三门峡水电站汛期浑水发电试验

三门峡水电站汛期浑水发电试验简介：黄河是世界上含沙量最大的河流。1980年以前，三门峡水电站采用全年发电运用方式，水轮机过流部件磨蚀十分严重。1989年后，三门峡水利枢纽管理局进行汛期发电试验，有效地提高了过流部件的抗磨蚀性能。近年来，与国外公司合作，采用了先进防护技术进行试验，取得了较好的效果。关键字：汛期发电试验成果三门峡水电站1问题的提出1.1三门峡水电站经历的三个阶段三门峡水电站自1973年以来，经历了三个阶段：1980年以前的全年运行阶段；1980～1989年的非汛期运行阶段；1989年至今的非汛期发电和汛期浑水发电试验阶段。1.21980年以前机组全年运行期间的磨蚀破坏情况1973～1980年，三门峡枢纽工程处于改建中，枢纽泄流建筑物尚不能正常运用，汛期浑水发电的水位、时段、水沙规律尚不清楚。汛期浑水发电期间，库内数亿吨泥沙通过机组下泄，水轮机过流部件长期受高含沙水流的磨蚀，叶片和转轮室遭到极其严重破坏。1.2.1水轮机过流部件磨蚀情况机组投入发电运用仅两年,发现水轮机过流部件破坏加剧。至1978年,先期投运的4号机和3号机破坏严重，叶片背面磨蚀面积达40%,磨蚀深度达30mm，转轮室中环中心线以下磨蚀坑槽深达15mm，叶片与转轮室间隙由安装时的7～8mm增至50～120mm，水轮机叶片、转轮室近乎报废，水电站设备完好率下降至57%。1979年4号机大修历时222天，耗用焊条9.3t，由此可见机组过流部件失重的严重程度。其他几个机组的磨蚀情况与4号机组基本相同。1.2.2泥沙对机组其他部位的影响（1）主轴密封严重磨损，止水失效，漏水量增大，水淹导轴承的现象时有发生。（2）叶片枢轴根部磨蚀后，枢轴密封失效，机组漏油严重，日最大漏油量高达2.5t，致使油压操作系统运行困难，甚至被迫改为定桨运行。（3）枢轴止水失效后，浑水进入油系统，造成操作元件锈蚀或卡阻，操作失灵，机组不能自动运行。1.3汛期浑水发电试验的条件及组织1989年三门峡水利枢纽经过改建，泄流底孔等建筑物已正常运用，三门峡水库调度运用也积累了丰富经验，为汛期浑水发电试验创造了条件。三门峡水利枢纽管理局从1989年开始，与国内十几家科研院所合作，进行汛期浑水发电试验，研究解决汛期浑水发电这一国内外尚未解决的难题。21989～1994年汛期浑水发电主要试验内容为解决汛期浑水发电期间水轮机过流部件的磨蚀破坏等问题,1989～1994年,三门峡水利枢纽管理局进行了为期6年的汛期发电试验，累计汛期发电8335h，平均毛水头25.38m，平均过机含沙量17.40公斤/立方米，日最大过机含沙量64.93公斤/立方米。主要进行了以下三个方面的研究和试验。2.1水库调度运用方式对过机水流出库含沙量、水库淤积进行实时监测，同时对观测资料进行分析，建立入库流量、水库水位、不同泄流底孔组合与库区淤积、过机含沙量的关系，提出减轻库容淤积和减少过机含沙量的措施，并实施合理调度。2.2水轮机过流部件的磨蚀观测水轮机过流部件的磨蚀破坏，是制约三门峡水电站汛期浑水发电的关键。通过试验发现，机组磨蚀破坏程度随运行时间和过机含沙量的不同而有所变化，但磨蚀部位却完全相同。主要发生在以下几个部位：叶片头部外缘角；叶片背面头部外三角区；叶片背面头部至尾部外缘300～400mm宽的区域和外端面；转轮室中心线上、下350mm区域，特别是中心线以下部位。2.3水轮机过流部件抗磨蚀防护材料试验1989～1994年,三门峡水利枢纽管理局与多家单位合作,对40多种抗磨蚀材料进行试验、分析，选择具有较好抗磨蚀性能和较好施工工艺的SPHG1合金〖CM(1*3〗粉末、GB1焊条、金属陶瓷、电镀材料四种材料在水轮机强破坏部位进行试验，检验各种材料在不同区域的抗磨蚀性能和工艺性能并进行改进。31989～1994年汛期浑水发电试验成果3.1水库调度成果充分利用汛期的大洪水，对7、8月份的来沙高峰期进行集中排沙，在8月份下旬至汛末入库水沙较平稳时进行汛期发电，期间如遇大洪水，发电服从防洪、排沙运用。通过合理调度，平均每年可增加发电时间1500h，较好地处理了防洪、排沙减淤和汛期发电三者之间的关系。机组进入汛期发电前，开启底孔集中排沙，形成坝前漏斗；机组运行过程中，根据水库水沙情况，适时开启底孔泄流分沙。通过这些措施，使过机含沙量比出库含沙量降低20%左右，保持在30公斤/立方米以下；使过机泥沙中粒径大于0.05mm的粗沙占过机泥沙总重的10%以下，有效地减轻了水轮机过流部件的磨蚀破坏。3.2水轮机过流部件抗磨蚀试验成果3.2.1SPHG1合金粉末喷焊防护抗磨蚀成果SPHG1合金粉末为热熔型镍基粉末，喷焊后表面平整光滑，硬度达HRC60以上。通过在转轮室和叶片头部、背面外缘进行防护试验，总结出不同部位直接喷焊和二次喷焊施工工艺,解决了防护部位预热、温控、控制变形及防止喷焊表面龟裂等难题，明显减轻了过流部件的磨蚀破坏。1992年在1号机叶片上进行试验，通过1993、1994年两年共11000h（其中汛期3198h)运行考验，叶片背面及头部喷焊的防护层基本完好。3.2.2GB1焊条铺焊防护试验成果GB1焊条采用传统的不锈钢焊丝制作工艺，在易于制造的药皮中加入提高材料抗磨性能的微量元素，其金相组织为奥氏体加硼化物共晶，硬度达HRC35，具有优良的抗磨蚀性能。1991、1992年分别在2号机、1号机转轮室和叶片上试验，成功地解决了预热温度、焊接裂纹等问题，探索出完整的施工工艺。目前已在转轮室、叶片的检修防护中推广应用，使水轮机的抗磨蚀能力大为提高，延长了机组检修周期。3.2.3金属陶瓷堆焊试验金属陶瓷具有金属材料的可熔性和陶瓷的高硬度耐磨性，材料以碳化钨为主要成分，具有较好的抗磨蚀性能。通过几年的试验探索，采用A132不锈钢焊条和结507焊条熔焊金属陶瓷，逐步改善施工工艺，较好地解决了熔焊表面龟裂问题，但熔焊表面粗糙不平，且较难打磨等问题尚有待研究。3.2.4电镀材料防护试验使用电镀抗磨蚀材料的表层十分光滑，表面硬度达HRC66，抗磨蚀性能较好。1992年汛期，首次在1号机强气蚀区进行试验，经汛期运行（1248h），防护部位几乎没有破坏，表现出较好的抗气蚀性能，但施工工艺尚需进一步试验。3.2.5环氧金刚砂涂层防护环氧金刚砂涂层是三门峡水电站多年来应用于以磨损为主要特征的过流表面较理想的防护材料。从70年代开始叶片正、背面就采用环氧金刚砂涂层防护，经30000h运行，叶片正面保留面积达95%，而叶片背面强气蚀区全部脱落。这充分说明环氧金刚砂涂层具有较好的抗磨损性能，但抗气蚀性能较差，不能用于强气蚀区。1989年后，环氧金刚砂涂层配方、工艺不断改进，并推广应用于导叶、支持盖、泄水锥等表面的防护，取得较好应用效果。3.3延长机组检修周期经过6年的研究和试验，在水轮机叶片头部、叶片背面头部至尾部外缘和外端面、转轮室中心线上下350mm区域等部位进行防护，减轻了水轮机磨蚀破坏，使其达到3年以上检修周期要求，与1989年前汛期不能发电相比是一个重大突破。4近几年汛期浑水发电的探索近年来，黄河来水呈逐年减少趋势，非汛期发电量受到较大影响。从水资源运用和企业发展角度考虑，充分利用汛期来水，增加汛期发电量是企业经济发展的有效途径。4.1推广运用试验成果，对机组进行综合防护1995年之后，开始对机组过流部件进行全面防护，并取得较好防护效果。中环的防护：沿中环中心线上下各500mm范围采用GB1焊条铺焊进行防护。叶片的防护：采用不同的防护材料，其正面是比较成功的环氧涂层；背面头部三角区和叶片外缘端面（磨蚀严重区域）用GB1焊条堆焊后，再采用两步法喷焊SPHG1；叶片边缘300～350mm范围，用A132焊条堆焊后，两步法喷焊SPHG1；叶片迎水边采用一步法喷焊SPHG1；其他磨蚀区域采用GB1焊条铺焊和A132焊条堆焊防护。转轮体与其他部位的防护：采用A132焊条堆焊后打磨处理。机组的固定导叶、活动导叶、泄水锥等过流部件表面采用环氧涂层防护。4.2不断优化水库调度方式，增加汛期浑水发电时间在1994年水库调度试验成果基础上，结合近年来水库调度资料分析，1998年后，汛期采用“洪水排沙，平水发电”运用方式，在7、8月份的非洪水期也进行汛期发电，既不影响防汛排沙，又可进行汛期发电。使汛期发电时间由原来的1500h左右提高到2000h以上。4.3汛期过机含沙量有所提高1998年以来，对机组过流部件进行了综合防护，提高了机组的抗磨蚀性能。为充分利用水资源，在不影响库区淤积和不改变机组检修周期情况下，将过机泥沙含量由1998年以前的30公斤/立方米以下可以发电提高到目前60公斤/立方米以下，实际运行中过机含沙量峰值最高达80公斤/立方米。4年的运行实践表明，机组过流部件破坏没有明显加剧。4.4合理安排机组检修时间，为汛期发电创造条件1994年以前，因汛期不发电或仅有一两台机组投入浑水发电，故机组的检修都安排在汛期。1994年后，扩装的6、7号机投入发电，减轻了非汛期发电压力，具备了把1～5号机组安排在非汛期检修的条件。汛期1～5号机组均可投入发电运行，有效地利用了汛期来水，从而使汛期发电量大幅度提高。4.5探索机组运行模式，提高机组负荷率1973～1994年，三门峡水电厂水轮发电机组受叶片裂纹、机组漏油、叶片严重磨蚀等疑难问题的困扰，水资源利用问题尚未得到重视。随着近年来黄河来水逐年减少，如何利用有限来水，发出最大电量成为我们关注的问题。近几年来，三门峡水电厂加强与水调、电调的沟通，适时调整机组负荷和运行方式，提高机组负荷率，降低了耗水率，逐步走向节水发电。4.6加强辅助设备改造研究，适应汛期发电要求1999年以来，对2号机导水机构密封和2～5号机组顶盖排水系统进行改造，并增设顶盖冲淤装置，有效减少了顶盖漏水，提高了顶盖排水系统的安全可靠性。顶盖排水系统改造后机组未出现一次水淹导轴承事故。同时还更新了滤水器和空冷器，降低了发电机定子温度，提高了机组可靠性。4.7继续进行水轮机过流部件的抗磨蚀研究1995年后，三门峡水利枢纽仍不断地进行水轮机过流部件防护的试验工作。近年来主要进行GB1、碳化钨、聚氨脂涂层等材料对过流部件的防护试验。2000年，与德国VOITH公司合作对1号水轮机组进行技术改造，利用碳化钨和聚氨酯涂层对水轮机转轮、转轮室、活动导叶分别进行防护，取得很好的防护效果。4.8近年来汛期浑水发电效益1989～1994年6年汛期发电取得试验成果后，通过不断总结，逐步实现5台机组投入汛期发电。1995～2002年，汛期累计发电量12.6600亿kW·h，尤其是2000～2002年累计发电量6.364亿kW·h，连续3年汛期发电超过2亿kW·h，取得显著的经济效益。5今后汛期发电的工作思路5.1结合竞价上网，研究新形势下的水库调度方式随着小浪底水库投入运用，对三门峡水库的运用方式将产生一定影响。同时，电力市场将逐步实行竞价上网。针对现实形势的新变化，在黄河水量统一调度前提下，不断研究水库的调度运用方式，使有限的水量产生最大经济效益。5.2对机组效率测量率定，改善机组运行工况三门峡水电站2～5号机组已运行20多年，一直没有进行真机效率测量工作，又经过多次检修，机组效率变化大，