尼泊爾上達吉水電站減輕水輪機泥沙磨蝕的綜合措施

唐 蕾，莫春霞

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

尼泊爾上達吉水電站減輕水輪機泥沙磨蝕的綜合措施

唐 蕾，莫春霞

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

文章針對多泥沙河流上的水電站水輪發電機組磨蝕問題，通過分析電站的過機泥沙情況，減少過機泥沙、提高水輪機過流部件防護能力、結合設備選型和制定檢修運行方案等多個方面，提出一套減輕水輪機泥沙磨蝕的綜合措施，保障多泥沙河流上水電站水輪機的可靠運行。關鍵詞：泥沙;磨蝕;沉沙池;機組參數;避沙運行

水輪機磨蝕問題一直是影響位于多泥沙河流上的水電站水輪發電機組安全穩定運行的一個難題。當通過水輪機的水流泥沙含量較大、泥沙顆粒直徑及硬度較大時，對于水輪機過流部件，尤其是轉輪將會造成磨蝕破壞，進而影響水輪機的高效穩定運行。

本文主要結合尼泊爾Kaligandaki Upper 水電站(以下簡稱“上達吉水電站”)的前期設計，通過分析電站的過機泥沙情況，減少過機泥沙、提高水輪機過流部件防護能力、結合設備選型和制定檢修運行方案等多個方面，提出一套減輕水輪機泥沙磨蝕的綜合措施[1]。

1 上達吉水電站概況

上達吉水電站位于尼泊爾中部貝尼-佐姆索姆路的Kaligandaki河。Kaligandaki河發源于尼泊爾邊境北部的青藏高原，為恒河左岸根德格河上游干流納拉亞尼河的一級支流。上達吉水電站為徑流式電站，正常蓄水位1 025.00 m，死水位1 024.00 m，電站水頭為132.0 m。裝設2臺混流式水輪機，單機容量為32.5 MW。

電站以發電為主，在電力系統中主要承擔基荷。

2 上達吉水電站泥沙參數

(1) Kaligandaki河含沙量及顆粒級配見表1、2。Kaligandaki河礦物成分見表3。

表1 Kaligandaki河各時期的含沙量表

從表1～3中數據分析：在不設置沉沙措施的情況下，上達吉水電站多年平均懸移值輸沙量為7.84 kg/m3，其中粒徑小于0.25 mm的泥沙顆粒占95.5%，莫氏硬度大于5的泥沙顆粒占41%。

表2 Kaligandaki河泥沙及顆粒級配表

表3 Kaligandaki河礦物成分表

3 減小泥沙磨蝕的綜合措施

針對上達吉水電站的天然泥沙情況，為了減少泥沙對水輪機的磨蝕破壞，設計人員從減少進入水輪機泥沙含量、提高水輪機過流部件的防護能力以及制定安全運行檢修方案等多個方面提出一套減輕上達吉水電站水輪機泥沙磨蝕的綜合措施。

3.1 采取沉沙、排沙措施

為減少進入引水隧洞泥沙含量，降低泥沙對水輪機組的磨蝕破壞，在引水隧洞上游修建有多種沉沙、排沙工程。具體措施: 設置泄洪沖沙閘，能夠有效地起到排沙、拉沙作用，將上游河床底板推移質泥沙排至下游河床； 在取水口閘墩末端以及溢流側堰前緣部位分別設置1道集沙槽，并采用鋼管進行排沙；另外，沉沙池后部壓力前池底部高程低于隧洞進口底板高程0.5 m，再次將通過沉沙池的泥沙進行沉淀，并設置放空兼排沙管[2-3]。沉沙池結構剖面如圖1 所示。

圖1 沉沙池結構剖面圖 單位：m

針對全年河水懸移質泥沙含沙量高的特點，隧洞前部設置沉沙池，能夠阻擋超過0.25 mm粒徑泥沙進入水輪機，并有效降低引水泥沙含量；通過模型試驗數據(泥沙級配測試結果見表4 )表明，設沉沙池后，過機總含沙量由原來的7.47 kg/m3減少為4.92 kg/m3；泥沙中的大顆粒泥沙(直徑>0.25 mm)的含量從0.232 kg/m3減少為0.0123 kg/m3，減少了將近20倍。

對于水輪機來說，大顆粒(直徑>0.25 mm)、高硬度(莫氏硬度>5)的泥沙顆粒對于機組的運行危害性更大。因此，設置沉沙池及采取相關的排沙措施可以減少過機泥沙含量，尤其是大大地降低了對水輪機有危害的大顆粒、高硬度泥沙的含量。

3.2 提高水輪機過流部件抗磨蝕能力

為了提高水輪機過流部件抗泥沙磨蝕的能力，在水輪機設計的過程中，針對水輪機參數的選擇、水輪機過流部件結構的設計、水輪機轉輪及過流部件防磨蝕工藝措施等多個方面提出綜合措施。

(1) 水輪機參數的選擇

由于該水電站過機泥沙含沙量大，參考類似電站的經驗，該電站不宜追求較高的比轉速值及比速系數。較低比轉速的水輪機轉輪直徑較大、質量較重、剛度和強度較好，流道中相對流速低。由于轉輪磨損大體上與相對流速的3次方成正比，因此，選用較低的ns值及K值，轉輪磨損量將明顯減少，同時這類水輪機有較好的空化性能和穩定性。因此，在上達吉水電站前期設計時舍棄了180 m水頭段參數指標較高的HLA855a、HLS166等模型轉輪，改用230 m水頭段的HLA575C模型轉輪進行水輪機參數及廠房控制尺寸計算。經計算分析，上達吉水電站取額定轉速375 r/min，比轉速為153 m.kW，相應的比速系數為1 758。基本上已達到同水頭段水電站比轉速系數范圍的中、下水平。

表4 泥沙級配測試結果表

(2) 水輪機過流部件結構的設計

水輪機主要過流部件結構對于進入水輪機水流的通暢性會造成很大的影響。為了改善水力性能、消除局部氣蝕、減小葉片出水邊背面和下環內側表面的磨損，機組在招標階段與制造廠配合，優化水輪機過流部件的結構設計，提高設備本身的抗磨蝕能力[4]。同時，增加座環、頂蓋、底環的剛度，并適當減少導葉上下斷面間隙的設計值和制造誤差。頂蓋和底環抗磨板采用可拆式結構，在導葉處于關閉狀態的各間隙部位加裝耐磨蝕的止水密封，減輕汛期水輪機停機狀態下，導葉間隙射流所引起的磨蝕損壞。除此以外，過流部件的加工精度，對于水輪機的抗磨蝕性能也有很大的影響。高泥沙河流上的電站，在機組招標時，應提高對水輪機尤其是過流部件加工精度的要求[5]。

(3) 水輪機轉輪及過流部件防磨蝕工藝措施

從水輪機轉輪及葉片的母材選用上，在機組招標時要求選用具有較好的機械性能、機加工性能的不銹鋼材料，如ZG00Cr16Ni5Mo材料。該材料含碳量低、可焊性好，對電站現場的葉片修復更為有利，很適合于高水頭、多泥沙水電站的轉輪及葉片加工。另外，在過流部件的表面噴涂抗磨蝕材料，對于提高水輪機過流部件的抗泥沙磨損性能是很有效的。許多泥沙河流電站還采用在轉輪及導葉的過流表面噴涂非金屬材料，如環氧金剛砂涂層、聚氯酯涂層等。但是現在隨著噴涂材料的發展，越來越多的電站采用碳化鎢等金屬代替原來非金屬材料。實驗及運行數據表明，其抗磨蝕性能較非金屬材料更好。在噴涂技術方面，HVAF等新的涂層技術也替代了傳統的熱噴涂技術，使得噴涂材料與水輪機部件的貼合性更好，進一步提高了過流部件的抗磨能力[6]。

3.3 制定合理的水輪機檢修方案

雖然已經采取上述相關的防磨蝕措施，但仍有一定的有害泥沙進入水輪機內部，為了保證水輪機的安全穩定運行，制定合理的檢修方案能保證水電站的安全、經濟、穩定運行。

(1) 大修周期的選擇

根據DL/T 838—2003《發電企業設備檢修導則 》[7]，水電站檢修分為A、B、C、D級檢修。A級檢修是指對發電機組進行全面的解體檢查和修理，以保持、恢復或提高設備性能。B級檢修是指針對機組某些設備存在問題，對機組部分設備進行解體檢查和修理;B級檢修可根據機組設備狀態評估結果，有針對性地實施部分A級檢修項目或定期滾動檢修項目。C級檢修是指根據設備的磨損、老化規律，有重點的對機組進行檢查、評估、修理、清掃;C級檢修可進行少量零件的更換、設備的消缺、調整、預防性試驗等作業以及實施部分A級檢修項目或定期滾動檢修項目。D級檢修是指當機組總體運行狀況良好，而對主要設備的附屬系統和設備進行消缺[7]。

根據上達吉水電站的特點，根據規范[7]相關規定，參照國內其它多泥沙河流(如黃河)上水電站的檢修運行情況，擬定上達吉水電站檢修方案如下：

投產第1年進行1次A級檢修；以后每間隔4 a進行1次A級檢修；在兩次A級檢修之間，安排1次機組B級檢修；除有A、B級檢修年外，每年安排1次機組C級檢修；每年在汛期中間增加1次D級檢修(停機檢查轉輪葉片是否有裂紋，若有裂紋，修復時間為15 d，若無裂紋，停機1 d)。

本電站各類檢修的停機時間為：A級檢修為60 d，B級檢修40 d，C級檢修7 d。

(2) 盡量縮短檢修時間

參考中國黃河上水電站的運行經驗，機組設計時可采用易于檢修維護的結構方案，各機組均在水輪機室設有可拆卸的吊環，能在不拆卸發電機的情況下，在水輪機室內整體起吊水輪機頂蓋、活動導葉以及底環，并固定在發電機下機架上，從而可以方便地檢查及修補水輪機的上下止漏環以及轉輪葉片、下環等易磨損部位，有效地縮短檢修時間。

3.4 汛期的合理調度運行

機組在振動區域運行將會增加泥沙對機組的磨蝕破壞，為了降低水輪機磨蝕程度，水電站投入運行后，應盡量避開在機組的振動區域運行或盡量減少在振動區域的運行時間[8]。同時，應結合汛期上游河道的來沙情況，適當考慮避沙峰運行。另外，為了停機時保護導葉，進水閥宜停機關閉。

4 結 語

對于多泥沙河流上的水電站設計來說，制定合理有效的減輕水輪機泥沙磨蝕綜合措施對于水輪機乃至整個電站安全穩定運行是十分重要的。這也是設計人員在電站的前期設計中必須考慮的一個綜合性的技術問題。

根據中國多泥沙水電站的運行經驗，減輕水輪機磨蝕的方案已由單一的防護措施發展為多方面綜合治理。因此，從水電站設計的前期就應該充分考慮樞紐布置、機組參數的優化；招標階段開始，就應根據電站的泥沙資料，除有針對性地選擇空蝕性能好的轉輪外，對其它過流部件的材質也應選擇抗磨蝕性能好的材料；后期運行中，要合理地安排機組的負荷調度，盡量使機組在最優工況下運行，適當并制訂相應的防范措施，從而減輕機組的磨蝕程度，延長機組使用壽命，使水電站獲得更好的經濟效率。

[1] 孟安波,殷豪,陳德新.多泥沙河流水輪機的磨蝕與防護技術的研究[J].中國農村水利水電, 2008(04):115-116.

[2] 中華人民共和國水利部.水工(常規)模型試驗規程: SL155-2012 [S].北京:中國水利水電出版社,2012.

[3] 中華人民共和國水利部.水利水電工程沉沙池設計規程:SL269-2001 [S].北京:中國水利水電出版社,2001.

[4] 溫曉軍,張冰雪.萬家寨水電站水輪機抗磨蝕的主要措施[J].中國水利,2006(06):61-62.

[5] 湯永明.淺談多泥沙電站水輪機抗磨蝕的措施[J].機電技術,2006(03):28-30.

[6] 王成遠.昌馬總干渠梯級電站水輪機泥沙磨蝕問題與解決方案討論[J].中國水運(下半月),2014(06):148-149.

[7] 中華人民共和國國家經濟貿易委員會.發電企業設備檢修導則:DL/T 838-2003[S].北京:中國電力出版社,2003.

[8] 杜敏,劉正勇,陳祖嘉.多泥沙河流水輪機泥沙磨蝕及防護研究[S].人民長江, 2011(24):73-75.

General Measures to Mitigate Turbine Abrasion from Sediment

TANG Lei, MO Chunxia

(Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081,China)

Regarding the unit abrasion of the hydropower stations on the sediment-rich river, a series of general measures to mitigate the unit abrasion from sediment and secure the reliable operation of the turbine on the sediment-rich river are proposed in terms of analysis on the sediment passing the unit, decreasing the sediment passing the unit, improving protection to the flowing components of the turbine, combining equipment type selection and compiling special maintenance and operation schemes, etc. Key words:sediment; abrasion; sand trap; unit parameter; operation without sediment

1006—2610(2016)06—0059—03

2016-10-12

唐蕾(1980- )，女，貴州省大方縣人，高級工程師，從事水電站水力機械設備設計工作.

TK730;TV734.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.015