唐 蕾，莫春霞

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550081)

尼泊爾上達(dá)吉水電站減輕水輪機(jī)泥沙磨蝕的綜合措施

唐 蕾，莫春霞

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550081)

文章針對(duì)多泥沙河流上的水電站水輪發(fā)電機(jī)組磨蝕問(wèn)題，通過(guò)分析電站的過(guò)機(jī)泥沙情況，減少過(guò)機(jī)泥沙、提高水輪機(jī)過(guò)流部件防護(hù)能力、結(jié)合設(shè)備選型和制定檢修運(yùn)行方案等多個(gè)方面，提出一套減輕水輪機(jī)泥沙磨蝕的綜合措施，保障多泥沙河流上水電站水輪機(jī)的可靠運(yùn)行。關(guān)鍵詞：泥沙;磨蝕;沉沙池;機(jī)組參數(shù);避沙運(yùn)行

水輪機(jī)磨蝕問(wèn)題一直是影響位于多泥沙河流上的水電站水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)難題。當(dāng)通過(guò)水輪機(jī)的水流泥沙含量較大、泥沙顆粒直徑及硬度較大時(shí)，對(duì)于水輪機(jī)過(guò)流部件，尤其是轉(zhuǎn)輪將會(huì)造成磨蝕破壞，進(jìn)而影響水輪機(jī)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

本文主要結(jié)合尼泊爾Kaligandaki Upper 水電站(以下簡(jiǎn)稱“上達(dá)吉水電站”)的前期設(shè)計(jì)，通過(guò)分析電站的過(guò)機(jī)泥沙情況，減少過(guò)機(jī)泥沙、提高水輪機(jī)過(guò)流部件防護(hù)能力、結(jié)合設(shè)備選型和制定檢修運(yùn)行方案等多個(gè)方面，提出一套減輕水輪機(jī)泥沙磨蝕的綜合措施[1]。

1 上達(dá)吉水電站概況

上達(dá)吉水電站位于尼泊爾中部貝尼-佐姆索姆路的Kaligandaki河。Kaligandaki河發(fā)源于尼泊爾邊境北部的青藏高原，為恒河左岸根德格河上游干流納拉亞尼河的一級(jí)支流。上達(dá)吉水電站為徑流式電站，正常蓄水位1 025.00 m，死水位1 024.00 m，電站水頭為132.0 m。裝設(shè)2臺(tái)混流式水輪機(jī)，單機(jī)容量為32.5 MW。

電站以發(fā)電為主，在電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)基荷。

2 上達(dá)吉水電站泥沙參數(shù)

(1) Kaligandaki河含沙量及顆粒級(jí)配見(jiàn)表1、2。Kaligandaki河礦物成分見(jiàn)表3。

表1 Kaligandaki河各時(shí)期的含沙量表

從表1～3中數(shù)據(jù)分析：在不設(shè)置沉沙措施的情況下，上達(dá)吉水電站多年平均懸移值輸沙量為7.84 kg/m3，其中粒徑小于0.25 mm的泥沙顆粒占95.5%，莫氏硬度大于5的泥沙顆粒占41%。

表2 Kaligandaki河泥沙及顆粒級(jí)配表

表3 Kaligandaki河礦物成分表

3 減小泥沙磨蝕的綜合措施

針對(duì)上達(dá)吉水電站的天然泥沙情況，為了減少泥沙對(duì)水輪機(jī)的磨蝕破壞，設(shè)計(jì)人員從減少進(jìn)入水輪機(jī)泥沙含量、提高水輪機(jī)過(guò)流部件的防護(hù)能力以及制定安全運(yùn)行檢修方案等多個(gè)方面提出一套減輕上達(dá)吉水電站水輪機(jī)泥沙磨蝕的綜合措施。

3.1 采取沉沙、排沙措施

為減少進(jìn)入引水隧洞泥沙含量，降低泥沙對(duì)水輪機(jī)組的磨蝕破壞，在引水隧洞上游修建有多種沉沙、排沙工程。具體措施: 設(shè)置泄洪沖沙閘，能夠有效地起到排沙、拉沙作用，將上游河床底板推移質(zhì)泥沙排至下游河床； 在取水口閘墩末端以及溢流側(cè)堰前緣部位分別設(shè)置1道集沙槽，并采用鋼管進(jìn)行排沙；另外，沉沙池后部壓力前池底部高程低于隧洞進(jìn)口底板高程0.5 m，再次將通過(guò)沉沙池的泥沙進(jìn)行沉淀，并設(shè)置放空兼排沙管[2-3]。沉沙池結(jié)構(gòu)剖面如圖1 所示。

圖1 沉沙池結(jié)構(gòu)剖面圖 單位：m

針對(duì)全年河水懸移質(zhì)泥沙含沙量高的特點(diǎn)，隧洞前部設(shè)置沉沙池，能夠阻擋超過(guò)0.25 mm粒徑泥沙進(jìn)入水輪機(jī)，并有效降低引水泥沙含量；通過(guò)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)(泥沙級(jí)配測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4 )表明，設(shè)沉沙池后，過(guò)機(jī)總含沙量由原來(lái)的7.47 kg/m3減少為4.92 kg/m3；泥沙中的大顆粒泥沙(直徑>0.25 mm)的含量從0.232 kg/m3減少為0.0123 kg/m3，減少了將近20倍。

對(duì)于水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，大顆粒(直徑>0.25 mm)、高硬度(莫氏硬度>5)的泥沙顆粒對(duì)于機(jī)組的運(yùn)行危害性更大。因此，設(shè)置沉沙池及采取相關(guān)的排沙措施可以減少過(guò)機(jī)泥沙含量，尤其是大大地降低了對(duì)水輪機(jī)有危害的大顆粒、高硬度泥沙的含量。

3.2 提高水輪機(jī)過(guò)流部件抗磨蝕能力

為了提高水輪機(jī)過(guò)流部件抗泥沙磨蝕的能力，在水輪機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，針對(duì)水輪機(jī)參數(shù)的選擇、水輪機(jī)過(guò)流部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及過(guò)流部件防磨蝕工藝措施等多個(gè)方面提出綜合措施。

(1) 水輪機(jī)參數(shù)的選擇

由于該水電站過(guò)機(jī)泥沙含沙量大，參考類似電站的經(jīng)驗(yàn)，該電站不宜追求較高的比轉(zhuǎn)速值及比速系數(shù)。較低比轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑較大、質(zhì)量較重、剛度和強(qiáng)度較好，流道中相對(duì)流速低。由于轉(zhuǎn)輪磨損大體上與相對(duì)流速的3次方成正比，因此，選用較低的ns值及K值，轉(zhuǎn)輪磨損量將明顯減少，同時(shí)這類水輪機(jī)有較好的空化性能和穩(wěn)定性。因此，在上達(dá)吉水電站前期設(shè)計(jì)時(shí)舍棄了180 m水頭段參數(shù)指標(biāo)較高的HLA855a、HLS166等模型轉(zhuǎn)輪，改用230 m水頭段的HLA575C模型轉(zhuǎn)輪進(jìn)行水輪機(jī)參數(shù)及廠房控制尺寸計(jì)算。經(jīng)計(jì)算分析，上達(dá)吉水電站取額定轉(zhuǎn)速375 r/min，比轉(zhuǎn)速為153 m.kW，相應(yīng)的比速系數(shù)為1 758?；旧弦堰_(dá)到同水頭段水電站比轉(zhuǎn)速系數(shù)范圍的中、下水平。

表4 泥沙級(jí)配測(cè)試結(jié)果表

(2) 水輪機(jī)過(guò)流部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

水輪機(jī)主要過(guò)流部件結(jié)構(gòu)對(duì)于進(jìn)入水輪機(jī)水流的通暢性會(huì)造成很大的影響。為了改善水力性能、消除局部氣蝕、減小葉片出水邊背面和下環(huán)內(nèi)側(cè)表面的磨損，機(jī)組在招標(biāo)階段與制造廠配合，優(yōu)化水輪機(jī)過(guò)流部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高設(shè)備本身的抗磨蝕能力[4]。同時(shí)，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。除此以外，過(guò)流部件的加工精度，對(duì)于水輪機(jī)的抗磨蝕性能也有很大的影響。高泥沙河流上的電站，在機(jī)組招標(biāo)時(shí)，應(yīng)提高對(duì)水輪機(jī)尤其是過(guò)流部件加工精度的要求[5]。

(3) 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及過(guò)流部件防磨蝕工藝措施

從水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及葉片的母材選用上，在機(jī)組招標(biāo)時(shí)要求選用具有較好的機(jī)械性能、機(jī)加工性能的不銹鋼材料，如ZG00Cr16Ni5Mo材料。該材料含碳量低、可焊性好，對(duì)電站現(xiàn)場(chǎng)的葉片修復(fù)更為有利，很適合于高水頭、多泥沙水電站的轉(zhuǎn)輪及葉片加工。另外，在過(guò)流部件的表面噴涂抗磨蝕材料，對(duì)于提高水輪機(jī)過(guò)流部件的抗泥沙磨損性能是很有效的。許多泥沙河流電站還采用在轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉的過(guò)流表面噴涂非金屬材料，如環(huán)氧金剛砂涂層、聚氯酯涂層等。但是現(xiàn)在隨著噴涂材料的發(fā)展，越來(lái)越多的電站采用碳化鎢等金屬代替原來(lái)非金屬材料。實(shí)驗(yàn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，其抗磨蝕性能較非金屬材料更好。在噴涂技術(shù)方面，HVAF等新的涂層技術(shù)也替代了傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)，使得噴涂材料與水輪機(jī)部件的貼合性更好，進(jìn)一步提高了過(guò)流部件的抗磨能力[6]。

3.3 制定合理的水輪機(jī)檢修方案

雖然已經(jīng)采取上述相關(guān)的防磨蝕措施，但仍有一定的有害泥沙進(jìn)入水輪機(jī)內(nèi)部，為了保證水輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，制定合理的檢修方案能保證水電站的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。

(1) 大修周期的選擇

根據(jù)DL/T 838—2003《發(fā)電企業(yè)設(shè)備檢修導(dǎo)則 》[7]，水電站檢修分為A、B、C、D級(jí)檢修。A級(jí)檢修是指對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行全面的解體檢查和修理，以保持、恢復(fù)或提高設(shè)備性能。B級(jí)檢修是指針對(duì)機(jī)組某些設(shè)備存在問(wèn)題，對(duì)機(jī)組部分設(shè)備進(jìn)行解體檢查和修理;B級(jí)檢修可根據(jù)機(jī)組設(shè)備狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，有針對(duì)性地實(shí)施部分A級(jí)檢修項(xiàng)目或定期滾動(dòng)檢修項(xiàng)目。C級(jí)檢修是指根據(jù)設(shè)備的磨損、老化規(guī)律，有重點(diǎn)的對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢查、評(píng)估、修理、清掃;C級(jí)檢修可進(jìn)行少量零件的更換、設(shè)備的消缺、調(diào)整、預(yù)防性試驗(yàn)等作業(yè)以及實(shí)施部分A級(jí)檢修項(xiàng)目或定期滾動(dòng)檢修項(xiàng)目。D級(jí)檢修是指當(dāng)機(jī)組總體運(yùn)行狀況良好，而對(duì)主要設(shè)備的附屬系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行消缺[7]。

根據(jù)上達(dá)吉水電站的特點(diǎn)，根據(jù)規(guī)范[7]相關(guān)規(guī)定，參照國(guó)內(nèi)其它多泥沙河流(如黃河)上水電站的檢修運(yùn)行情況，擬定上達(dá)吉水電站檢修方案如下：

投產(chǎn)第1年進(jìn)行1次A級(jí)檢修；以后每間隔4 a進(jìn)行1次A級(jí)檢修；在兩次A級(jí)檢修之間，安排1次機(jī)組B級(jí)檢修；除有A、B級(jí)檢修年外，每年安排1次機(jī)組C級(jí)檢修；每年在汛期中間增加1次D級(jí)檢修(停機(jī)檢查轉(zhuǎn)輪葉片是否有裂紋，若有裂紋，修復(fù)時(shí)間為15 d，若無(wú)裂紋，停機(jī)1 d)。

本電站各類檢修的停機(jī)時(shí)間為：A級(jí)檢修為60 d，B級(jí)檢修40 d，C級(jí)檢修7 d。

(2) 盡量縮短檢修時(shí)間

參考中國(guó)黃河上水電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)可采用易于檢修維護(hù)的結(jié)構(gòu)方案，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，有效地縮短檢修時(shí)間。

3.4 汛期的合理調(diào)度運(yùn)行

機(jī)組在振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行將會(huì)增加泥沙對(duì)機(jī)組的磨蝕破壞，為了降低水輪機(jī)磨蝕程度，水電站投入運(yùn)行后，應(yīng)盡量避開(kāi)在機(jī)組的振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行或盡量減少在振動(dòng)區(qū)域的運(yùn)行時(shí)間[8]。同時(shí)，應(yīng)結(jié)合汛期上游河道的來(lái)沙情況，適當(dāng)考慮避沙峰運(yùn)行。另外，為了停機(jī)時(shí)保護(hù)導(dǎo)葉，進(jìn)水閥宜停機(jī)關(guān)閉。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于多泥沙河流上的水電站設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，制定合理有效的減輕水輪機(jī)泥沙磨蝕綜合措施對(duì)于水輪機(jī)乃至整個(gè)電站安全穩(wěn)定運(yùn)行是十分重要的。這也是設(shè)計(jì)人員在電站的前期設(shè)計(jì)中必須考慮的一個(gè)綜合性的技術(shù)問(wèn)題。

根據(jù)中國(guó)多泥沙水電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，減輕水輪機(jī)磨蝕的方案已由單一的防護(hù)措施發(fā)展為多方面綜合治理。因此，從水電站設(shè)計(jì)的前期就應(yīng)該充分考慮樞紐布置、機(jī)組參數(shù)的優(yōu)化；招標(biāo)階段開(kāi)始，就應(yīng)根據(jù)電站的泥沙資料，除有針對(duì)性地選擇空蝕性能好的轉(zhuǎn)輪外，對(duì)其它過(guò)流部件的材質(zhì)也應(yīng)選擇抗磨蝕性能好的材料；后期運(yùn)行中，要合理地安排機(jī)組的負(fù)荷調(diào)度，盡量使機(jī)組在最優(yōu)工況下運(yùn)行，適當(dāng)并制訂相應(yīng)的防范措施，從而減輕機(jī)組的磨蝕程度，延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命，使水電站獲得更好的經(jīng)濟(jì)效率。

[1] 孟安波,殷豪,陳德新.多泥沙河流水輪機(jī)的磨蝕與防護(hù)技術(shù)的研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2008(04):115-116.

[2] 中華人民共和國(guó)水利部.水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程: SL155-2012 [S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2012.

[3] 中華人民共和國(guó)水利部.水利水電工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)程:SL269-2001 [S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2001.

[4] 溫曉軍,張冰雪.萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)抗磨蝕的主要措施[J].中國(guó)水利,2006(06):61-62.

[5] 湯永明.淺談多泥沙電站水輪機(jī)抗磨蝕的措施[J].機(jī)電技術(shù),2006(03):28-30.

[6] 王成遠(yuǎn).昌馬總干渠梯級(jí)電站水輪機(jī)泥沙磨蝕問(wèn)題與解決方案討論[J].中國(guó)水運(yùn)(下半月),2014(06):148-149.

[7] 中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).發(fā)電企業(yè)設(shè)備檢修導(dǎo)則:DL/T 838-2003[S].北京:中國(guó)電力出版社,2003.

[8] 杜敏,劉正勇,陳祖嘉.多泥沙河流水輪機(jī)泥沙磨蝕及防護(hù)研究[S].人民長(zhǎng)江, 2011(24):73-75.

General Measures to Mitigate Turbine Abrasion from Sediment

TANG Lei, MO Chunxia

(Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081,China)

Regarding the unit abrasion of the hydropower stations on the sediment-rich river, a series of general measures to mitigate the unit abrasion from sediment and secure the reliable operation of the turbine on the sediment-rich river are proposed in terms of analysis on the sediment passing the unit, decreasing the sediment passing the unit, improving protection to the flowing components of the turbine, combining equipment type selection and compiling special maintenance and operation schemes, etc. Key words:sediment; abrasion; sand trap; unit parameter; operation without sediment

1006—2610(2016)06—0059—03

2016-10-12

唐蕾(1980- )，女，貴州省大方縣人，高級(jí)工程師，從事水電站水力機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)工作.

TK730;TV734.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.015