鄧增錄

（寶雞峽魏家堡水電站，陜西 寶雞 722300）

一、工程概況及磨蝕情況

寶雞峽魏家堡水電站位于陜西省眉縣境內(nèi)，渭河寶雞峽塬上總干渠84+365m處，是利用塬上干渠給塬下灌區(qū)補水及非灌溉期棄水進行發(fā)電的渠道式電站，于1998年底建成投產(chǎn)。共裝設(shè)3臺混流式發(fā)電機組，總裝機1.89萬kW，水輪機型號為HLX280-LJ-138，主要參數(shù)為：運行水頭95.46～99.72m，設(shè)計工作水頭96.2m，轉(zhuǎn)輪直徑1.00m，額定轉(zhuǎn)速600r/min，額定出力6300kW。

魏家堡水電站為渠道式電站，水電站的泥沙來源主要為渭河寶雞峽渠首以上河道。根據(jù)林家村水文站1980-1994年共15年泥沙資料統(tǒng)計，多年平均懸移質(zhì)輸沙量9680萬t，多年平均含沙量47.3kg/m3。其中汛期輸沙量8590萬t，占年輸沙量88.7%，汛期平均含沙量73.6kg/m3，多年平均推移質(zhì)輸沙量176萬t。魏家堡水電站設(shè)計流量23.55m3/s，由逐日的發(fā)電引水流量及林家村水文站實測的逐日平均含沙量計算得出滿發(fā)年過機沙量為797萬t，占渠首年輸沙量的8.23%，汛期過機沙量663萬t，占年平均過機沙量的83.2%，6～9月平均過機沙量38.1kg/m3，7～8月份平均過機含沙量50.3kg/m3。

泥沙對機組的磨蝕問題較為嚴(yán)重，該電站1998年底投產(chǎn)，當(dāng)年運行2727h后適逢汛期到來，機組磨蝕加劇，效率迅速下降。以3＃機為例，上下止漏環(huán)間隙由安裝時的0.12mm磨損到12mm，活動導(dǎo)葉端面密封全部磨掉，導(dǎo)葉尾部被泥沙磨掉20mm左右，造成運行時難以迅速并網(wǎng)，停運時難以停機，不得不進行大修和技改。

二、減輕磨蝕的工程措施

電站在設(shè)計階段就充分考慮了渭河“水大帶大沙，水小帶小沙”的特點，十分重視泥沙對水輪機的磨損，采取了以下兩項工程措施，科學(xué)布置水工設(shè)施，旨在減少過機沙量。

1.在電站壓力前池內(nèi)設(shè)置排沙孔及導(dǎo)沙墻

導(dǎo)沙墻呈曲線型，其最佳高度確立在前池最低運行水位時能可靠引流發(fā)電，排沙孔設(shè)于進水口右側(cè)，形成正向取水，側(cè)向排沙，構(gòu)筑工程措施上阻攔泥沙的最后一道防線。

2.利用渠道現(xiàn)有沉沙槽發(fā)揮降沙、沉沙效果

由于魏家堡水電站過機沙量很大，因此防止粗沙過機對水輪機磨蝕是該站解決泥沙的主要問題。據(jù)分析計算，渠首沉沙槽在正常運行情況下，可以使懸移質(zhì)泥沙中d≥0.25mm的泥沙沉降80%以上，使魏家堡水電站年平均粗沙（d≥0.25mm）的過機沙量由0.38kg/m3減少到0.076kg/m3。

采取以上兩項水工措施后，通過試運行證明取得了一定效果，但仍不能從根本上解決磨蝕問題。

三、提高抗磨蝕能力的技改措施

1.優(yōu)化水機參數(shù)

(1）重新設(shè)計轉(zhuǎn)輪。流道中含沙水流相對速度較大，是造成泥沙磨損的主要原因之一。與同等水頭電站相比較，魏家堡水電站機組轉(zhuǎn)速高、水頭高、體積小，因而比轉(zhuǎn)速偏高。機組大修時，根據(jù)實際工況對轉(zhuǎn)輪進行重新設(shè)計改造，新轉(zhuǎn)輪將葉形進行了優(yōu)化，降低了相對流速，據(jù)測算，新轉(zhuǎn)輪水流入口速度比原來降低了18%左右，減少了進口撞擊損失。

(2）調(diào)整導(dǎo)葉翼形。導(dǎo)葉是重要的導(dǎo)水部件，原導(dǎo)葉在解決水流入口角度及撞擊角度方面有一定缺陷，不合理的翼形造成過水流態(tài)發(fā)生變化，容易產(chǎn)生空腔汽蝕，空蝕的產(chǎn)生又導(dǎo)致了磨蝕的加劇。新導(dǎo)葉設(shè)計線形更好，翼形科學(xué)，首次引用了尾部斜面結(jié)構(gòu)技術(shù)，使水流更平順流暢，從而有效減少葉面脫流，緩解了渦流空蝕與磨損。

2.改善過水部件結(jié)構(gòu)

(1）增加減壓孔孔徑和傾角。技改期間，在新轉(zhuǎn)輪上采取了擴大減壓孔直徑的措施，將孔徑由原來的Ф40增加到Ф50，同時增加減壓孔傾角，使其出水孔口盡可能接近負(fù)壓區(qū)，能使上冠上積聚的高壓泥沙水盡快排泄，減少泥沙對上止漏環(huán)、上冠、頂蓋的磨損，還可減輕軸向水推力，從而減少推力瓦負(fù)擔(dān)。

(2）采用長泄水錐，大修后的泄水錐比原泄水錐長了約40mm。據(jù)試驗證明，長泄水錐的高壓脈動區(qū)域比短泄水錐小，且幅值也小。因此，大修后重新設(shè)計的轉(zhuǎn)輪采用了長泄水錐，減少了尾水管的脈動壓力，有效改善了汽蝕。

3.采用優(yōu)質(zhì)材料，提高抗磨蝕能力

(1）轉(zhuǎn)輪采用抗空蝕性能良好的6Cr13Ni4Mo不銹鋼轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪葉片采用不銹鋼板熱壓成形，數(shù)控車床加工，大大提高了轉(zhuǎn)輪葉片與模型的相似性。

(2）頂蓋、底環(huán)過流面鑲嵌高分子材料聚乙烯板，抗磨蝕性能是不銹鋼的數(shù)十倍，韌性好、不脆裂，溫度范圍廣，易于加工，在底環(huán)表面與頂蓋下平面均采用8塊拼裝，高強度螺栓沉頭鑲嵌，經(jīng)10多年運行觀察，無磨損汽蝕，只有少量水中漂浮物劃痕。實踐證明，高分子聚乙烯是水電站理想的抗磨蝕優(yōu)質(zhì)材料。

(3）涂敷防護材料。大修期間還對高流速區(qū)的部件，包括導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片等用最新高速火焰（HVOF）噴涂技術(shù)進行表面碳化鎢—鈷（SXHTO）材料噴涂。該項技術(shù)是把噴涂材料以粉末狀態(tài)注入高速噴射的火焰中，燃料為氫氧混合體，溫度為3000℃，噴射速度為2000m/s，高溫高速的氣體使加速運動的粉末顆粒緊密均勻地鑲嵌在基材表面上，從而形成少空隙、低氧化、高粘合力、低殘余應(yīng)力的高質(zhì)量涂層。由于高速運動的顆粒與基材表面是物理結(jié)合，其特點是：基材表面溫度低于150℃，基材不發(fā)生任何形變，表面硬度可達(dá)1100～1300HV300,涂層厚度0.3～0.5mm。采用上述技術(shù)措施，大大提高了過水部件表面的抗磨蝕能力。

四、減少磨蝕的工程運行措施

一是，實行科學(xué)調(diào)度，庫渠結(jié)合綜合運用，趨利避害，發(fā)揮庫渠應(yīng)有的沉沙、排沙效果。

二是，電站壓力前池采用間歇排沙運行方式，即當(dāng)泥沙淤積高程接近導(dǎo)沙墻高程時，開啟沖沙閘排沙，排沙結(jié)束后關(guān)閘發(fā)電，當(dāng)有多余棄水時優(yōu)先開啟沖沙閘邊退水邊排沙，盡可能減少粗沙過機。

三是，科學(xué)控制過機含沙量上限，根據(jù)運行經(jīng)驗及技改大修后防磨蝕技術(shù)的加強，該站汛期含沙量由過去的5%放寬到8%，超過8%就及時停機，以防粗沙過機形成惡性循環(huán)。

四是，盡可能以最佳或接近最佳工況運行，減少半負(fù)荷以下運行，有效避免振動、汽蝕發(fā)生。

五、結(jié) 語

經(jīng)過不斷探索，魏家堡水電站機組磨蝕問題得到了有效的控制。單機運行小時已從當(dāng)初的2700h延長到現(xiàn)在的9700h，大修周期由過去的1年延長到3年，經(jīng)濟效益十分可觀。發(fā)電量由2000年的2800萬kW?h提高到2009年的9100萬kW?h，發(fā)電年收入從800多萬元提高到2700多萬元。