萬家寨水電站水輪機抗磨蝕的主要措施

1、萬家寨水電站水輪機抗磨蝕的主要措施 一、概述黃河萬家寨水利樞紐水電站共裝有6臺立軸混流式水輪發(fā)電機組單機容量為18萬kW，總裝機容量為108萬kW，制定年發(fā)電量27.5億kW.h。實測多年平均含沙量為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%)，實測最大含沙量河口鎮(zhèn)水文站1955年9月1日為37.6kg/3；猜測建庫后排沙期時段平均過機含沙量為812kg/3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水輪機進行磨損破壞外，還由于電站低水頭運行，造成水輪機偏離制定工況，機組振動加大，從而使過流部件的氣蝕加重；即使在非汛期，由于萬家寨水

2、電站被山西電網(wǎng)確定為第一調(diào)潮流電廠，機組參加潮流調(diào)節(jié)，同樣使得機組常常在偏離制定工況的區(qū)域運行，振動加劇，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)電廠運行的實際狀況，萬家寨水電站水輪機采用了優(yōu)化水庫泄流排沙制定、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、避開機組振動區(qū)域運行等主要措施以增加水輪機的抗磨蝕性能。二、優(yōu)化水庫泄流排沙制定，降低過機含沙量大壩左側(cè)510號壩段的8個泄洪底孔進口底坎高程為915.0蓄水前壩前庫底高程為899.0，比機組進水口低17，比引黃取水口低37，在庫水位970水庫最高洪水位時，單孔泄量為6603/。泄洪底孔能夠排走水庫中大

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

4、影響水輪機磨損強度的重要因素。依據(jù)黃河上多泥沙電站的水輪機運行狀況和有關(guān)含沙水流磨蝕試驗資料，結(jié)合本電站運行特點按照多泥沙河流適當降低水輪機參數(shù)水平的原則，參照已建電站的制定運行經(jīng)驗，確定萬家寨水輪機的比轉(zhuǎn)速為220.kW并使得額定工況下轉(zhuǎn)輪葉片出口相對流速小于38/，最小水頭、導(dǎo)葉全開工況下，轉(zhuǎn)輪葉片出口相對流速小于34/；高含沙量排沙期時段，導(dǎo)葉區(qū)最大流速小于20/，從而減輕高速含沙水流對水輪機部件的磨蝕。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)合作用又將進一步加重水輪機的磨蝕損壞程度。本電站按排沙期5臺機組運行、1臺機組檢修來選擇水輪機最大吸出高度為5.0即能滿足各種可能的

5、運行工況，這時水輪機安裝高程應(yīng)該為895.0。而實際最終確定的水輪機安裝高程為894.5，實際水輪機同意吸出高度為3.58，真機裝置氣蝕系數(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，保證水輪機能在高含沙水流條件下更有效地抗氣蝕磨損，長期高效運行。水輪機在低水頭5055、含沙水流條件下?lián)握{(diào)峰運行；其余的水輪機正常運行時段，水輪機在較高水頭6875基本上是在清水條件下?lián)畏搴蛇\行。兼顧上述兩種運行工況，使水輪機盡可能少偏離最優(yōu)工況區(qū)，既能多發(fā)電量，又可減輕磨損。經(jīng)計算和比較，水輪機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、力性能在水輪機模型試驗中，對轉(zhuǎn)輪運行范圍及尾水管肘管進行了深入的研究與分析，進行了水輪機模型的清水和渾水的能量與氣蝕對比試驗、清水流跡和渾水磨痕試驗與修型以及流場壓力分布測定，經(jīng)過多次試驗，不斷改善轉(zhuǎn)輪(包括葉片型線和葉片數(shù)量)及導(dǎo)水機構(gòu)等過流部件的水力制定，并采納目前國際上最先進的CFD技術(shù)ComputerFieldynamic-計算機流體動力學(xué)計算，又稱計算機流體仿真計算，對速度場和壓力場進行了計算和優(yōu)化，對各部件之間的流動干擾進行了分析，最大限度地減少水力損失和空化的發(fā)生，從而保證水輪機具有較高的水力性能，較好的氣蝕性能和運行穩(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，以達到機組水

7、力制定在最優(yōu)工況。(1)適當減小轉(zhuǎn)輪出口直徑，下環(huán)采納零錐角或小錐角。14號水輪機轉(zhuǎn)輪進水口直徑6.0874，轉(zhuǎn)輪出水口直徑6.1042；5、6號水輪機轉(zhuǎn)輪進水口直徑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)提升水輪機導(dǎo)葉相對高度，并適當加大導(dǎo)葉分布圓直徑。保證在一定出力條件下導(dǎo)水機構(gòu)有足夠的過水斷面面積，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，減輕汛期水輪機停機狀態(tài)下，導(dǎo)葉間隙射流所引起的磨蝕損壞。(4)提升水輪機過流部件的加工精度，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。本電站各機組均在水輪機室設(shè)有可拆卸的吊環(huán)，能在不拆卸發(fā)電機的狀況下，在水輪機室內(nèi)整體起吊水輪機頂蓋、活動導(dǎo)葉以及底環(huán)，并固定在發(fā)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(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號水輪機轉(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號水輪機轉(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號水輪機轉(zhuǎn)輪由于制造工期等原因沒有涂抗磨涂層。2、3號水輪機轉(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817材料的不銹鋼抗磨板。4號水輪機轉(zhuǎn)輪采納環(huán)氧金剛砂抗磨涂層，并在其中4個葉片的環(huán)氧金剛砂涂層上，又涂了一層軟涂層，以試驗軟涂層在環(huán)氧金剛砂上的黏結(jié)能

10、力。5、6號水輪機轉(zhuǎn)輪及葉片正壓與負壓側(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)場噴涂軟涂層。從目前運行來看，環(huán)氧金剛砂抗磨涂層要優(yōu)于其他兩種涂層。六、避開機組振動區(qū)域運行依據(jù)水輪機特性，兩制造廠家對機組運行給出了一定的條件，要求機組在相應(yīng)水頭同意出力的40%100%范圍內(nèi)運行，這種工況能保證水輪機穩(wěn)定運行，其中包括尾水管壓力脈動、頂蓋垂直振動、水導(dǎo)軸承的擺度以及噪聲。在相應(yīng)水頭同意出力的40%以下運行，屬于機組振動區(qū)域，機組振動劇烈，水輪機磨蝕加大，對機組各零部件造成較大的損害。針對這種狀況本電站主要依據(jù)水庫來水狀況向山西、內(nèi)蒙古兩電網(wǎng)調(diào)度申請合理的負荷，使得網(wǎng)調(diào)分配的負荷盡量在機組振動區(qū)域之外；同時要求運行