淺談減輕水輪機(jī)泥沙磨蝕的措施及途徑

楊貴元

(保山能源發(fā)展股份有限公司，云南 保山 678000)

0 引 言

水輪機(jī)泥沙磨蝕是多泥沙河流水電站共同存在的一個(gè)嚴(yán)重問題。當(dāng)通過水輪機(jī)的水流泥沙含量較大時(shí)，水輪機(jī)過流部件就會產(chǎn)生磨蝕，進(jìn)而對水輪機(jī)過流部件產(chǎn)生破壞，如果不及時(shí)對水輪機(jī)進(jìn)行大修，將會使其破壞情況加重，導(dǎo)致水輪機(jī)運(yùn)行的不穩(wěn)定和效率的降低，影響機(jī)組的安全和效益。本文主要通過對三江口電站不同類型的水輪機(jī)在取水方式改變后，水輪機(jī)過流部件磨蝕情況的橫向、縱向分析比較，提出減輕水輪機(jī)泥沙磨蝕的主要措施和途徑。

1 電站概況

三江口電站位于云南省保山市龍陵縣境內(nèi)的蘇帕河上，為蘇帕河干流規(guī)劃一庫五級中的最后一級，多年平均流量24.81 m3/s，年平均懸移質(zhì)沙量96×104t，多年平均輸沙率為30.4 kg/s，含沙量為1.23 kg/m3，開發(fā)方式為高水頭徑流引水式，設(shè)計(jì)水頭232 m。電站分兩期開發(fā)，一期裝機(jī)容量2×15 MW，選用水輪機(jī)型號為HL100—LJ—150，于1993年4月建成發(fā)電；二期新增裝機(jī)容量2×16 MW，選用水輪機(jī)型號為HLA542—LJ—155，2006年12月首臺機(jī)組投運(yùn)。

2 一期取水方式及水輪機(jī)運(yùn)行情況

2.1 取水方式

三江口電站首部樞紐在蘇帕河干流上呈一字形布置，從右至左為：溢流壩、沖沙閘、取水閘，溢流壩從右岸布置到河床中央，采用漿砌石溢流重力壩，沖沙閘、取水閘布置在溢流壩左側(cè)，取水閘前設(shè)有粗格攔污柵1道，取水流量為16 m/s。由于河水懸移質(zhì)輸沙量大，工程投運(yùn)第一年，溢流壩前就被沙石淤滿，取水方式變?yōu)橹苯訌暮拥廊∷Ｊ撞繕屑~與壓力前池間設(shè)有沉沙池，長174 m，按淤沉泥沙最小粒徑0.2 mm設(shè)計(jì)。

2.2 水輪機(jī)參數(shù)

水輪機(jī)型號為HL100—LJ—150，轉(zhuǎn)輪為0Cr13Ni4Mo全不銹鋼鑄焊結(jié)構(gòu)，葉片17片，活動導(dǎo)葉為0Cr13Ni4Mo全不銹鋼，18個(gè)。設(shè)計(jì)水頭230 m，設(shè)計(jì)流量7.6 m/s，額定轉(zhuǎn)速600 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速1 026 r/min，額定功率15 544 kW。

該水輪機(jī)是由杭州發(fā)電設(shè)備廠設(shè)計(jì)、制造，并于1993年4月投產(chǎn)發(fā)電。由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，電站選用的HL100水輪機(jī)及其附屬設(shè)備是20世紀(jì)50年代就已定型的產(chǎn)品，在技術(shù)上已明顯落后，相對效率較低，運(yùn)行穩(wěn)定性與抗氣蝕磨損性能一般。

2.3 過流部件磨蝕情況

該水輪機(jī)主要過流部件都采用整體不銹鋼或鑲嵌不銹鋼抗磨板的方式進(jìn)行防護(hù)，且使用的0Cr13Ni4Mo不銹鋼在當(dāng)時(shí)是屬于抗氣蝕磨蝕性能較好的材料；但由于河水含沙量大，且為硬度較高、棱角鋒利的石英沙，因此過流部件磨蝕損壞嚴(yán)重。自1993年4月投產(chǎn)以來，每年必須進(jìn)行擴(kuò)大性大修，對水輪機(jī)過流部件進(jìn)行更換修復(fù)，否則無法保證安全運(yùn)行；最嚴(yán)重時(shí)，10個(gè)月就要更換1次。各部件具體磨蝕損壞情況如下：

(1)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊磨損嚴(yán)重，與上冠、下環(huán)焊接處明顯淘出溝槽形成缺口，甚至出現(xiàn)穿孔情況；流道布滿魚鱗狀坑槽，葉片出水邊變薄并出現(xiàn)斷裂剝落情況；轉(zhuǎn)輪與頂蓋、底環(huán)配合單邊間隙由1.6 mm增大至8～10 mm。

(2)活動導(dǎo)葉葉面呈現(xiàn)波紋狀、魚鱗狀淺坑槽，導(dǎo)葉尾部磨薄，呈刀刃狀，并出現(xiàn)鋸齒狀溝槽，與頂蓋、底環(huán)配合的上下端面明顯磨蝕出溝槽。

(3)頂蓋抗磨板鱗狀坑槽明顯，與活動導(dǎo)葉上端面、中軸頸配合處溝槽明顯，甚至有穿孔現(xiàn)象。

(4)底環(huán)磨蝕嚴(yán)重，過水面上有大量溝槽、孔洞穿透16 mm厚的抗磨板，有的地方甚至出現(xiàn)大面積、成塊剝落現(xiàn)象，并對底環(huán)的母材產(chǎn)生破壞。

從上述磨蝕情況可看出，水輪機(jī)過流部件磨蝕嚴(yán)重，僅1年就進(jìn)入磨蝕失效的中晚期，轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉等接近報(bào)廢，有的無法修復(fù)。從發(fā)電至2005年，電站前后新制、更換了水輪機(jī)4臺套，而且嚴(yán)重的磨蝕還對電站安全運(yùn)行產(chǎn)生了極大威脅；電站還曾經(jīng)出現(xiàn)過因磨蝕嚴(yán)重導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)脫落的事故。

3 二期取水方式及水輪機(jī)運(yùn)行情況

3.1 取水方式

至2005年前后，三江口電站上游“龍頭”茄子山水庫及各梯級電站已建成發(fā)電或即將建成，三江口電站上游的阿鳩田電站發(fā)電引用流量達(dá)到32.64 m3/s；為充分利用水資源，決定對三江口電站進(jìn)行擴(kuò)建。由于擴(kuò)建后的三江口電站總引用流量略小于阿鳩田電站引用流量，且為了減少工程投資、縮短電站停電施工時(shí)間，以及充分利用上游阿鳩田電站的日調(diào)節(jié)池和沉沙池作用，決定三江口擴(kuò)建就不再新建、擴(kuò)建沉沙池，直接從阿鳩田電站尾水取水。通過河底無壓鋼管及左岸的無壓隧洞與原引水系統(tǒng)相接，原首部取水口僅引取區(qū)間流量作為補(bǔ)充，或在阿鳩田電站機(jī)組全部停機(jī)的情況下取水發(fā)電。因此，三江口電站二期工程完成后，電站取水方式變更為直接從上游阿鳩田電站尾水取水。2006年8月電站開始使用該取水方式運(yùn)行。

3.2 擴(kuò)建水輪機(jī)參數(shù)

水輪機(jī)型號為HLA542—LJ—155，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)為ZG0Cr16Ni5Mo全不銹鋼，葉片采用VOD精煉，長短各15片?；顒訉?dǎo)葉為ZG06Cr16Ni5Mo全不銹鋼，20個(gè)。設(shè)計(jì)水頭230 m，設(shè)計(jì)流量8.09 m/s，額定轉(zhuǎn)速600 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速975.3 r/min，額定功率16 500 kW。

該水輪機(jī)是重慶水輪機(jī)廠設(shè)計(jì)、制造，這種水輪機(jī)是90年代引進(jìn)吸收克瓦納技術(shù)后由哈電開發(fā)的，具有水力性能優(yōu)秀、抗氣蝕泥沙磨蝕性能良好、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；相對HL100水輪機(jī)，最顯著的改變就是轉(zhuǎn)輪采用了長短葉片、采用了泵板和無接觸式主軸密封，導(dǎo)葉采用了偏心導(dǎo)葉葉型，在布置上增大了導(dǎo)葉分布圓直徑，增加了導(dǎo)葉數(shù)量和高度。

3.3 過流部件磨蝕情況對比

2005年7月，三江口電站二期擴(kuò)建時(shí)，曾討論過是否趁擴(kuò)建的機(jī)會對HL100水輪機(jī)進(jìn)行技改的問題。考慮到技改、更換水輪機(jī)投資大、風(fēng)險(xiǎn)高，且新選用的HLA542水輪機(jī)沒有實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不確定因素多；因此，當(dāng)時(shí)決定暫時(shí)不更換HL100水輪機(jī)，擴(kuò)建工程完成后，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況再做決定。如今，水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行已超過10年，已有條件對2種水輪機(jī)進(jìn)行對比。

(1)HL100水輪機(jī)。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)等過流部件磨蝕現(xiàn)象發(fā)生了根本的變化，運(yùn)行1年只有輕微磨蝕痕跡；運(yùn)行3年，轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊、流道有1～2 mm的魚鱗坑，葉片與上冠、下環(huán)焊縫處還有一定的磨蝕坑，導(dǎo)葉葉面有魚鱗坑痕跡，頂蓋、底環(huán)抗磨板上有魚鱗狀坑槽深度2 mm左右，只有在靠近導(dǎo)葉下軸頸、中軸頸的位置有少量的溝槽，深度超過3 mm，整體來看磨蝕大幅度減輕。目前這2臺HL100水輪機(jī)檢修周期延長至3年1次。

(2)HLA542水輪機(jī)。該水輪機(jī)運(yùn)行前兩年基本沒有磨蝕痕跡，運(yùn)行3年后，局部出現(xiàn)磨蝕現(xiàn)象；運(yùn)行4年，轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)等過流部件開始出現(xiàn)魚鱗狀坑，部位與HL100水輪機(jī)大體一致；但運(yùn)行4年的HLA542水輪機(jī)的磨蝕情況明顯比運(yùn)行3年的HL100水輪機(jī)要輕得多，特別是在轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉上更明顯。目前這2臺HLA542水輪機(jī)4年檢修1次。

4 結(jié) 語

三江口電站經(jīng)過20多年的運(yùn)行，特別是二期擴(kuò)建后，改變了取水方式。在保持原有水輪機(jī)不變的情況下，擴(kuò)建機(jī)組選用了新型水輪機(jī)，為高水頭混流式機(jī)組泥沙磨蝕研究提供了非常好的比對條件，通過運(yùn)行也得出了一些有益的經(jīng)驗(yàn)。

(1) 多泥沙河流的水電站，要減輕泥沙磨蝕，排沙、減少水流中的泥沙含量是最直接、最有效的手段。因此，多泥沙河流的水電站，在設(shè)計(jì)時(shí)就要充分考慮，運(yùn)用技術(shù)手段減少水流中的泥沙含量。

(2)對已運(yùn)行水電站，要重視沖沙管理，加強(qiáng)對首部、沉沙池、前池等部位的沖沙，最大限度減少進(jìn)入水輪機(jī)流道的泥沙含量。

(3)采用水力性能優(yōu)異的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，能有效減輕磨蝕，延長檢修周期，提高水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

(4)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉以及頂蓋、底環(huán)抗磨板采用抗磨蝕性能好的不銹鋼材料，如ZG0Cr16Ni5Mo、ZG06Cr16Ni5Mo等，可以提高水輪機(jī)過流部件抗磨蝕能力，延長水輪機(jī)使用壽命。

(5)提高過流部件的加工精度，提高表面光潔度，如轉(zhuǎn)輪葉片采用模壓成型、數(shù)控車床加工等方式，可使水輪機(jī)抗磨蝕性能增強(qiáng)。

(6)對有條件的電站，可以考慮對水輪機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，采用新技術(shù)減輕或解決存在的泥沙磨蝕問題。

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