蘇基-克納里水電站沖擊式水輪機(jī)抗磨措施研究

楊旭 劉利 張士杰

1 工程概況

蘇基-克納里水電站（以下簡稱SK電站）位于巴基斯坦西北部開伯爾－普赫?qǐng)D赫瓦?。↘PK）曼瑟拉（Mansehra）地區(qū)的Kunhar河上。工程主要由大壩、引水隧洞、地下廠房和開關(guān)站等部分組成。水庫正常水位以下原始庫容為1 037萬m3，原始死庫容為520萬m3，原始調(diào)節(jié)庫容為517萬m3。電站為引水式地下廠房，引水隧洞長約22.6 km，設(shè)計(jì)引水流量114.6 m3/s，最大引水流量為126.06 m3/s。電站總裝機(jī)容量884 MW，多年平均發(fā)電量為3 212 GW·h，安裝4臺(tái)立軸沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組。工程任務(wù)為發(fā)電，在電力系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰運(yùn)行。

2 水電站基本參數(shù)

（1）水庫水位：水庫調(diào)節(jié)方式為日調(diào)節(jié)；水庫最高水位為2 233 m；最低水位為2 223 m。

（2）下游水位：發(fā)電最高尾水位為1 304 m。

（3）電站凈水頭：最大水頭為922.7 m；最小水頭為845.8 m；額定水頭為859.2 m。

（4）發(fā)電引水系統(tǒng)：引水隧洞長約22.6 km，洞徑為6 m，引水隧洞后接調(diào)壓井；調(diào)壓井后接2條3.5 m直徑的壓力豎井，然后一管兩機(jī)進(jìn)入水輪機(jī)。

（5）泥沙情況：電站多年平均入庫含沙量0.18 kg/m3。利用水庫自然沉沙情況下，水庫運(yùn)行20年時(shí)多年平均過機(jī)含沙量為55 g/m3，對(duì)應(yīng)的中值粒徑d50約為0.005 2 mm；30年時(shí)，多年平均過機(jī)含沙量為90 g/m3，對(duì)應(yīng)的中值粒徑d50約為0.009 mm；40年時(shí)，多年平均過機(jī)含沙量為150 g/m3，對(duì)應(yīng)的中值粒徑d50約為0.014 mm。

中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司于2016年在壩址處河流左岸取的河床質(zhì)沙樣，將泥沙粒徑分級(jí)為0.08 mm以下、0.08～0.5 mm以及以上兩級(jí)的混合物在中國地質(zhì)大學(xué)進(jìn)行壩址處河床沉積物樣品的礦物成分測試，成果見表1。由表1可見，砂樣的石英含量與其粒徑大小有關(guān)，如粒徑不大于0.08 mm時(shí)石英含量為25%，而粒徑大于0.08 mm且小于0.5 mm的砂樣石英含量為32%。

表1 壩址處河床沉積物樣品的礦物成分表 %

3 沖擊式機(jī)組泥沙磨損的主要危害

本電站為超高水頭電站，泥沙磨蝕對(duì)機(jī)組運(yùn)行危害很大，會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組的發(fā)電效率，磨蝕很嚴(yán)重時(shí)甚至造成被迫停機(jī)。在多泥沙河流中，沖擊式水輪機(jī)最易磨損部件集中在噴針、口環(huán)磨損，其次為葉斗磨蝕損壞。以國內(nèi)某梯級(jí)水電站為例，自上而下包括RZH電站、JW電站及DF電站，均裝設(shè)單機(jī)超過100 MW的沖擊式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪、噴嘴為國外某公司設(shè)計(jì)、制造。由于第一級(jí)水庫具有年調(diào)節(jié)性能、水質(zhì)較清，各梯級(jí)沖擊式水輪機(jī)在招標(biāo)時(shí)明確均不噴涂抗磨涂層。實(shí)際運(yùn)行中，JW電站和DF電站采用上級(jí)電站尾水為調(diào)節(jié)池主水源，并引入河道區(qū)間流量，因此，泥沙主要來源于汛期河道區(qū)間流量；且兩電站投產(chǎn)初期首級(jí)水庫并未形成，引用流量采用進(jìn)水口底格攔柵防沙效果較差，汛期河水中夾雜有較多的泥沙，泥沙順流進(jìn)入機(jī)組導(dǎo)致水斗及轉(zhuǎn)輪磨損。如圖1、2所示。

圖1 DF電站轉(zhuǎn)輪水斗磨損情況

4 本電站對(duì)泥沙顆粒直徑的敏感性范圍分析

圖2 JW2號(hào)機(jī)組水斗分水刃前尖端部斷裂圖

根據(jù)國內(nèi)在黃河及南方多泥沙河流中高水頭水輪機(jī)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為泥沙粒徑小于0.05 mm時(shí)，泥沙的磨損能力較??；而粒徑大于0.05 mm的泥沙粒徑，尤其是0.1～0.5 mm粒徑的泥沙，磨損強(qiáng)度極大，必須排除；而當(dāng)水頭很高時(shí)，即使顆粒直徑不小于0.05 mm的泥沙，對(duì)水輪機(jī)通流部件的磨蝕危害也很顯著。有關(guān)文獻(xiàn)曾指出，水輪機(jī)通流部件泥沙磨蝕嚴(yán)重程度與泥沙顆粒直徑大于0.05 mm的含沙量（Sd）及電站運(yùn)行水頭（H）的乘積（H?Sd）密切相關(guān)，并建議以H·Sd≤7 000來控制。按照這一建議，SK電站對(duì)顆粒直徑不小于0.05 mm的泥沙含量限制約為8.28 g/m3。

SK電站經(jīng)水庫對(duì)泥沙的自然沉降，運(yùn)行20年沖淤平衡后，出庫泥沙顆粒直徑不小于0.05 mm的泥沙含量見表2。

表2 泥沙顆粒直徑不小于0.05 mm的泥沙含量統(tǒng)計(jì)表

也就是說，水庫在運(yùn)行30年后，必須做好水庫“敞泄排沙”以恢復(fù)水庫對(duì)泥沙的沉降作用，減少沙顆粒直徑不小于0.05 mm的過機(jī)泥沙。

5 本電站水輪機(jī)泥沙磨損估算

目前尚無統(tǒng)一的對(duì)沖擊式水輪機(jī)泥沙磨損的評(píng)估公式，這里參考國外某公司開發(fā)的用于不銹鋼轉(zhuǎn)輪（無抗磨噴涂）估計(jì)平均泥沙磨損率的經(jīng)驗(yàn)公式。其中認(rèn)為石英（莫氏硬度大于7）的含量和粒徑0.04～0.07 mm的泥沙起到關(guān)鍵作用。

式中δ——斗葉內(nèi)表面平均泥沙磨損率，μm/h；

z0——噴嘴數(shù)；

p——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，5×10-6；

q——泥沙石英比例莫氏硬度不小于7，%；

c——泥沙含量，g/L；

w——斗葉內(nèi)的相對(duì)流速，m/s；

fd50——泥沙顆粒在0.04～0.07 mm，莫氏硬度不小于7的硬礦物質(zhì)占總沙重的比例，%。

電站沖擊式水輪機(jī)斗葉內(nèi)表面平均泥沙磨損率估算見表3。

表3 SK電站沖擊式水輪機(jī)斗葉內(nèi)表面平均泥沙磨損率估算表

表3估算的泥沙磨損率只針對(duì)水輪機(jī)泥沙磨損進(jìn)行估算，實(shí)際運(yùn)行水輪機(jī)磨蝕為泥沙磨損和空蝕綜合作用的結(jié)果，情況會(huì)比單純磨損嚴(yán)重。

6 減輕泥沙磨蝕的措施

6.1 工程措施

經(jīng)論證，SK電站采用“壅水沉沙，敞泄排沙”的運(yùn)用方式可防止推移質(zhì)以及懸移質(zhì)中的粗顆粒（d≥0.1 mm）泥沙進(jìn)入進(jìn)水口，使電站過機(jī)多年平均含沙量和多年平均粗粒徑含沙量均限定于允許值。

按照這一方式，水庫運(yùn)行20年后，發(fā)電引水泥沙顆粒直徑在0.05 mm及以上的泥沙仍占有一定含量。電站樞紐采用“壅水沉沙、敞泄排沙”運(yùn)行方式后，非汛期水庫進(jìn)行日調(diào)節(jié)蓄水發(fā)電，汛期水庫一般在正常蓄水位發(fā)電，多余水量通過底孔排沙運(yùn)行，當(dāng)入庫流量大于200 m3/s進(jìn)行敞泄排沙運(yùn)行（1年敞泄排沙1 d，其他大于200 m3/s時(shí)間正常發(fā)電結(jié)合底孔棄水排沙），電站1年停止發(fā)電時(shí)間為1 d，以期降低過機(jī)含沙量，為水輪機(jī)運(yùn)行創(chuàng)造盡可能好的條件。

6.2 過流部件材料

為解決電站空蝕和泥沙磨損帶來的危害，許多高水頭水電站采用0Cr13Ni4～6Mo以及0Cr16Ni5Mo型不銹鋼作為主要過流部件的母材。這幾種鋼材有很好的耐磨性和耐空蝕性能，以及良好的加工性能。幾種鋼材的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表4、5。

表4 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪常用鋼材化學(xué)元素含量 %

表5 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪常用鋼材力學(xué)性能

SK水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用整鍛工藝，因鍛造溫度較難控制，選用的材料要適合大體積或厚鋼板的鍛造，本項(xiàng)目水輪機(jī)中標(biāo)制造商安德里茨公司推薦轉(zhuǎn)輪、噴針、噴嘴口環(huán)等主要過流部件采用德標(biāo)EN10088-2005馬氏體不銹鋼X3CrNiMo 13-4，化學(xué)成分及力學(xué)性能見表6、7。

表6 X3Cr NiMo 13-4不銹鋼化學(xué)元素含量 %

表7 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪常用鋼材力學(xué)性能

6.3 抗磨涂層

根據(jù)分析預(yù)期過機(jī)泥沙含量、粒徑、礦物成份和泥沙幾何形狀等因素，主機(jī)廠推薦不對(duì)轉(zhuǎn)輪水斗內(nèi)表面噴涂抗磨層，只對(duì)噴針、口環(huán)進(jìn)行噴涂。噴涂材料使用該公司專有的抗磨材料SXHTM80，涂料通過HVOF（超音速火焰噴涂），熱噴涂工藝沉積在部件表面，噴涂厚度約為0.3 mm。

根據(jù)安德里茨供貨的瑞士Zermatt電站對(duì)比，用SXHTM80噴涂的部件，按照不同流速、過機(jī)時(shí)間、泥沙含量和成分的不同，會(huì)比不噴涂的鋼制部件實(shí)際使用壽命增加2～7倍。

6.4 其他措施

（1）針對(duì)本電站水頭高、含泥沙等特點(diǎn)，機(jī)組設(shè)計(jì)選型時(shí)注意參數(shù)的選擇。合理選擇噴嘴比轉(zhuǎn)速，使水輪機(jī)運(yùn)行在“無空化”區(qū)域。

（2）采用適當(dāng)?shù)谋苌撤暹\(yùn)行方式，在過機(jī)含沙量較大時(shí)停機(jī)，以減小對(duì)過流部件的磨損。

（3）沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪水斗修復(fù)時(shí)間較長，約需1個(gè)月；其余過流部件如噴嘴、噴針、折向器等修復(fù)時(shí)間相對(duì)較短，約需1周。從縮短大修時(shí)間、減少發(fā)電量損失角度出發(fā)，可根據(jù)預(yù)估的轉(zhuǎn)輪大修周期，在機(jī)組設(shè)備采購時(shí)同期采購備用轉(zhuǎn)輪、噴針和口環(huán)。

（4）為了檢修方便，水輪機(jī)采用下拆結(jié)構(gòu)。檢修頻率較高的水斗、口環(huán)、噴針等零部件，均可在不拆卸發(fā)電機(jī)的情況下，通過下拆進(jìn)行檢修。下拆零部件通過專用小車和廠房上游側(cè)的吊物孔吊運(yùn)到安裝場進(jìn)行檢修。

7 結(jié) 語

巴基斯坦蘇基-克納里水電站具有超高水頭，過機(jī)含有沙量且汛期過機(jī)泥沙含量較大、沙質(zhì)硬度較高等特點(diǎn)。在工程設(shè)計(jì)及招標(biāo)過程中，對(duì)水輪機(jī)抗泥沙磨蝕措施進(jìn)行了深入研究，從工程措施、過流部件材料選擇、采用抗磨涂層等多方面進(jìn)行了考慮，為電站的長期高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了良好條件。