萬家寨水電站水輪機(jī)磨蝕問題分析

萬家寨水電站水輪機(jī)磨蝕問題分析

一、平均含沙量黃河萬家寨水庫配備了集水區(qū)、主缸混流式水輪發(fā)電裝置，年供油能力18gkw，總功率108gw。規(guī)劃年流量27.5億kwh。萬家寨水電站為多泥沙河流電站,其泥沙特征為:設(shè)計(jì)多年平均輸沙量為1.49億t,設(shè)計(jì)多年平均含沙量6.6kg/m3;實(shí)測(cè)多年平均含沙量為5.7kg/m3(其中直徑大于0.05mm的有害顆粒含量為1.378kg/m3,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/m3;預(yù)測(cè)建庫后排沙期時(shí)段平均過機(jī)含沙量為8～12kg/m3;建庫后多年平均含沙量見表。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)偏離設(shè)計(jì)工況,機(jī)組振動(dòng)加大,從而使過流部件的氣蝕加重;即使在非汛期,由于萬家寨水電站被山西電網(wǎng)確定為第一調(diào)潮流電廠,機(jī)組參與潮流調(diào)節(jié),同樣使得機(jī)組經(jīng)常在偏離設(shè)計(jì)工況的區(qū)域運(yùn)行,振動(dòng)加劇,產(chǎn)生氣蝕破壞。根據(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)際情況,萬家寨水電站水輪機(jī)采取了優(yōu)化水庫泄流排沙設(shè)計(jì)、合理選擇有關(guān)參數(shù)、優(yōu)化水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用優(yōu)質(zhì)母材和抗磨材料、避開機(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)化水庫排水產(chǎn)沙量，降低機(jī)械含沙量1.壩前庫底高程和引黃取水口大壩左側(cè)5～10號(hào)壩段的8個(gè)泄洪底孔進(jìn)口底坎高程為915.0m(蓄水前壩前庫底高程為899.0m),比機(jī)組進(jìn)水口低17m,比引黃取水口低37m,在庫水位970m(水庫最高洪水位)時(shí),單孔泄量為660m3/s。泄洪底孔能夠排走水庫中大量泥沙,有效控制泥沙主流,減少過機(jī)含沙量,維持有效庫容。2.排沙孔調(diào)節(jié)泥沙過機(jī)在大壩右側(cè)13～17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)912.0m高程處(其中5、6號(hào)機(jī)組共用1孔),主要控制直徑大于0.05mm的有害顆粒泥沙過機(jī)。在水庫最低運(yùn)用水位952.0m高程時(shí),其孔泄流量為60m3/s。排沙孔能將有害顆粒泥沙排至下游,減少有害顆粒過機(jī);同時(shí)也可以排走水庫右側(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。根據(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、合理選擇機(jī)械零件，減少磨損影響1.調(diào)查資料及分析轉(zhuǎn)輪流道中含沙水流的相對(duì)速度是影響水輪機(jī)磨損強(qiáng)度的重要因素。根據(jù)黃河上多泥沙電站的水輪機(jī)運(yùn)行情況和有關(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,參考已建電站的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),確定萬家寨水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速為220m·kW,并使得額定工況下轉(zhuǎn)輪葉片出口相對(duì)流速小于38m/s,最小水頭、導(dǎo)葉全開工況下,轉(zhuǎn)輪葉片出口相對(duì)流速小于34m/s;高含沙量排沙期時(shí)段,導(dǎo)葉區(qū)最大流速小于20m/s,從而減輕高速含沙水流對(duì)水輪機(jī)部件的磨蝕。2.水輪機(jī)安裝高程在含沙水流條件下,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)組檢修來選擇水輪機(jī)最大吸出高度為-5.0m,即能滿足各種可能的運(yùn)行工況,這時(shí)水輪機(jī)安裝高程應(yīng)該為895.0m。而實(shí)際最終確定的水輪機(jī)安裝高程為894.5m,實(shí)際水輪機(jī)允許吸出高度為-3.58m,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,長期高效運(yùn)行。3.調(diào)峰機(jī)運(yùn)行工況水輪機(jī)運(yùn)行工況直接影響著水輪機(jī)的磨蝕程度。合理選擇水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭,使水輪機(jī)在汛期也能有相對(duì)較好的運(yùn)行工況,可以大大降低磨蝕對(duì)機(jī)組的影響。萬家寨水利樞紐采用“蓄清排渾”的運(yùn)用方式,電站每年8、9兩個(gè)月為排沙期,水庫從防洪限制水位966.0m高程下降到957.0～952.0m高程之間,水輪機(jī)在低水頭50～55m、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68～75m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)設(shè)計(jì)水頭最終確定為68m。四、優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高水壓工藝性能1.重水機(jī)關(guān)水力設(shè)計(jì)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)過多次試驗(yàn),不斷改進(jìn)轉(zhuǎn)輪(包括葉片型線和葉片數(shù)量)及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)等過流部件的水力設(shè)計(jì),并采用目前國際上最先進(jìn)的CFD技術(shù)(ComputerFieldDynamic——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)輪及其過流部件適應(yīng)含沙水流條件,以達(dá)到機(jī)組水力設(shè)計(jì)在最優(yōu)工況。2.提高抗磨蝕能力,減輕設(shè)備研磨和磨蝕(1)適當(dāng)減小轉(zhuǎn)輪出口直徑,下環(huán)采用零錐角或小錐角。1～4號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)水口直徑6.0874m,轉(zhuǎn)輪出水口直徑6.1042m;5、6號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)水口直徑5.848m,轉(zhuǎn)輪出水口直徑5.996m。采用這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減小了葉片的彎曲度,改進(jìn)了轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與下環(huán)的連接過渡,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,提高了設(shè)備本身的抗磨蝕能力。(2)提高水輪機(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)、頂蓋、底環(huán)的剛度,并適當(dāng)減少導(dǎo)葉上下斷面間隙的設(shè)計(jì)值和制造誤差。頂蓋和底環(huán)抗磨板采用可拆式結(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)提高水輪機(jī)過流部件的加工精度,提高翼型表面質(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。3.風(fēng)機(jī)體系導(dǎo)葉模型本電站各機(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)的情況下,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、采用優(yōu)質(zhì)母材料和研磨材料1.cr13ni5mo1～4號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為鑄焊結(jié)構(gòu),母材為目前抗磨蝕性能較好的ZG0Cr16Ni5Mo。導(dǎo)葉采用ZG270-500整體鑄造。5、6號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為整體鑄焊結(jié)構(gòu),采用ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼材料,導(dǎo)葉采用ZGOCr13Ni4Mo不銹鋼整體鑄造。2.基層組織不銹鋼抗磨蝕1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪由于制造工期等原因沒有涂抗磨涂層。2、3號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉的過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密封;導(dǎo)葉端面鋪焊G817材料的不銹鋼抗磨板。4號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用環(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)葉過流面、導(dǎo)葉上下斷面、立面封水面和部分導(dǎo)葉軸頸等過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)行來看,環(huán)氧金剛砂抗磨涂層要優(yōu)于其他兩種涂層。六、抗磨蝕措施主要解決c根據(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)水頭允許出力的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)水頭允許出力的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)這種情況,本電站主要根據(jù)水庫來水情況向山西、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