引水径流式水电站水轮机磨蚀及治理

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Erosion and Management of Turbine in Run-off Hydropower Station

Zhang Weiju

（中水北方勘测设计有限责任公司，天津 300222）

（China Water Resources Beifang Investigation Design and Research Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

摘要： 本文根据新疆已建的引水径流式水电站的运行情况，分析了水轮机磨蚀破坏原因，从水工的布置型式和水机选型及材料防护等方面提出了解决办法和治理措施。

Abstract: According to the operation of built run-off hydropower station in Xinjiang, this paper analyzes the causes of turbine erosion, and proposes resolutions and prevention measures from water engineering layout, type selection and materials on protection.

关键词： 引水径流式 水轮机 磨蚀 沉沙处理 比转速 安装高程

Key words: run-off type；turbine；erosion；desilting；specific speed；installation elevation

中图分类号：TV7文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）32-0041-01

0引言

引水径流式电站在大量含有泥沙的水进入机组时会引起水轮机严重磨蚀，引水径流式水电站水轮机的磨蚀原因都有哪些，应该采取哪些治理措施呢？

1高含沙量水、推移质进入机组是磨蚀的重要原因

很多电站的设计建设，由于缺少泥沙实测资料，专业人员只能采用类比分析得出含沙量数据，由于地理位置、水文气象资料的差异，导致含沙量资料不准确，尤其是近几年过度开发导致植被的破坏，在汛期雨季山洪爆发时，在拦沙措施不利、没有沉沙措施及排沙不利的情况下，大量泥沙进入机组，导致机组严重磨损。

以新疆塔尕克引水径流式水电站为例，安装2台额定出力2.526万kW立式混流水轮机，额定水头74m，2号、1号机分别于2008年3月底和4月初投入商业运行，2008年5月库玛拉克河水量加大，水质变差，雨季大量泥石流进入库玛拉克河，河水夹带泥沙进入机组，19时1号机主轴密封突然大量喷水，机组被迫停机，8月22日在对1、2号机组进行蜗壳内检查时发现转轮出现严重磨蚀，转轮上冠和顶盖、下环和底环的间隙达到了21mm，固定导叶中部出现深约5mm磨痕，7月22日1号机运行中主轴密封漏水、水导油盆进水被迫停机，经检查主轴橡胶水封和抗磨板磨损严重已不能使用，经更换备件后机组并网运行；8月25日运行中1号机组再次出现主轴密封漏水、水导油盆进水被迫停机，1号机主轴密封环磨损20mm，8月16日，2号机组主轴密封严重漏水被迫停机，经检查主轴密封端盖已磨穿、橡胶水封坏、抗磨板磨损严重、检修密封已无法封水，2号机主轴密封磨损造成水导油盆进水。

从现场实测的泥沙资料看，汛期含沙量高达几十公斤的水进入机组，规范是不允许的,从尾水渠沉集的泥沙看大量推移质进入了机组，泥沙颗粒直径高达十几公分，磨损部位多为颗粒冲击引起的坑凹，如此高的含沙量和推移质进入机组原因是什么呢？

①电站引水渠道长6km，取水口设有分水闸，汛期大量的泥沙涌入时，分水闸没有及时关闭，河道闸门也没有充分开启拉沙，大量的泥沙进入了机组，引起机组的磨损破坏。

②工程初设阶段泥沙资料不全，没有考虑汛期水质变差的工况，初期没有设置沉沙池，而推移质和较大颗粒的悬移质是不能进入机组的。

③初期运行人员缺乏经验,很难掌握泄水排沙与节约用水发电的尺度，导致前池淤沙太多并进入机组，机组磨损严重。

2排沙设施的影响

为防止取水口淤积，在取水口适当位置布置冲沙闸，在冲沙闸前设导沙坎，这样的布置利于前池排沙，减少大量泥沙进入机组,新疆吾库沙克引水径流式水电站建于1976年，安装3台单机容量为800kW水轮发电机组，设计水头14.5m，采用前池正向进水发电及冲沙，运行后实测过机多年平均含沙量为6kg/m3，最大含沙量88.4 kg/m3。大量泥沙进入前池后，底部排沙孔口为直角矩形，只能排除少量泥沙，大量泥沙进入机组，造成水轮机过流部件的严重磨蚀。1996年电力公司对电站进行改造，前池部分改造主要内容有：将原前池底板坡度由1∶6.49改为1∶1，使前池有一段水平段，便于泥沙沉积于前池底部。冲沙孔进口由矩形改为喇叭形，增加干扰面积,在拦沙坎上部设挡沙悬板，防止在水流的扰动下泥沙由拦沙坎进入管道，使沉积在前池的泥砂在冲沙水的作用下排入泄水道，该水电站投入运行后，经检测无大量泥沙进入蜗壳，机组磨蚀大大减轻。

3安装高程的影响

水轮机的安装高程，安=尾+Hs[1]，Hs=10-?荦/900-KσσH[2]公式中：Kσ是与过机泥沙含量有关的参数，泥沙含量越高，Kσ值越大，Hs值越小，机组安装高程越低[5]，这样才有可能尽量避免水轮机的气蚀；如果对泥沙含量估计不足，Kσ值取值偏低，导致机组安装高程实际取值过高，机组在较高含沙量情况运行时极易产生气蚀，会导致水轮机的磨蚀破坏严重，很多电站都出现过此情况，所以在计算水轮机的安装高程时，过机泥沙含量资料及其Kσ取值非常重要[4]。

4机组转速的影响

从比转速的计算公式ns=3.13n11（Q11η）0.5[1]可以看出，选取较高的单位转速可提高发电机同步转速，减轻发电机重量，降低机组造价，缺点是较高的单位转速引起转轮出口相对流速上升，对水轮机磨蚀不利，还会引起单位飞逸转速上升及转动部件的离心应力升高。采用较大的单位流量可以减小转轮直径，减小水轮机重量，降低机组造价，减小厂房尺寸，但单位流量过大会导致水轮机过流速度偏高，恶化水轮机的综合性能。引水式电站由于引水管线较长，很多情况下又无法设置调压井，为确保电站的安全运行就要求增加机组GD2，如果采用较高单位转速导致机组GD2降低，因此在优化配置单位转速和单位流量时，应综合考虑减少磨蚀破坏以及机组的过渡过程等综合指标，减小转速对机组选型是必要的[3]。

5抗磨损其他措施

5.1 过流部件选材及喷涂处理水轮机转轮、活动导叶、抗磨板等主要过流部件采用抗气蚀、磨损性能好和焊接性能好的不锈钢制做。在转轮局部易磨蚀部位采用进一步防护措施，如喷焊碳化钨涂层等。

5.2 机组主轴密封采用泵板和无接触间隙密封工作密封采用泵板和无接触间隙密封，泵板为不锈钢材料，通过泵板作用将上止漏环处泄漏水排入顶盖排水腔，顶盖排水腔的排水管将水排至集水井。

工作密封的静止部分与转动部分不接触，密封寿命长，正常运行不需冷却或，转轮密宫环防止固体进入主轴密封，避免了主轴密封的磨损。

5.3 选用备用转轮为防止汛期转轮磨损破坏修复耽误机组运行，影响发电，在含沙量比较高的电站配置备用转轮，以便更换一台机组转轮时，备用转轮投入使用。

参考文献：

[1]郑渊.水轮机.中国科技文化出版社，2003：58.

[2]水电站机电设计手册.北京：水力电力出版社，1989：36.

[3]水力发电厂机电设计规范.中国电力出版社，2004：6.

[4]张维聚等.戈兰滩水电站水轮发电机组及其附属设备设计.水利水电工程，2009，28：43.

[5]程则久.含沙水流上水电站安装高程的研究.水机磨蚀论文集.天津：水机磨蚀实验研究中心，1993：222.

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作者简介：张维聚（1963-），男，山东威海人，高级工程师，学士，从事水电站设计工作。