三門峽水電站汛期渾水發(fā)電試驗

三門峽水電站汛期渾水發(fā)電試驗簡介：黃河是世界上含沙量最大的河流。1980年以前，三門峽水電站采用全年發(fā)電運用方式，水輪機過流部件磨蝕十分嚴重。1989年后，三門峽水利樞紐管理局進行汛期發(fā)電試驗，有效地提高了過流部件的抗磨蝕性能。近年來，與國外公司合作，采用了先進防護技術進行試驗，取得了較好的效果。關鍵字：汛期發(fā)電試驗成果三門峽水電站1問題的提出1.1三門峽水電站經(jīng)歷的三個階段三門峽水電站自1973年以來，經(jīng)歷了三個階段：1980年以前的全年運行階段；1980～1989年的非汛期運行階段；1989年至今的非汛期發(fā)電和汛期渾水發(fā)電試驗階段。1.21980年以前機組全年運行期間的磨蝕破壞情況1973～1980年，三門峽樞紐工程處于改建中，樞紐泄流建筑物尚不能正常運用，汛期渾水發(fā)電的水位、時段、水沙規(guī)律尚不清楚。汛期渾水發(fā)電期間，庫內(nèi)數(shù)億噸泥沙通過機組下泄，水輪機過流部件長期受高含沙水流的磨蝕，葉片和轉輪室遭到極其嚴重破壞。1.2.1水輪機過流部件磨蝕情況機組投入發(fā)電運用僅兩年,發(fā)現(xiàn)水輪機過流部件破壞加劇。至1978年,先期投運的4號機和3號機破壞嚴重，葉片背面磨蝕面積達40%,磨蝕深度達30mm，轉輪室中環(huán)中心線以下磨蝕坑槽深達15mm，葉片與轉輪室間隙由安裝時的7～8mm增至50～120mm，水輪機葉片、轉輪室近乎報廢，水電站設備完好率下降至57%。1979年4號機大修歷時222天，耗用焊條9.3t，由此可見機組過流部件失重的嚴重程度。其他幾個機組的磨蝕情況與4號機組基本相同。1.2.2泥沙對機組其他部位的影響（1）主軸密封嚴重磨損，止水失效，漏水量增大，水淹導軸承的現(xiàn)象時有發(fā)生。（2）葉片樞軸根部磨蝕后，樞軸密封失效，機組漏油嚴重，日最大漏油量高達2.5t，致使油壓操作系統(tǒng)運行困難，甚至被迫改為定槳運行。（3）樞軸止水失效后，渾水進入油系統(tǒng)，造成操作元件銹蝕或卡阻，操作失靈，機組不能自動運行。1.3汛期渾水發(fā)電試驗的條件及組織1989年三門峽水利樞紐經(jīng)過改建，泄流底孔等建筑物已正常運用，三門峽水庫調(diào)度運用也積累了豐富經(jīng)驗，為汛期渾水發(fā)電試驗創(chuàng)造了條件。三門峽水利樞紐管理局從1989年開始，與國內(nèi)十幾家科研院所合作，進行汛期渾水發(fā)電試驗，研究解決汛期渾水發(fā)電這一國內(nèi)外尚未解決的難題。21989～1994年汛期渾水發(fā)電主要試驗內(nèi)容為解決汛期渾水發(fā)電期間水輪機過流部件的磨蝕破壞等問題,1989～1994年,三門峽水利樞紐管理局進行了為期6年的汛期發(fā)電試驗，累計汛期發(fā)電8335h，平均毛水頭25.38m，平均過機含沙量17.40公斤/立方米，日最大過機含沙量64.93公斤/立方米。主要進行了以下三個方面的研究和試驗。2.1水庫調(diào)度運用方式對過機水流出庫含沙量、水庫淤積進行實時監(jiān)測，同時對觀測資料進行分析，建立入庫流量、水庫水位、不同泄流底孔組合與庫區(qū)淤積、過機含沙量的關系，提出減輕庫容淤積和減少過機含沙量的措施，并實施合理調(diào)度。2.2水輪機過流部件的磨蝕觀測水輪機過流部件的磨蝕破壞，是制約三門峽水電站汛期渾水發(fā)電的關鍵。通過試驗發(fā)現(xiàn)，機組磨蝕破壞程度隨運行時間和過機含沙量的不同而有所變化，但磨蝕部位卻完全相同。主要發(fā)生在以下幾個部位：葉片頭部外緣角；葉片背面頭部外三角區(qū)；葉片背面頭部至尾部外緣300～400mm寬的區(qū)域和外端面；轉輪室中心線上、下350mm區(qū)域，特別是中心線以下部位。2.3水輪機過流部件抗磨蝕防護材料試驗1989～1994年,三門峽水利樞紐管理局與多家單位合作,對40多種抗磨蝕材料進行試驗、分析，選擇具有較好抗磨蝕性能和較好施工工藝的SPHG1合金〖CM(1*3〗粉末、GB1焊條、金屬陶瓷、電鍍材料四種材料在水輪機強破壞部位進行試驗，檢驗各種材料在不同區(qū)域的抗磨蝕性能和工藝性能并進行改進。31989～1994年汛期渾水發(fā)電試驗成果3.1水庫調(diào)度成果充分利用汛期的大洪水，對7、8月份的來沙高峰期進行集中排沙，在8月份下旬至汛末入庫水沙較平穩(wěn)時進行汛期發(fā)電，期間如遇大洪水，發(fā)電服從防洪、排沙運用。通過合理調(diào)度，平均每年可增加發(fā)電時間1500h，較好地處理了防洪、排沙減淤和汛期發(fā)電三者之間的關系。機組進入汛期發(fā)電前，開啟底孔集中排沙，形成壩前漏斗；機組運行過程中，根據(jù)水庫水沙情況，適時開啟底孔泄流分沙。通過這些措施，使過機含沙量比出庫含沙量降低20%左右，保持在30公斤/立方米以下；使過機泥沙中粒徑大于0.05mm的粗沙占過機泥沙總重的10%以下，有效地減輕了水輪機過流部件的磨蝕破壞。3.2水輪機過流部件抗磨蝕試驗成果3.2.1SPHG1合金粉末噴焊防護抗磨蝕成果SPHG1合金粉末為熱熔型鎳基粉末，噴焊后表面平整光滑，硬度達HRC60以上。通過在轉輪室和葉片頭部、背面外緣進行防護試驗，總結出不同部位直接噴焊和二次噴焊施工工藝,解決了防護部位預熱、溫控、控制變形及防止噴焊表面龜裂等難題，明顯減輕了過流部件的磨蝕破壞。1992年在1號機葉片上進行試驗，通過1993、1994年兩年共11000h（其中汛期3198h)運行考驗，葉片背面及頭部噴焊的防護層基本完好。3.2.2GB1焊條鋪焊防護試驗成果GB1焊條采用傳統(tǒng)的不銹鋼焊絲制作工藝，在易于制造的藥皮中加入提高材料抗磨性能的微量元素，其金相組織為奧氏體加硼化物共晶，硬度達HRC35，具有優(yōu)良的抗磨蝕性能。1991、1992年分別在2號機、1號機轉輪室和葉片上試驗，成功地解決了預熱溫度、焊接裂紋等問題，探索出完整的施工工藝。目前已在轉輪室、葉片的檢修防護中推廣應用，使水輪機的抗磨蝕能力大為提高，延長了機組檢修周期。3.2.3金屬陶瓷堆焊試驗金屬陶瓷具有金屬材料的可熔性和陶瓷的高硬度耐磨性，材料以碳化鎢為主要成分，具有較好的抗磨蝕性能。通過幾年的試驗探索，采用A132不銹鋼焊條和結507焊條熔焊金屬陶瓷，逐步改善施工工藝，較好地解決了熔焊表面龜裂問題，但熔焊表面粗糙不平，且較難打磨等問題尚有待研究。3.2.4電鍍材料防護試驗使用電鍍抗磨蝕材料的表層十分光滑，表面硬度達HRC66，抗磨蝕性能較好。1992年汛期，首次在1號機強氣蝕區(qū)進行試驗，經(jīng)汛期運行（1248h），防護部位幾乎沒有破壞，表現(xiàn)出較好的抗氣蝕性能，但施工工藝尚需進一步試驗。3.2.5環(huán)氧金剛砂涂層防護環(huán)氧金剛砂涂層是三門峽水電站多年來應用于以磨損為主要特征的過流表面較理想的防護材料。從70年代開始葉片正、背面就采用環(huán)氧金剛砂涂層防護，經(jīng)30000h運行，葉片正面保留面積達95%，而葉片背面強氣蝕區(qū)全部脫落。這充分說明環(huán)氧金剛砂涂層具有較好的抗磨損性能，但抗氣蝕性能較差，不能用于強氣蝕區(qū)。1989年后，環(huán)氧金剛砂涂層配方、工藝不斷改進，并推廣應用于導葉、支持蓋、泄水錐等表面的防護，取得較好應用效果。3.3延長機組檢修周期經(jīng)過6年的研究和試驗，在水輪機葉片頭部、葉片背面頭部至尾部外緣和外端面、轉輪室中心線上下350mm區(qū)域等部位進行防護，減輕了水輪機磨蝕破壞，使其達到3年以上檢修周期要求，與1989年前汛期不能發(fā)電相比是一個重大突破。4近幾年汛期渾水發(fā)電的探索近年來，黃河來水呈逐年減少趨勢，非汛期發(fā)電量受到較大影響。從水資源運用和企業(yè)發(fā)展角度考慮，充分利用汛期來水，增加汛期發(fā)電量是企業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的有效途徑。4.1推廣運用試驗成果，對機組進行綜合防護1995年之后，開始對機組過流部件進行全面防護，并取得較好防護效果。中環(huán)的防護：沿中環(huán)中心線上下各500mm范圍采用GB1焊條鋪焊進行防護。葉片的防護：采用不同的防護材料，其正面是比較成功的環(huán)氧涂層；背面頭部三角區(qū)和葉片外緣端面（磨蝕嚴重區(qū)域）用GB1焊條堆焊后，再采用兩步法噴焊SPHG1；葉片邊緣300～350mm范圍，用A132焊條堆焊后，兩步法噴焊SPHG1；葉片迎水邊采用一步法噴焊SPHG1；其他磨蝕區(qū)域采用GB1焊條鋪焊和A132焊條堆焊防護。轉輪體與其他部位的防護：采用A132焊條堆焊后打磨處理。機組的固定導葉、活動導葉、泄水錐等過流部件表面采用環(huán)氧涂層防護。4.2不斷優(yōu)化水庫調(diào)度方式，增加汛期渾水發(fā)電時間在1994年水庫調(diào)度試驗成果基礎上，結合近年來水庫調(diào)度資料分析，1998年后，汛期采用“洪水排沙，平水發(fā)電”運用方式，在7、8月份的非洪水期也進行汛期發(fā)電，既不影響防汛排沙，又可進行汛期發(fā)電。使汛期發(fā)電時間由原來的1500h左右提高到2000h以上。4.3汛期過機含沙量有所提高1998年以來，對機組過流部件進行了綜合防護，提高了機組的抗磨蝕性能。為充分利用水資源，在不影響庫區(qū)淤積和不改變機組檢修周期情況下，將過機泥沙含量由1998年以前的30公斤/立方米以下可以發(fā)電提高到目前60公斤/立方米以下，實際運行中過機含沙量峰值最高達80公斤/立方米。4年的運行實踐表明，機組過流部件破壞沒有明顯加劇。4.4合理安排機組檢修時間，為汛期發(fā)電創(chuàng)造條件1994年以前，因汛期不發(fā)電或僅有一兩臺機組投入渾水發(fā)電，故機組的檢修都安排在汛期。1994年后，擴裝的6、7號機投入發(fā)電，減輕了非汛期發(fā)電壓力，具備了把1～5號機組安排在非汛期檢修的條件。汛期1～5號機組均可投入發(fā)電運行，有效地利用了汛期來水，從而使汛期發(fā)電量大幅度提高。4.5探索機組運行模式，提高機組負荷率1973～1994年，三門峽水電廠水輪發(fā)電機組受葉片裂紋、機組漏油、葉片嚴重磨蝕等疑難問題的困擾，水資源利用問題尚未得到重視。隨著近年來黃河來水逐年減少，如何利用有限來水，發(fā)出最大電量成為我們關注的問題。近幾年來，三門峽水電廠加強與水調(diào)、電調(diào)的溝通，適時調(diào)整機組負荷和運行方式，提高機組負荷率，降低了耗水率，逐步走向節(jié)水發(fā)電。4.6加強輔助設備改造研究，適應汛期發(fā)電要求1999年以來，對2號機導水機構密封和2～5號機組頂蓋排水系統(tǒng)進行改造，并增設頂蓋沖淤裝置，有效減少了頂蓋漏水，提高了頂蓋排水系統(tǒng)的安全可靠性。頂蓋排水系統(tǒng)改造后機組未出現(xiàn)一次水淹導軸承事故。同時還更新了濾水器和空冷器，降低了發(fā)電機定子溫度，提高了機組可靠性。4.7繼續(xù)進行水輪機過流部件的抗磨蝕研究1995年后，三門峽水利樞紐仍不斷地進行水輪機過流部件防護的試驗工作。近年來主要進行GB1、碳化鎢、聚氨脂涂層等材料對過流部件的防護試驗。2000年，與德國VOITH公司合作對1號水輪機組進行技術改造，利用碳化鎢和聚氨酯涂層對水輪機轉輪、轉輪室、活動導葉分別進行防護，取得很好的防護效果。4.8近年來汛期渾水發(fā)電效益1989～1994年6年汛期發(fā)電取得試驗成果后，通過不斷總結，逐步實現(xiàn)5臺機組投入汛期發(fā)電。1995～2002年，汛期累計發(fā)電量12.6600億kW·h，尤其是2000～2002年累計發(fā)電量6.364億kW·h，連續(xù)3年汛期發(fā)電超過2億kW·h，取得顯著的經(jīng)濟效益。5今后汛期發(fā)電的工作思路5.1結合競價上網(wǎng)，研究新形勢下的水庫調(diào)度方式隨著小浪底水庫投入運用，對三門峽水庫的運用方式將產(chǎn)生一定影響。同時，電力市場將逐步實行競價上網(wǎng)。針對現(xiàn)實形勢的新變化，在黃河水量統(tǒng)一調(diào)度前提下，不斷研究水庫的調(diào)度運用方式，使有限的水量產(chǎn)生最大經(jīng)濟效益。5.2對機組效率測量率定，改善機組運行工況三門峽水電站2～5號機組已運行20多年，一直沒有進行真機效率測量工作，又經(jīng)過多次檢修，機組效率變化大，