大盈江四級(jí)水電站水輪機(jī)抗泥沙磨損措施探析

李勝亮，曲德威，劉永軍

（1.遼寧清原抽水蓄能有限公司籌建處，遼寧 沈陽 110001；2.云南盈江縣大盈江四級(jí)水電站，云南盈江 679300；3.桓仁西江水力發(fā)電有限公司，遼寧桓仁 117221）

大盈江四級(jí)水電站水輪機(jī)抗泥沙磨損措施探析

李勝亮1，曲德威2，劉永軍3

（1.遼寧清原抽水蓄能有限公司籌建處，遼寧 沈陽 110001；2.云南盈江縣大盈江四級(jí)水電站，云南盈江 679300；3.桓仁西江水力發(fā)電有限公司，遼寧桓仁 117221）

大盈江四級(jí)水電站流域泥沙含量大，蓄水壩區(qū)庫容量小，汛期泥沙得不到有效沉積，大量泥沙流入機(jī)組，造成水輪機(jī)過流部件磨損嚴(yán)重，嚴(yán)重影響電站安全運(yùn)行。通過修建沉沙池、優(yōu)化水輪機(jī)過流部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行噴涂抗磨層等措施，很好地解決了水輪機(jī)泥沙磨損問題，取得了良好效果。

大盈江水電站；水輪機(jī)；泥沙磨損；措施

大盈江四級(jí)水電站位于云南省德宏州盈江縣境內(nèi)的大盈江干流上，裝機(jī)容量5×175MW，機(jī)組額定水頭為289m。2013年8月5臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。大盈江屬于多沙河流，汛期泥沙含量大，壩址沙量為335×104t，平均含沙量為0.448kg/ m3，汛期含沙量最高達(dá)為0.675kg/m3。電站屬于引水式電站，廠址位于洪蚌河口與大盈江匯口上游約1km處，引水系統(tǒng)長達(dá)14km，調(diào)節(jié)庫容僅3.58×104m3，相對(duì)較小。

1　水輪機(jī)運(yùn)行情況

大盈江水四級(jí)電站水輪發(fā)電機(jī)型號(hào)為HL（TF5008）-LJ-380，額定出力178.6MW，最大水頭329m，額定水頭289m，最小水頭285m，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)為5329h，汛期一般在每年的6—8月，期間基本24h不間斷滿負(fù)荷運(yùn)行。2009年4月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，電站渡過第一個(gè)汛期過后，發(fā)現(xiàn)機(jī)組在開機(jī)的時(shí)候球閥無法正常平壓，機(jī)組的振動(dòng)、擺度變大、機(jī)組運(yùn)行噪音增大超過設(shè)計(jì)值，機(jī)組水導(dǎo)、推力瓦溫升高。檢查發(fā)現(xiàn)幾乎所有機(jī)組的活動(dòng)導(dǎo)葉、底環(huán)、頂蓋及其轉(zhuǎn)輪都出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損，活動(dòng)導(dǎo)葉上下軸頸迎水部位均受到嚴(yán)重的沖蝕，破壞嚴(yán)重，軸端密封失效，密封槽破損，活動(dòng)導(dǎo)葉上下端面與座底環(huán)、頂蓋的上下接觸部位出現(xiàn)明顯的沖蝕。轉(zhuǎn)輪進(jìn)口邊靠近上冠、下環(huán)的位置出現(xiàn)缺損，并且有蝕坑、魚鱗狀的空蝕和磨損，轉(zhuǎn)輪出水邊下環(huán)的位置同樣出現(xiàn)了蝕坑、魚鱗狀的空蝕和磨損。頂蓋、底環(huán)表面在活動(dòng)導(dǎo)葉活動(dòng)的區(qū)域出現(xiàn)了嚴(yán)重的蝕坑，破壞十分嚴(yán)重。

1）機(jī)組水輪機(jī)頂蓋抗磨板、部分中軸套已經(jīng)遭到破壞、導(dǎo)葉上端面密封槽全部破壞，破壞程度極其嚴(yán)重，最大破壞深度達(dá)到50～60mm，長度沿著整個(gè)中軸套。

2）機(jī)組水輪機(jī)底環(huán)抗磨板、下軸套全部遭到破壞、導(dǎo)葉下端面密封槽全部破壞，底環(huán)過流表面破壞程度極其嚴(yán)重，平均破壞深度達(dá)40mm，最大破壞深度達(dá)到60～70mm，寬度大約為200mm。

3）3號(hào)機(jī)24個(gè)水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉全部遭到嚴(yán)重破壞，破壞程度極其嚴(yán)重，主要破壞位置集中于導(dǎo)葉的上下軸頸密封槽邊緣。

4）3號(hào)機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪泥沙磨損十分嚴(yán)重，上下迷宮環(huán)單邊磨損15mm，下迷宮環(huán)徑向磨出15 mm、深寬30mm環(huán)形深溝，上下迷宮環(huán)上端面磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口頭部磨損嚴(yán)重，并且有2個(gè)轉(zhuǎn)輪長葉片已經(jīng)出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，斷裂的葉片1尺寸為450mm×230mm，斷裂的葉片7尺寸為390mm×220mm。

5）機(jī)組水輪機(jī)上下固定止漏環(huán)磨損極其嚴(yán)重，部分端面磨損深度達(dá)到20～25mm。

2　原因分析

2.1流域來沙集中，機(jī)組運(yùn)行工況差

大盈江為季節(jié)性河流，為多雨地區(qū)，來水主要是靠大氣降雨，來水陡漲陡落，泥沙主要來源為地面侵蝕，經(jīng)雨水沖刷，匯入江中。據(jù)觀測，1—10月份入庫平均含沙量為0.38kg/m3，上游來沙主要集中在5—9月份，占1—10月份來沙98.59%，1—4月份僅占0.08%，10月份占1.33%。壩址來水最大含沙量發(fā)生在6，7月達(dá)15.216kg/m3。電站的蓄水壩區(qū)庫容量小，沒有起到沉沙的作用，使得流域中的大量泥沙流入機(jī)組造成了磨損，從表現(xiàn)形態(tài)到機(jī)理分析，結(jié)合其他電站的經(jīng)驗(yàn)，主要是間隙磨損。導(dǎo)葉、上下抗磨板、迷宮環(huán)包括轉(zhuǎn)輪的破壞原因，多數(shù)都直接或間接地由磨損引起。

2.2過流部件設(shè)計(jì)缺陷

大盈江四級(jí)水電站活動(dòng)導(dǎo)葉兩軸端與導(dǎo)葉本體有較大的鑄造圓角，從導(dǎo)葉進(jìn)水邊向轉(zhuǎn)輪方向看，在過流斷面上形成較高的“凸臺(tái)”。活動(dòng)導(dǎo)葉上下軸頸處的流態(tài)是極其不穩(wěn)定的，非常明顯地在活動(dòng)導(dǎo)葉上下軸端的鑄造圓角的迎水邊出現(xiàn)脫硫和擾流，活動(dòng)導(dǎo)葉端面也出現(xiàn)間隙過流，導(dǎo)葉運(yùn)行位置相應(yīng)的頂蓋、底環(huán)出現(xiàn)導(dǎo)葉型蝕坑。

3　解決措施

3.1修建沉沙池

3.1.1沉沙池設(shè)計(jì)

根據(jù)《水電水利工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范》，取沉沙池設(shè)計(jì)最小沉降粒徑R=0.25mm，取工作段平均流速V=0.25m/s，大于等于設(shè)計(jì)最小沉降粒徑的泥沙沉降率為85%。沉沙池、沉沙池沖沙洞、沉沙池?cái)r水壩均為輸水發(fā)電系統(tǒng)主要建筑物，根據(jù)規(guī)范裁定其建筑物級(jí)別按2級(jí)設(shè)計(jì)。

考慮新型漏斗式沉沙池沖沙流量無現(xiàn)成規(guī)范及理論公式可依，為此，沖沙流量的確定主要依據(jù)河流汛期來流量、沉沙池特性、沉沙池模型試驗(yàn)排沙效果進(jìn)行確定。結(jié)合實(shí)際，最終確定為120m3/s。

沉沙池布置在引水隧洞樁號(hào)引3+242.700—4+177.000m之間，即阿崗河對(duì)岸新3號(hào)施工支洞口附近地段，主要由沉沙池池頂邊坡、沉沙池環(huán)形公路、漏斗式沉沙池池體、沉沙池?cái)r水壩及沖沙系統(tǒng)等組成。沉沙池環(huán)形公路環(huán)繞沉沙池池體一周，其上部為沉沙池池頂邊坡，由于沉沙池池體工作段處發(fā)育一條沖溝，其地面高程低于池頂高程，因此在沉沙池工作段左側(cè)設(shè)置攔水壩，為將沉沙池沉積泥沙排出池外，在沉沙池池體左側(cè)利用沖溝布置沖沙系統(tǒng)，將泥沙排入大盈江中，沖沙系統(tǒng)控制閘結(jié)合攔水壩進(jìn)行布置。

沉沙池池體布置于環(huán)形公路內(nèi)，由開挖形成，池體底部最大寬度為122.2m，底部最大長度為447.98m（沿工作段縱軸線），池體頂部最大寬度為157.8m，頂部最大長度為491.74m，最大深度為56m，池體順?biāo)鞣较蛞来螢槌辽吵厣嫌芜B接段、工作段及下游連接段。

3.1.2沉沙池修建效果對(duì)比

1）沉沙池建成前壩址與尾水含沙量

沉沙池建成前壩址來水含沙量在0～0.07kg/ m3之間變化，尾水含沙量在0～0.062kg/m3之間變化。沉沙池建成前，1—4月份處于枯水期，天然來水含沙量較小，均值為0.005kg/m3。通過實(shí)測資料來看，壩址來水含沙量與尾水含沙量基本相當(dāng)，見表1。

2）沉沙池建成后過機(jī)沙量及級(jí)配

2013年4月完成下閘蓄水沉沙池投運(yùn)后，5—10月份壩址來水含沙量在0～15.216kg/m3區(qū)間變化，平均含沙量0.555kg/m3。尾水含沙量在0～10.071kg/m3變化，平均含沙量0.258kg/m3。通過實(shí)測資料來看，沉沙池建成后對(duì)上游來沙有很好的沉沙作用，尤其是在汛期來沙量較大、泥沙粒度也較大的時(shí)候沉沙效果明顯，見表1。

3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）改進(jìn)抗磨板材料，改善導(dǎo)葉端面密封方式

頂蓋、底環(huán)過流板原設(shè)計(jì)材料為Q235-B，表面堆焊一層厚度不小于5mm不銹鋼，改為抗磨性能優(yōu)良的ZG06Cr16Ni5Mo不銹鋼板，以提高其耐磨性能；導(dǎo)葉D形密封由原丁晴橡膠材料改為特殊聚胺脂進(jìn)口材料，密封性能改善，增強(qiáng)了導(dǎo)葉軸頭抗磨損能力；上、下止漏環(huán)材質(zhì)由ZG10Cr13改用抗磨性能優(yōu)良的ZG06Cr13Ni5Mo不銹鋼材料；取消頂蓋、底環(huán)上下抗磨板上的密封槽結(jié)構(gòu)，端面密封改為金屬間隙密封方式。

2）改進(jìn)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)各部位配合間隙

活動(dòng)導(dǎo)葉端面間隙在工廠驗(yàn)收控制由原來的（0.6±0.15）mm改為（0.3±0.1）mm以內(nèi)，有效防止大顆粒泥沙進(jìn)入導(dǎo)葉端面，減緩導(dǎo)葉端面磨損；轉(zhuǎn)輪上冠外圓與頂蓋密封間隙由原設(shè)計(jì)3.0mm改為（2.0±0.2）mm，減緩上冠外圓及頂蓋抗磨板內(nèi)圓間隙磨損；轉(zhuǎn)輪下環(huán)外圓與底環(huán)密封間隙由原設(shè)計(jì)3.0mm改為（2.0±0.2）mm，減緩下環(huán)外圓及底環(huán)抗磨板內(nèi)圓間隙磨損；轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋密封止漏間隙、轉(zhuǎn)輪下環(huán)與基礎(chǔ)環(huán)密封止漏間隙適當(dāng)減小，由原設(shè)計(jì)1.25mm改為（1.0±0.1）mm。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)間隙的改進(jìn)，使導(dǎo)水機(jī)構(gòu)內(nèi)流體狀態(tài)趨于穩(wěn)定，間隙擾流、紊流能到有效控制。

表1　沉沙池建成前、后壩址來水與尾水含沙量對(duì)比　kg/m3

3）頂蓋結(jié)構(gòu)改善

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)頂蓋進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增大其結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度，減小因頂蓋變形而導(dǎo)致導(dǎo)葉與頂蓋端面間隙變化而產(chǎn)生的泥沙磨損。

4）對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)過流部件進(jìn)行熱噴涂

頂蓋、底環(huán)、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪等過流面采用國內(nèi)外先進(jìn)的碳化鎢特殊抗磨性材料熱噴涂技術(shù)，增強(qiáng)這些部件的抗泥沙磨損能力。

4　結(jié)語

經(jīng)過上述一系列措施的改造，改善了機(jī)組水流流態(tài)，增強(qiáng)了機(jī)組過流部件的抗磨性能。機(jī)組投入運(yùn)行并經(jīng)歷了一個(gè)汛期，對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)沉沙池降沙效果明顯，蝸殼里面沒有泥沙堆積，只是存有少量的泥土。機(jī)組開機(jī)時(shí)能夠正常平壓，機(jī)組各部位振動(dòng)、擺度正常，瓦溫度符合要求，很好地解決了大盈江四級(jí)水電站水輪機(jī)泥沙磨損嚴(yán)重問題，保證了電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］云南省水利水電建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心.大盈江四級(jí)水電站樞紐工程專項(xiàng)驗(yàn)收質(zhì)量監(jiān)督報(bào)告［R］.2014，5.

［2］中國電建顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院.大盈江水四級(jí)電站樞紐工程專項(xiàng)驗(yàn)收設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2014，4.

TK730.8

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1002－0624（2015）12－0056－03

2015-09-12