金康電站機組泥沙磨蝕及處理

蔡正華

（四川金康電力發展有限公司，四川 康定 626000）

金康電站機組泥沙磨蝕及處理

蔡正華

（四川金康電力發展有限公司，四川 康定 626000）

金康電站是多泥沙、高水頭混流式水輪發電機組，因過流部件損壞嚴重，引起廠區汛期嚴重共振等重大安全隱患，通過分析研究，針對機組過流部件泥沙磨蝕嚴重問題，提出過流部件采用合適的噴涂材料和方法進行噴涂防護，達到了泥沙磨蝕急劇減少的實際效果，確保機組過流部件完好，確保機組安全可靠穩定運行，徹底消除整個廠區汛期嚴重共振等重大安全隱患，增加發電量，創造巨大安全效益和經濟效益。

電站；泥沙磨蝕；噴涂；共振；安全隱患

金康電站處在多泥沙地域，又是高水頭、高轉速混流式機組，依據中華人民共和國電力行業標準《發電企業設備檢修導則DL/T838-2003》規定，多泥沙水電站的水輪發電機組A級檢修（大修）間隔為4~6年，金康電站參照同類型、相鄰電站經驗，按照3~4年安排大修。

但在實際運行中發現，從2008年開始，機組大修后一旦經歷第2個汛期，就發現汛期2臺機組同時運行時，機組、廠房都在嚴重共振，遠在150m外的宿舍、食堂等也曾嚴重振動，存在重大安全隱患。2臺機組經歷3個汛期后大修發現過流部件嚴重損壞，頂蓋、底環損壞各有23處（與導葉數量一致）深度達到50mm的深坑，只能立即組織外送到廠家緊急修復，導葉損壞也非常嚴重，只能更換。聯想到機組、廠房及整個廠區在2008年開始，汛期就有嚴重抖動、共振現象，2009年汛期更為嚴峻，說明機組安全可靠性受到嚴重威脅，整個廠區存在重大安全隱患。

1 金康電站概況及現象

金康電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，是金湯河一庫五級開發方案的最末一級。金湯河系大渡河左岸一級支流，全河長79.8km，天然落差3372m，平均比降4.23%，流域面積1135km2，多年平均泥沙含量為100g/m3（枯水季節沒有泥沙，都集中在汛期）,金湯河多年平均流量36.6m3/s，為低閘引水式開發,壓力隧洞全長16302.511m，電站設計引用流量37.4m3/s。水庫正常蓄水位為1974.00m，死水位為1969.00m，可調節庫容33.14萬m3（由于泥沙淤積嚴重，目前約為15萬m3），進水閘門位于左岸，調壓室為鋼包氣墊式調壓室，電站裝機2臺，總裝機容量150MW，額定水頭458m，單機引用流量18.5m3/s。電站設計年利用小時為5230h，枯水期平均保證出力為30MW，設計多年平均發電量為7.846億kW·h。

水輪機基本型號和參數：

水輪機型號 HL（E）-LJ-215A

轉輪進口直徑 2150mm

轉輪出口直徑 1272mm

最大水頭 498m

額定水頭 458m

最小水頭 457.7m

額定轉速 600r/min

最大飛逸轉速 953r/min

水輪機額定功率 76.9MW

水輪機最大功率 84.6MW

水輪機吸出高程 -8.21m

水輪機軸向水推力 590kN

依據中華人民共和國電力行業標準《發電企業設備檢修導則DL/T838-2003》規定，多泥沙水電站的水輪發電機組A級檢修（大修）間隔為4~6年，金康電站參照同類型、相鄰電站經驗，充分考慮多泥沙對高水頭機組過流部件的影響，提前加工準備1個備用轉輪、一套過流部件（導葉23只、頂蓋1個、底環1個），按照3~4年安排大修，2臺機組是2006年8月和9月分別投產發電，機組大修安排在2009年底和2010年初分別進行大修，大修中拆開發現過流部件嚴重損壞，頂蓋、底環損壞各有23處深度達到50mm的深坑，只能立即組織外送到廠家緊急修復，導葉損壞非常嚴重，只能重新加工。聯想到機組、廠房及整個廠區（包括150m外的宿舍和食堂）在2008年汛期開始就有嚴重抖動、共振現象，2009年汛期更為嚴峻，說明機組安全可靠性受到嚴重威脅，整個廠區存在重大安全隱患。

主要問題和安全隱患：

（1）汛期整個廠區共振

在2臺機組大修后經歷第二個汛期開始，只要2臺機組同時運行時，不論帶多少負荷，整個廠區抖動、振動非常嚴重，甚至在150m外的住宿樓和食堂都明顯振動（宿舍飲水機上的水桶明顯振動，晚上還有明顯的聲音發出）；但是單機運行時，不論帶多少負荷（包括滿負荷），廠區卻沒有明顯振動；分析、排除后認為，此時2臺機組同時運行時，因2臺機組過流部件破壞后的振動頻率與廠房建筑物的固有振動頻率吻合，引起整個廠區共振現象。

金康電站的利用小時數為5230h，從4月底到11月中下旬都是2臺機組都投入運行，因此整個廠區共振時間很長，安全隱患極其嚴重。

（2）過流部件損壞非常嚴重

金康機組大修中發現經過3個汛期后的過流部件損壞照片如下圖1~圖3。

圖1 導葉照片

圖2 底環照片

圖3 頂蓋照片

（3）球閥不能開啟

因過流部件損壞嚴重，過流部件漏水量非常大，旁通閥開啟后，球閥不能平壓。2009年、2011年、2012年多次發生球閥前后壓差超過2MPa（廠家規定,球閥前后壓差1MPa以下可以正常開啟），無法開啟，只能提高油泵工作油壓冒險強行開啟球閥，極度危險。

（4）經濟損失重大

過流部件損壞嚴重，不僅帶來重大安全隱患，還造成重大經濟損失。根據分析，每年最少減少發電量的電費損失740萬元以上（見表1）。

表1

2 分析和對策

從大修發現過流部件損壞嚴重，結合2009年汛期就發現的機組抖動、振動、噪音明顯嚴重情況，尤其是整個廠區明顯共振的現象，2012年開始，多次組織專題分析討論，一致認為，泥沙是造成機組過流部件損壞的根本原因，過流部件嚴重損壞又是造成廠區嚴重共振、球閥不能開啟、水耗嚴重增加等重大安全隱患、經濟損失重大的根源，必須研究解決或減緩泥沙對過流部件的損壞，保障機組設備安全可靠。

2.1 分析

2.1.1 廠區共振原因分析

2007年上半年以前、2010年都沒有廠區共振現象；其余時間都是在汛期2臺機組同時開機運行時就有廠區共振現象，單機運行時都沒有共振問題。

在2臺機組大修后經歷第二個汛期開始，只要2臺機組同時運行時，不論帶多少負荷，整個廠區抖動、共振非常嚴重。但是單機運行時，不論帶多少負荷（包括滿負荷），廠區卻沒有共振現象。

在廠區有共振現象時，都是機組過流部件有明顯損壞時間內，并且是2臺機組同時運行時間，其余條件都沒有明顯差異；因此，我們分析、排除后認為，因2臺機組過流部件破壞后的振動頻率與廠房建筑物的固有振動頻率吻合，在2臺機組同時運行時，引起整個廠區共振；電站每年從4月底到11月中下旬都是2臺機組都投入運行階段，因此整個廠區共振時間很長，存在重大安全隱患。

2.1.2 過流部件嚴重損壞原因分析

金湯河河道天然落差平均比降約4.23%，流域礦物成份主要以綠泥石為主，含有硬礦物如石英、長石、閃石等。懸移質中莫氏硬度大于5的硬礦物含量為5.1%～19.9%，相對硬度較大。由于上游礦產豐富，私人大量開采礦產，且修路伐林，開墾植坡地等使自然環境改變，從而加大了地表徑流對土壤的沖蝕，汛期河流的含沙量大量增加。水庫總庫容69.7萬m3，實際調節庫容約15萬m3，沉沙能力極弱。入庫懸移質泥沙多年平均含沙量100g/m3，汛期（6～10月）多年平均含沙量134g/m3，多年平均輸沙量8.45萬t，占全年輸沙量的87.8%。

大家分析后一致認為，造成過流部件嚴重損壞的主要原因是泥沙含量重，泥沙硬度高造成的，過流部件處的流速達到58m/s以上（23個導葉開度間距約6cm，高度23cm，單機額定流量18.5m3/s），泥沙在高速水流帶動下，高速沖蝕過流部件造成損壞，結合附近的同類型水電站情況，更加證實泥沙多是罪魁禍首。

頂蓋、底環損壞主要是在導葉軸頸后部附近，本站導葉是偏心的，在軸頸處設置一突出的圓弧保護罩，水流在經過保護罩后半部分時，沖蝕角度明顯很大，引起水流高速（58m/s）向頂蓋或底環沖擊，引起泥沙沖蝕，形成凹坑，進而引起水流紊亂，改變設計工況，造成泥沙磨蝕及氣蝕破壞，引起效率下降和振動。

導葉損壞主要是迎水面、尾部與頂蓋或底環處。迎水面損壞明顯是泥沙在高速水流中對導葉形成的沖擊磨蝕；尾部與頂蓋或底環處損壞原因為：頂蓋或底環損壞后，水流紊亂引起的氣蝕和磨蝕。

轉輪因現代設計能力、加工能力及工藝的不斷完善，轉輪質量非常高，很少有磨蝕及氣蝕現象發生，金康電站機組是GE生產的，實際應用中，基本沒有發生磨蝕和氣蝕的現象（見圖4、圖5）。

圖4 導葉拼裝圖

圖5 導葉保護罩水流示意圖

2.2 對策

因過流部件損壞引起廠區共振等一系列重大安全隱患，還造成效率下降、水耗增加、嚴重減少發電量等經濟損失，必須采取對策。

通過分析，解決對策主要有二種方式：

1）縮短大修周期

縮短大修周期，及時修復過流部件的損壞，保持設備完好；在機組過流部件剛剛損壞或損壞不嚴重，處于可控制范圍情況下，就安排機組大修，及時將剛剛開始損壞的過流部件徹底修復，保持機組處于健康良好狀態，消除或杜絕因過流部件嚴重損壞帶來的危害，消除電站廠區共振等重大安全隱患，同時極大的提高機組安全可靠性，為電站安全、經濟運行打下良好基礎；針對金康電站機組可以安排機組大修周期為1~2年。

2）過流部件噴涂

通過過流部件磨蝕研究，采用新技術、新工藝、新配方等方式，對機組過流部件進行噴涂，增加抗泥沙磨蝕能力，杜絕或延緩過流部件磨蝕、氣蝕時間，保持設備完好，從而消除因過流部件嚴重損壞帶來的危害，消除電站廠區共振等重大安全隱患，提高機組安全可靠性。

3 實施及效果

在此，只介紹過流部件噴涂情況。

3.1 減少泥沙磨蝕分析與實施

減少泥沙磨蝕也沒有更好的方法，根據調查可以采用噴涂方式。四川高水頭、泥沙含量高的水電站較多，泥沙磨蝕很為普遍，走訪華能、川投等多個泥沙磨蝕嚴重的水電站，也有采用噴涂方式防護的，總結、分析發現：

噴涂是一個行之有效的防護措施，對泥沙磨蝕起到非常好的減緩作用，過流面損壞現象會明顯改善；

噴涂部位要有取舍：在對幾個水電站泥沙磨蝕及噴涂情況調查后，發現所有過流部位噴涂后的效果是差異極大，并不是都是變好，有些部位反而變差了；所有好噴涂的部位、大面的效果非常理想，對于小尺寸、小角度的部位都是越噴越壞，尤其是迷宮環部位，其溝槽寬度25mm、深度為58~85mm，尺寸太小，沒有良好的噴射角度、噴射范圍，無法按照噴涂工藝進行噴涂，附著力極差，極易脫落，脫落的殘渣又成為刀具，將好的迷宮環磨壞。

金康電站分析后，認為迷宮環的泥沙磨蝕并不嚴重，而它們的形狀復雜、尺寸也不好掌握，沒有必要噴涂，即使噴涂，也只是起著反面破壞作用，把噴涂的重點放在大面上。

轉輪本體泥沙磨蝕也不嚴重，也沒有安排噴涂。噴涂所使用的材料、工藝必須嚴格控制：

對過流部件（頂蓋、導葉、底環）的過流表面進行熱噴涂的材料，主要是碳化鎢,但各廠家具體配方差異較大。材料來源差異很大,有進口材料,也有國產材料,個別廠家也有將國產材料冒充進口材料現象。

噴涂工藝我們特別關心其噴射角度，如迷宮環就是因為噴射角度無法保證，才取消對其噴涂保護。

噴涂材料及工藝主要受廠家控制，對電站而言，只能被動接受，但噴涂廠家則可以選擇。

3.2 采用噴涂后的效果

（1）過流部件損壞情況明顯改善

1）機組大修經歷1個汛期后的情況對比如圖6、圖7。

圖6 沒有噴涂的機組大修后經歷1個汛期的照片

圖71 號機組大修后噴涂經歷1個汛期的照片

2）機組大修經歷2個汛期后的情況對比如圖8、圖9。

圖8 沒有噴涂的機組大修后經歷2個汛期的照片

圖92 號機組大修后噴涂經歷2個汛期的照片

（2）消除了整個廠區共振的重大安全隱患

2013年初剛剛大修1臺機組，2014年初又安排了1號機組大修，當年廠房及整個廠區都沒有共振現象，徹底消除了電站廠區共振這一重大安全隱患，極大地提高電站安全可靠性，取得非常巨大的安全效益。

（3）消除了球閥不能平壓而不能開啟的重大安全隱患

噴涂后，機組因過流部件完好，球閥平壓效果極好，當然也就沒有球閥因機組漏水不能平壓而開啟不了的現象，各種情況明顯得到改善，徹底消除了球閥不能平壓而不能開啟的重大安全隱患。

（4）多發電、多創收

因機組過流部件沒有損壞，機組不會多耗水，相對原先情況對比，減少了水耗，提高了水能利用率，在同樣來水情況下，可明顯增加電站發電量；在最枯季節，與原先沒有噴涂大修1年后的機組比較，每天可以多發電11.47萬kW·h，每年可增加收入740萬元以上。

3.3 噴涂應用中應注意的問題

（1）噴涂材料

主要是碳化鎢，各廠家具體配方差異較大。同時，材料來源差異很大，影響性能，有進口材料，也有國產材料，更有個別廠家將國產材料冒充進口材料、低質材料冒充優質材料等現象。

（2）噴涂工藝

1）現在大都采用數控機械噴涂，要根據現狀，逐一編程噴涂，切忌圖省事，簡易工藝，隨便編程處理；

2）要特別關心其噴射角度。

（3）噴涂部位要有取舍

1）只需要噴涂真正有磨蝕和氣蝕的過流表面，其余面沒有必要進行噴涂；

2）對于狹小、不能滿足噴涂工藝要求的表面絕對不能噴涂，否則會起到相反作用，加劇損壞，如齒槽等部位。

（4）噴涂廠家選擇

噴涂材料及工藝主要受廠家控制，對電站而言，只能被動接受，但噴涂廠家則可以選擇，不同的廠家材料選擇、工藝控制差異明顯，其噴涂效果的差異非常大。

（5）理論上噴涂同樣適用泥沙不多機組的各種氣蝕損壞，通過噴涂延長使用壽命。

4 結論

通過以上分析和對比，對于泥沙含量多、機組過流部件損壞嚴重的水輪發電機組，易產生機組振動，甚至整個廠區產生共振等一系列重大安全隱患，同時因偏離設計工況，耗水急劇增加，經濟損失很大。

通過對過流部件進行噴涂防護，極大地減緩泥沙磨損及氣蝕，消除機組振動和廠區共振及球閥不能開啟的重大安全隱患，機組還多發電，對機組及整個水電站發揮出巨大的安全效益和經濟效益。

TK730

B

1672-5387（2017）05-0028-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.07

2016-02-15

蔡正華（1961-），男，高級工程師，從事水電站機電運行、檢修工作。