淺談減輕水輪機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

水輪機泥沙磨蝕是多泥沙河流水電站共同存在的一個嚴重問題。當通過水輪機的水流泥沙含量較大時，水輪機過流部件就會產(chǎn)生磨蝕，進而對水輪機過流部件產(chǎn)生破壞，如果不及時對水輪機進行大修，將會使其破壞情況加重，導致水輪機運行的不穩(wěn)定和效率的降低，影響機組的安全和效益。本文主要通過對三江口電站不同類型的水輪機在取水方式改變后，水輪機過流部件磨蝕情況的橫向、縱向分析比較，提出減輕水輪機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，設計水頭232 m。電站分兩期開發(fā)，一期裝機容量2×15 MW，選用水輪機型號為HL100—LJ—150，于1993年4月建成發(fā)電；二期新增裝機容量2×16 MW，選用水輪機型號為HLA542—LJ—155，2006年12月首臺機組投運。

2 一期取水方式及水輪機運行情況

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~與壓力前池間設有沉沙池，長174 m，按淤沉泥沙最小粒徑0.2 mm設計。

2.2 水輪機參數(shù)

水輪機型號為HL100—LJ—150，轉(zhuǎn)輪為0Cr13Ni4Mo全不銹鋼鑄焊結(jié)構(gòu)，葉片17片，活動導葉為0Cr13Ni4Mo全不銹鋼，18個。設計水頭230 m，設計流量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。

該水輪機是由杭州發(fā)電設備廠設計、制造，并于1993年4月投產(chǎn)發(fā)電。由于受當時技術(shù)條件限制，電站選用的HL100水輪機及其附屬設備是20世紀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行防護，且使用的0Cr13Ni4Mo不銹鋼在當時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重。自1993年4月投產(chǎn)以來，每年必須進行擴大性大修，對水輪機過流部件進行更換修復，否則無法保證安全運行；最嚴重時，10個月就要更換1次。各部件具體磨蝕損壞情況如下：

(1)轉(zhuǎn)輪葉片進水邊磨損嚴重，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)活動導葉葉面呈現(xiàn)波紋狀、魚鱗狀淺坑槽，導葉尾部磨薄，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，水輪機過流部件磨蝕嚴重，僅1年就進入磨蝕失效的中晚期，轉(zhuǎn)輪、導葉等接近報廢，有的無法修復。從發(fā)電至2005年，電站前后新制、更換了水輪機4臺套，而且嚴重的磨蝕還對電站安全運行產(chǎn)生了極大威脅；電站還曾經(jīng)出現(xiàn)過因磨蝕嚴重導致轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)脫落的事故。

3 二期取水方式及水輪機運行情況

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)電引用流量達到32.64 m3/s；為充分利用水資源，決定對三江口電站進行擴建。由于擴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，決定三江口擴建就不再新建、擴建沉沙池，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)間流量作為補充，或在阿鳩田電站機組全部停機的情況下取水發(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行。

3.2 擴建水輪機參數(shù)

水輪機型號為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。活動導葉為ZG06Cr16Ni5Mo全不銹鋼，20個。設計水頭230 m，設計流量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。

該水輪機是重慶水輪機廠設計、制造，這種水輪機是90年代引進吸收克瓦納技術(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、運行穩(wěn)定等優(yōu)點；相對HL100水輪機，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，導葉采用了偏心導葉葉型，在布置上增大了導葉分布圓直徑，增加了導葉數(shù)量和高度。

3.3 過流部件磨蝕情況對比

2005年7月，三江口電站二期擴建時，曾討論過是否趁擴建的機會對HL100水輪機進行技改的問題。考慮到技改、更換水輪機投資大、風險高，且新選用的HLA542水輪機沒有實際運行經(jīng)驗，不確定因素多；因此，當時決定暫時不更換HL100水輪機，擴建工程完成后，根據(jù)實際運行情況再做決定。如今，水輪發(fā)電機組運行已超過10年，已有條件對2種水輪機進行對比。

(1)HL100水輪機。水輪機轉(zhuǎn)輪、導葉、頂蓋、底環(huán)等過流部件磨蝕現(xiàn)象發(fā)生了根本的變化，運行1年只有輕微磨蝕痕跡；運行3年，轉(zhuǎn)輪葉片進水邊、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水輪機檢修周期延長至3年1次。

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

4 結(jié) 語

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

(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，在設計時就要充分考慮，運用技術(shù)手段減少水流中的泥沙含量。

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

(3)采用水力性能優(yōu)異的水輪機結(jié)構(gòu)，能有效減輕磨蝕，延長檢修周期，提高水輪機發(fā)電機組運行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

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

(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，可使水輪機抗磨蝕性能增強。

(6)對有條件的電站，可以考慮對水輪機進行技術(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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