萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)抗磨蝕的主要措施

1、萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)抗磨蝕的主要措施 一、概述黃河萬(wàn)家寨水利樞紐水電站共裝有6臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量為18萬(wàn)kW，總裝機(jī)容量為108萬(wàn)kW，制定年發(fā)電量27.5億kW.h。實(shí)測(cè)多年平均含沙量為5.7kg/3(其中直徑大于0.05的有害顆粒含量為1.378kg/3，占其總量的24.2%)，實(shí)測(cè)最大含沙量河口鎮(zhèn)水文站1955年9月1日為37.6kg/3；猜測(cè)建庫(kù)后排沙期時(shí)段平均過(guò)機(jī)含沙量為812kg/3建庫(kù)后多年平均含沙量見(jiàn)表。在排沙期，除了高含沙水流直接對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行磨損破壞外，還由于電站低水頭運(yùn)行，造成水輪機(jī)偏離制定工況，機(jī)組振動(dòng)加大，從而使過(guò)流部件的氣蝕加重；即使在非汛期，由于萬(wàn)家寨水

2、電站被山西電網(wǎng)確定為第一調(diào)潮流電廠，機(jī)組參加潮流調(diào)節(jié)，同樣使得機(jī)組常常在偏離制定工況的區(qū)域運(yùn)行，振動(dòng)加劇，產(chǎn)生氣蝕破壞。依據(jù)黃河中下游多泥沙水電站尤其是三門峽水力發(fā)電廠運(yùn)行的實(shí)際狀況，萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)采用了優(yōu)化水庫(kù)泄流排沙制定、合理選擇有關(guān)參數(shù)、優(yōu)化水力制定和結(jié)構(gòu)制定、采納優(yōu)質(zhì)母材和抗磨材料、避開(kāi)機(jī)組振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行等主要措施以增加水輪機(jī)的抗磨蝕性能。二、優(yōu)化水庫(kù)泄流排沙制定，降低過(guò)機(jī)含沙量大壩左側(cè)510號(hào)壩段的8個(gè)泄洪底孔進(jìn)口底坎高程為915.0蓄水前壩前庫(kù)底高程為899.0，比機(jī)組進(jìn)水口低17，比引黃取水口低37，在庫(kù)水位970水庫(kù)最高洪水位時(shí)，單孔泄量為6603/。泄洪底孔能夠排走水庫(kù)中大

3、量泥沙，有效控制泥沙主流，減少過(guò)機(jī)含沙量，維持有效庫(kù)容。在大壩右側(cè)1317號(hào)壩段設(shè)置5個(gè)電站壩段排沙孔，其位置在機(jī)組進(jìn)水口左下側(cè)912.0高程處(其中5、6號(hào)機(jī)組共用1孔)，主要控制直徑大于0.05的有害顆粒泥沙過(guò)機(jī)。在水庫(kù)最低運(yùn)用水位952.0高程時(shí)，其孔泄流量為603/。排沙孔能將有害顆粒泥沙排至下游，減少有害顆粒過(guò)機(jī)；同時(shí)也可以排走水庫(kù)右側(cè)大量泥沙，有效防止機(jī)組檢修時(shí)進(jìn)水口下部泥沙淤積。依據(jù)三門峽、龔嘴等電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電站壩段排沙孔排走的有害顆粒泥沙應(yīng)為機(jī)組的10倍左右，可大大改善水輪機(jī)的運(yùn)行條件，減輕對(duì)水輪機(jī)的磨蝕。三、合理選擇水輪機(jī)參數(shù)，降低磨蝕的影響轉(zhuǎn)輪換道中含沙水流的相對(duì)速度是

4、影響水輪機(jī)磨損強(qiáng)度的重要因素。依據(jù)黃河上多泥沙電站的水輪機(jī)運(yùn)行狀況和有關(guān)含沙水流磨蝕試驗(yàn)資料，結(jié)合本電站運(yùn)行特點(diǎn)按照多泥沙河流適當(dāng)降低水輪機(jī)參數(shù)水平的原則，參照已建電站的制定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，確定萬(wàn)家寨水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速為220.kW并使得額定工況下轉(zhuǎn)輪葉片出口相對(duì)流速小于38/，最小水頭、導(dǎo)葉全開(kāi)工況下，轉(zhuǎn)輪葉片出口相對(duì)流速小于34/；高含沙量排沙期時(shí)段，導(dǎo)葉區(qū)最大流速小于20/，從而減輕高速含沙水流對(duì)水輪機(jī)部件的磨蝕。在含沙水流條件下，氣蝕往往提前發(fā)生，而且氣蝕與磨損的聯(lián)合作用又將進(jìn)一步加重水輪機(jī)的磨蝕損壞程度。本電站按排沙期5臺(tái)機(jī)組運(yùn)行、1臺(tái)機(jī)組檢修來(lái)選擇水輪機(jī)最大吸出高度為5.0即能滿足各種可能的

5、運(yùn)行工況，這時(shí)水輪機(jī)安裝高程應(yīng)該為895.0。而實(shí)際最終確定的水輪機(jī)安裝高程為894.5，實(shí)際水輪機(jī)同意吸出高度為3.58，真機(jī)裝置氣蝕系數(shù)與模型臨界氣蝕系數(shù)的比值在含沙水流條件下大于2，在清水條件下大于1.5，使得氣蝕有較大的安全余量，保證水輪機(jī)能在高含沙水流條件下更有效地抗氣蝕磨損，長(zhǎng)期高效運(yùn)行。水輪機(jī)在低水頭5055、含沙水流條件下?lián)握{(diào)峰運(yùn)行；其余的水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)段，水輪機(jī)在較高水頭6875基本上是在清水條件下?lián)畏搴蛇\(yùn)行。兼顧上述兩種運(yùn)行工況，使水輪機(jī)盡可能少偏離最優(yōu)工況區(qū)，既能多發(fā)電量，又可減輕磨損。經(jīng)計(jì)算和比較，水輪機(jī)制定水頭最終確定為68。 四、優(yōu)化水力制定和結(jié)構(gòu)制定，提升水

6、力性能在水輪機(jī)模型試驗(yàn)中，對(duì)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行范圍及尾水管肘管進(jìn)行了深入的研究與分析，進(jìn)行了水輪機(jī)模型的清水和渾水的能量與氣蝕對(duì)比試驗(yàn)、清水流跡和渾水磨痕試驗(yàn)與修型以及流場(chǎng)壓力分布測(cè)定，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，不斷改善轉(zhuǎn)輪(包括葉片型線和葉片數(shù)量)及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)等過(guò)流部件的水力制定，并采納目前國(guó)際上最先進(jìn)的CFD技術(shù)ComputerFieldynamic-計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算，又稱計(jì)算機(jī)流體仿真計(jì)算，對(duì)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算和優(yōu)化，對(duì)各部件之間的流動(dòng)干擾進(jìn)行了分析，最大限度地減少水力損失和空化的發(fā)生，從而保證水輪機(jī)具有較高的水力性能，較好的氣蝕性能和運(yùn)行穩(wěn)定性，使選用的轉(zhuǎn)輪及其過(guò)流部件適應(yīng)含沙水流條件，以達(dá)到機(jī)組水

7、力制定在最優(yōu)工況。(1)適當(dāng)減小轉(zhuǎn)輪出口直徑，下環(huán)采納零錐角或小錐角。14號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)水口直徑6.0874，轉(zhuǎn)輪出水口直徑6.1042；5、6號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)水口直徑5.848，轉(zhuǎn)輪出水口直徑5.996。采納這些結(jié)構(gòu)制定減小了葉片的彎曲度，改善了轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與下環(huán)的連接過(guò)渡，使水流順暢，不產(chǎn)生加速突變、回流和旋渦，改善了水力性能，消除局部氣蝕，減輕葉片出水邊背面和下環(huán)內(nèi)側(cè)表面的磨蝕損壞，提升了設(shè)備本身的抗磨蝕能力。(2)提升水輪機(jī)導(dǎo)葉相對(duì)高度，并適當(dāng)加大導(dǎo)葉分布圓直徑。保證在一定出力條件下導(dǎo)水機(jī)構(gòu)有足夠的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，降低導(dǎo)葉出口流速，改善導(dǎo)葉區(qū)的流態(tài)，減輕導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的磨蝕損壞。(3)增加座環(huán)

8、、頂蓋、底環(huán)的剛度，并適當(dāng)減少導(dǎo)葉上下斷面間隙的制定值和制造誤差。頂蓋和底環(huán)抗磨板采納可拆式結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)葉處于關(guān)閉狀態(tài)的各間隙部位加裝耐磨蝕的止水密封，減輕汛期水輪機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，導(dǎo)葉間隙射流所引起的磨蝕損壞。(4)提升水輪機(jī)過(guò)流部件的加工精度，提升翼型表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，降低其表面粗糙度，也從一定程度上減輕了磨蝕的影響。本電站各機(jī)組均在水輪機(jī)室設(shè)有可拆卸的吊環(huán)，能在不拆卸發(fā)電機(jī)的狀況下，在水輪機(jī)室內(nèi)整體起吊水輪機(jī)頂蓋、活動(dòng)導(dǎo)葉以及底環(huán)，并固定在發(fā)電機(jī)下機(jī)架上，從而可以方便地檢查及修補(bǔ)水輪機(jī)的上下止漏環(huán)以及轉(zhuǎn)輪葉片、下環(huán)等易磨損部位。五、采納優(yōu)質(zhì)的母材料和抗磨材料14號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為鑄焊結(jié)構(gòu)，母材為

9、目前抗磨蝕性能較好的ZG0Cr16Ni5M0。導(dǎo)葉采納270500整體鑄造。5、6號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為整體鑄焊結(jié)構(gòu)，采納ZG0Cr13Ni4M0不銹鋼材料，導(dǎo)葉采納ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼整體鑄造。1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪由于制造工期等原因沒(méi)有涂抗磨涂層。2、3號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉的過(guò)流表面均涂以具有韌性的以聚氨酯為基底的加入TiNi高硬度微粒所組成的非金屬材料耐磨涂層(俗稱軟涂層)；導(dǎo)葉立面堆焊抗磨蝕不銹鋼，以堆焊層金屬直接接觸的方式來(lái)密封；導(dǎo)葉端面鋪焊817材料的不銹鋼抗磨板。4號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采納環(huán)氧金剛砂抗磨涂層，并在其中4個(gè)葉片的環(huán)氧金剛砂涂層上，又涂了一層軟涂層，以試驗(yàn)軟涂層在環(huán)氧金剛砂上的黏結(jié)能

10、力。5、6號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及葉片正壓與負(fù)壓側(cè)、下環(huán)、轉(zhuǎn)輪上冠與下環(huán)止漏環(huán)、導(dǎo)葉過(guò)流面、導(dǎo)葉上下斷面、立面封水面和部分導(dǎo)葉軸頸等過(guò)流面和易磨損部位均噴涂碳化鎢抗磨蝕層(硬涂層)；固定導(dǎo)葉與上下環(huán)板之間的根部在現(xiàn)場(chǎng)噴涂軟涂層。從目前運(yùn)行來(lái)看，環(huán)氧金剛砂抗磨涂層要優(yōu)于其他兩種涂層。六、避開(kāi)機(jī)組振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行依據(jù)水輪機(jī)特性，兩制造廠家對(duì)機(jī)組運(yùn)行給出了一定的條件，要求機(jī)組在相應(yīng)水頭同意出力的40%100%范圍內(nèi)運(yùn)行，這種工況能保證水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，其中包括尾水管壓力脈動(dòng)、頂蓋垂直振動(dòng)、水導(dǎo)軸承的擺度以及噪聲。在相應(yīng)水頭同意出力的40%以下運(yùn)行，屬于機(jī)組振動(dòng)區(qū)域，機(jī)組振動(dòng)劇烈，水輪機(jī)磨蝕加大，對(duì)機(jī)組各零部件造成較大的損害。針對(duì)這種狀況本電站主要依據(jù)水庫(kù)來(lái)水狀況向山西、內(nèi)蒙古兩電網(wǎng)調(diào)度申請(qǐng)合理的負(fù)荷，使得網(wǎng)調(diào)分配的負(fù)荷盡量在機(jī)組振動(dòng)區(qū)域之外；同時(shí)要求運(yùn)行