水頭較高，河流的泥沙含量大，我們采取多種聯(lián)合措施，從選擇合理的機型參數(shù)、抗磨結構設計和優(yōu)化機組運行工況等多個方面考慮，全方位降低水輪機的泥沙磨蝕。通過探索更為全面的抗磨蝕方法，延長了水輪機的使用壽命，保證滿足了機組大修周期，最終獲得了更好的綜合效益。

關鍵詞：多泥沙；抗磨蝕；結構設計；材料；水力性能

1　概況

1.1電站概況

黨河發(fā)源于祁連山脈，流入敦煌結束，是一條內(nèi)陸河，黨河上游二級水電站位于肅北縣城南42km的黨河主河道上，電站裝機容量為12.6MW，單機容量4.2MW，電站設計引用流量Q引=5.3m3/s，年平均發(fā)電量0.6億kW·h。

電站海拔高程3080m，電站多年平均懸移質(zhì)含沙量為1.9kg/m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙量為20萬t，河流含沙量較大，而且推移質(zhì)較多。

1.2電站基本參數(shù)

（1）電站水頭

最大水頭：Hmax=102m

最小水頭：Hmin=94m

額定水頭：Hsj=95.5m

（2）流量

設計引用流量：Q引=5.3m3/s

最小流量：Q保=2.0m3/s

（3）裝機容量及臺數(shù)

裝機容量3×4200kW

裝機臺數(shù)3臺

（4）電站型式：渠道引水式電站，采用臥式布置

（5）電站負荷性質(zhì)及運行方式：基荷、聯(lián)網(wǎng)運行

2　機型選擇

對于多泥沙電站的機型選擇，一般要著重考慮二個方面：機組轉速和安裝高程的確定。

水輪機流道中含沙水流的相對速度是影響水輪機磨蝕的重要因素。有關的研究和試驗表明，水輪機過流部件的磨蝕與含沙水流速的n次方成正比[1]，對于轉輪葉片，一般n≥3。若流速增加10%，則磨蝕可加劇約33%,因此，應設法減小轉輪出口的相對流速，除加大轉輪直徑外，降低轉速是最好的選擇，以減緩水輪機轉輪及過流部件的磨蝕，這一點對多泥沙水輪機的選型尤為重要。

在含沙水流條件下，水輪機的空蝕往往提前發(fā)生，而且空蝕與磨蝕的聯(lián)合作用又將進一步加重水輪機的磨蝕損壞程度。因此機組的安裝高程要多留余量，以減輕空蝕和磨蝕的聯(lián)合作用。

根據(jù)黨河上游二級站的基本參數(shù)，在國內(nèi)目前各水頭段的優(yōu)秀模型轉輪的初選中，優(yōu)化選出四個具有代表性的、不同轉速的原型水輪機，其型號及參數(shù)見表1。

表1原型水輪機主要參數(shù)

從表1中，可以看出：

（1）若采用500r/min轉速，水輪機按臥式布置，機組的安裝高程不夠，且轉輪直徑偏大，因此不推薦此方案；

（2）若采用600r/min轉速，其水輪機的空化系數(shù)最小，安裝高程有一定的裕度，而且機組的轉速降了二檔，降低了轉輪的出口流速，有效地減少了泥沙的磨蝕；

（3）若采用750r/min轉速，從參數(shù)上看能滿足電站的要求，但從降低轉輪出口的流速的角度出發(fā)，也不推薦此方案。

最終確定選用600r/min的轉速方案，即水輪機為HLD307C-WJ-105，電站的安裝高程取+2m。其原型機的運行區(qū)間圖見圖1。

從原型機的運行區(qū)間圖可以看出，運行工況接近最優(yōu)工況，此時流態(tài)最好；原型機的整個運行工況分布合理，在機組穩(wěn)定運行的45～100%出力范圍內(nèi)，均處于模型曲線的高效區(qū)，并包含了模型曲線的最優(yōu)工況區(qū)，因此600r/min轉速方案的選擇是合理的。

圖1原型水輪機運行區(qū)間圖

3　抗磨設計

多泥沙電站水輪機的抗磨蝕設計，可以從水力優(yōu)化設計、材料及加工、結構設計等幾個方面綜合考慮；同時對容易磨蝕的部件做成易更換的結構，以方便電站的維護。

3.1轉輪

轉輪是水輪機中主要的能量轉換部件，是水輪機的心臟，同時也是易磨蝕的重要部件，因此轉輪的抗磨設計就具有特別重要的意義了。轉輪抗磨設計主要有以下幾方面。

3.1.1轉輪水力優(yōu)化設計

合理設計轉輪，利用最先進的CFD軟件分析并改善轉輪內(nèi)的流態(tài)，尤其在偏離最優(yōu)工況時適當減少轉輪出口環(huán)量，可以改善水輪機的壓力脈動和空化性能。

電站運行表明混流式水輪機轉輪遭受破壞較嚴重的部位有：葉片進水邊、葉片出水邊及下環(huán)內(nèi)表面處，其主要原因是這些部件表面流速相對較高，甚至有旋渦和脫流產(chǎn)生，從而導致嚴重的泥沙磨蝕。

因此只有降低葉片表面的流速，才能有效地改善水輪機的壓力脈動和空化性能。水輪機轉輪將采用特殊的進水邊，顯著降低轉輪進水邊的初生空化系數(shù)。盡可能避免在運行區(qū)內(nèi)出現(xiàn)脫流和葉片流道內(nèi)的二次流。特別是在低水頭運行時因進水邊正面脫流往往導致劇烈紊流，會給含沙水流中運行的轉輪造成嚴重磨蝕。同時將葉片的出水邊設計得比常規(guī)要厚實，以增加轉輪葉片出水邊的抗磨性。

3.1.2材料選擇

轉輪材料考慮選用可焊性好的不銹鋼材料，以便將來能在現(xiàn)場進行補焊修復。同時要考慮材料應具有更高的硬度，則采用馬氏體不銹鋼比奧氏體不銹鋼要好。根據(jù)多種試驗表明，葉片常用材料中，馬氏體不銹鋼耐磨蝕性能最好,但焊接性能不好，塑韌性差，不適用葉片材料。

ZG0Cr16Ni5Mo（16～5）是瑞典，法國、挪威、日本等國家從法國17-4PH基礎上研制的，經(jīng)試驗和實際運行考驗，該鋼具有很好的機械性能、機加工性能和鑄造性能，因該材料含碳量更低，有更多的逆變奧氏體，因此，可焊性更好，可以不進行預熱焊接，耐磨蝕性能最佳，這對電站現(xiàn)場的葉片修復更為有利。為此選定優(yōu)質(zhì)的ZG0Cr16Ni5Mo不銹鋼為黨河上游二級站水輪機轉輪材料。

3.1.3轉輪制造

3.1.3.1轉輪葉片采用VOD真空精煉

葉片的制造方式會對葉片耐磨損性能產(chǎn)生較大影響。

微觀分析表明汽蝕破壞孕育期中，汽泡潰滅產(chǎn)生的針孔，主要沿葉片表面劃痕分布，并沿劃痕開裂。提高表面光潔度，可延長汽蝕孕育期。鋼中夾雜汽孔及疏松等鑄造缺陷對空蝕破壞速度有加速作用，裂紋可借助這些缺陷快速擴展。因此提高鋼水純凈度，減少鑄造缺陷可減緩空蝕破壞速度。

在葉片表面由于缺陷產(chǎn)生的磨損坑，使水流惡化，成為空蝕源，并加速后面部位的磨損，產(chǎn)生新的磨損坑，循環(huán)往復，使葉片表面被磨損掉，形成魚鱗坑。這在真機葉片中已得到證明。

因此轉輪葉片我們采用VOD真空精煉。

3.1.3.2葉片采用數(shù)控機床加工

葉片加工質(zhì)量的好壞與轉輪的抗磨性能有很大的關系，葉片表面平順，光潔度高，不容易產(chǎn)生磨損。黨河上游二級站轉輪葉片加工將采用數(shù)控機床加工，該方法具有精度高、速度快、質(zhì)量好等優(yōu)點，此方法已成功應用于各電站。數(shù)控加工的葉片，其型線偏差和尺寸精度等都將超過IEC60193的要求。提高葉片表面的光潔度，過水流道的表面光潔度達至Ra3.2和Ra1.6，使葉片進水邊和出水邊的粗糙度達到3.2μm,葉片其它部分的粗糙度達到6.4μm以下。

選用優(yōu)質(zhì)的抗磨材料，并提高制造工藝水平，是可以大大降低轉輪的磨蝕強度，延長使用壽命的。

3.2主軸密封結構

在對黨河二級站的多泥沙的情況進行了充分的論證分析,并結合新疆、甘肅等多泥沙電站的設計經(jīng)驗，以及調(diào)研多個電站密封結構的基礎上，優(yōu)化設計出如圖2所示的組合式主軸密封結構，以確保主軸密封的有效與實用。

這個組合式的主軸密封采用的是多級泵板+非接觸式密封+橡膠平板密封的結構，由多個密封優(yōu)化組合而成。

第一道密封如圖2序1所示，為轉輪的泵板密封，由轉輪與頂蓋組成，原理是當水輪機正常運行時，轉輪上的泵板裝置轉動，帶動轉輪上冠空腔內(nèi)的泄漏水一起轉動，在離心力的作用下，在泵板外緣出口處產(chǎn)生壓差，將停留在轉輪上冠空腔處的水，排向轉輪與頂蓋之間的低壓空腔區(qū)，經(jīng)過頂蓋上的排水孔，排到頂蓋的集水腔中，通過2-φ65鋼管接到尾水。少量的泄漏水由主軸間隙密封排到主軸密封位置。

圖2組合式主軸密封結構

由于轉輪的離心力作用，將經(jīng)過轉輪的泄漏水從轉輪上的泵葉和泵蓋板之間泵出，在泵出的泄漏水的過程中，又對轉輪的泄漏水產(chǎn)生反方向的壓力，減少了轉輪的泄漏水，從而達到很好的密封效果。

第二道密封為圖2中的序2所示的泵板密封結構，串聯(lián)設置在主軸上（原理同上），是將少量的泄漏水通過排水管序5再次泵出水輪機，并產(chǎn)生反方向的壓力，阻止泄漏水外流。

第三道密封是序3的橡膠平板密封，此密封完全為了延長機組檢修時間所設置的一道密封，在前面的數(shù)道密封失效的情況下，仍可以起到密封泄漏水的作用，而且結構簡單，檢修方便。

結合轉輪、頂蓋梳齒、密封座等多個間隙密封,能有效地封水。在圍繞主軸密封功效，結合電站的實際情況，從水輪機結構的多個方面出發(fā)，設計的一套組合式的方案，實際證明其效果是顯著的。

3.3活動導葉

3.3.1活動導葉水力設計

選擇合理的導葉翼型和最佳的擺放位置，是減輕導葉磨蝕的。合理的導葉翼型，可以避免由于繞流沖角與最大沖角雙重影響而導致流速過高，從而減輕導葉區(qū)的磨蝕。

固定導葉與活動導葉雙排葉柵周向相對位置對導葉區(qū)域的流動有一定的影響，通過CFD的分析，可使固定導葉與活動導葉處于最佳的周向相對位置，此時導葉區(qū)流道最為通暢，導葉角較小，流態(tài)最佳，對減輕泥沙磨蝕和提高水輪機效率最為有利。

3.3.2抗磨材料選擇

面對含沙水流的零部件，其材料的選擇至關重要?；顒訉~的材料同轉輪材料均采用ZG0Cr16Ni5Mo （16～5）不銹鋼。在材料的選擇上面，盡最大可能選擇抗磨材料，從而延長電站的檢修周期。

3.3.3抗磨結構設計

對于多泥沙電站，導葉的抗磨設計與導葉軸的密封設計同樣至關重要，是影響機組安全穩(wěn)定運行的又一個關鍵因素。在導葉抗磨設計中主要有：

（1）導葉上、下端面采用帶軸肩和大端蓋的特殊結構，以減小導葉端面的間隙磨蝕并保護下軸套。該技術已被我公司成功的應用于電站改造中，取得了良好的效果。

（2）導葉軸密封采用Yx密封結構，經(jīng)過電站的實際運行證明，其結構可靠，能有效地利用進水口采用減少泥沙進入間隙的特殊設計。

（3）增加座環(huán)、頂蓋、底環(huán)的剛度，并適當減少導葉上下端面間隙的設計值和制造誤差。只要保證足夠大的頂蓋剛度，運行時導葉的活動端面間隙才不會變化，從而減少含沙水流對導葉、頂蓋的磨蝕。

（4）頂蓋及底環(huán)上設置便于拆換的不銹鋼抗磨板，其型式及進水口采用減少泥沙進入間隙的特殊設計。

4　優(yōu)化電站的運行工況

優(yōu)化電站的運行工況就是從源頭上減輕水輪機的磨蝕，要求電站按科學合理的方式來運行，能起到非常好抗磨效果。優(yōu)化電站運行工況主要有以下三個方面。

4.1排沙和沉沙

通過調(diào)研黨河流域的水輪機磨蝕情況，發(fā)現(xiàn)雷墩子電站在這方面做得較成功。

雷墩子電站于2010年12月發(fā)電，運行一年后，轉輪磨蝕嚴重，主要是出水邊磨蝕。修復三個轉輪，后汛期在前池加裝鋼絲網(wǎng)，大的推移質(zhì)和躍移質(zhì)不能進入流道，磨蝕情況減輕很多。2年后檢查，發(fā)現(xiàn)轉輪較好，預計還可以再使用4年。主軸密封運行情況較好，基本不漏水，也沒有檢修過。

因此，電站需要在電站進水口前面設置沖沙或?qū)晨?，以及布置鋼絲網(wǎng)，使河道內(nèi)的推移質(zhì)和躍移質(zhì)進不了水輪機的流道，可大大減輕水輪機的磨蝕。

4.2優(yōu)化機組運行工況

水輪機運行過程中，應盡可能接近最優(yōu)工況，此時流態(tài)最好，盡可能避免機組運行于低負荷或過負荷工況。對于黨河上游二級站，其導葉區(qū)的磨蝕應給予一定關注，尤其是在空載、旋轉備用和關機狀態(tài)。在這些狀態(tài)，一方面導葉流速高，容易磨蝕；另一方面存在間隙空蝕與泥沙磨蝕的聯(lián)合作用，危害較大。

4.3避開洪水期運行

洪水期的水流含沙量劇增，此時要停機。此時發(fā)電，對機組損傷巨大，對電站而言是得不償失的。

5　結束語

多泥沙電站水輪機的磨蝕是一個復雜的過程，而其治理是個系統(tǒng)工程，需要多方共同努力。

黨河上游二級站在采取系統(tǒng)性的抗磨措施后，電站已運行2年多，在電站大修檢查時，轉輪、主軸密封、導葉、導葉密封都只有輕微磨蝕，業(yè)主對此深感滿意。

與黨河流域上的同類機組相比，黨河上游二級水輪機所采取的一系列抗磨設計是成功的。隨著水輪機設計制造的新技術、新材料的不斷出現(xiàn)，我們將更有信心將水輪機抗磨技術不斷推進到更高水平，不斷延長水輪機的使用壽命，為社會取得更好的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]李國梁.水輪機泥沙磨蝕防護的技術進展[C]//水機磨蝕1999-2000論文集，2000.

中圖分類號：TV734.1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）01-0010-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.003

收稿日期：2014-08-27

作者簡介：解再益（1975-），男，工程師，從事水輪機設計工作。