万家寨水电站水轮机磨蚀问题分析

万家寨水电站水轮机磨蚀问题分析

一、平均含沙量黄河万家寨水库配备了集水区、主缸混流式水轮发电装置，年供油能力18gkw，总功率108gw。规划年流量27.5亿kwh。万家寨水电站为多泥沙河流电站,其泥沙特征为:设计多年平均输沙量为1.49亿t,设计多年平均含沙量6.6kg/m3;实测多年平均含沙量为5.7kg/m3(其中直径大于0.05mm的有害颗粒含量为1.378kg/m3,占其总量的24.2%),实测最大含沙量(河口镇水文站1955年9月1日)为37.6kg/m3;预测建库后排沙期时段平均过机含沙量为8～12kg/m3;建库后多年平均含沙量见表。在排沙期,除了高含沙水流直接对水轮机进行磨损破坏外,还由于电站低水头运行,造成水轮机偏离设计工况,机组振动加大,从而使过流部件的气蚀加重;即使在非汛期,由于万家寨水电站被山西电网确定为第一调潮流电厂,机组参与潮流调节,同样使得机组经常在偏离设计工况的区域运行,振动加剧,产生气蚀破坏。根据黄河中下游多泥沙水电站尤其是三门峡水力发电厂运行的实际情况,万家寨水电站水轮机采取了优化水库泄流排沙设计、合理选择有关参数、优化水力设计和结构设计、采用优质母材和抗磨材料、避开机组振动区域运行等主要措施,以增加水轮机的抗磨蚀性能。二、优化水库排水产沙量，降低机械含沙量1.坝前库底高程和引黄取水口大坝左侧5～10号坝段的8个泄洪底孔进口底坎高程为915.0m(蓄水前坝前库底高程为899.0m),比机组进水口低17m,比引黄取水口低37m,在库水位970m(水库最高洪水位)时,单孔泄量为660m3/s。泄洪底孔能够排走水库中大量泥沙,有效控制泥沙主流,减少过机含沙量,维持有效库容。2.排沙孔调节泥沙过机在大坝右侧13～17号坝段设置5个电站坝段排沙孔,其位置在机组进水口左下侧912.0m高程处(其中5、6号机组共用1孔),主要控制直径大于0.05mm的有害颗粒泥沙过机。在水库最低运用水位952.0m高程时,其孔泄流量为60m3/s。排沙孔能将有害颗粒泥沙排至下游,减少有害颗粒过机;同时也可以排走水库右侧大量泥沙,有效防止机组检修时进水口下部泥沙淤积。根据三门峡、龚嘴等电厂的运行经验,电站坝段排沙孔排走的有害颗粒泥沙应为机组的10倍左右,可大大改善水轮机的运行条件,减轻对水轮机的磨蚀。三、合理选择机械零件，减少磨损影响1.调查资料及分析转轮流道中含沙水流的相对速度是影响水轮机磨损强度的重要因素。根据黄河上多泥沙电站的水轮机运行情况和有关含沙水流磨蚀试验资料,结合本电站运行特点,按照多泥沙河流适当降低水轮机参数水平的原则,参考已建电站的设计运行经验,确定万家寨水轮机的比转速为220m·kW,并使得额定工况下转轮叶片出口相对流速小于38m/s,最小水头、导叶全开工况下,转轮叶片出口相对流速小于34m/s;高含沙量排沙期时段,导叶区最大流速小于20m/s,从而减轻高速含沙水流对水轮机部件的磨蚀。2.水轮机安装高程在含沙水流条件下,气蚀往往提前发生,而且气蚀与磨损的联合作用又将进一步加重水轮机的磨蚀损坏程度。本电站按排沙期5台机组运行、1台机组检修来选择水轮机最大吸出高度为-5.0m,即能满足各种可能的运行工况,这时水轮机安装高程应该为895.0m。而实际最终确定的水轮机安装高程为894.5m,实际水轮机允许吸出高度为-3.58m,真机装置气蚀系数与模型临界气蚀系数的比值在含沙水流条件下大于2,在清水条件下大于1.5,使得气蚀有较大的安全余量,保证水轮机能在高含沙水流条件下更有效地抗气蚀磨损,长期高效运行。3.调峰机运行工况水轮机运行工况直接影响着水轮机的磨蚀程度。合理选择水轮机设计水头,使水轮机在汛期也能有相对较好的运行工况,可以大大降低磨蚀对机组的影响。万家寨水利枢纽采用“蓄清排浑”的运用方式,电站每年8、9两个月为排沙期,水库从防洪限制水位966.0m高程下降到957.0～952.0m高程之间,水轮机在低水头50～55m、含沙水流条件下担任调峰运行;其余的水轮机正常运行时段,水轮机在较高水头68～75m基本上是在清水条件下担任峰荷运行。兼顾上述两种运行工况,使水轮机尽可能少偏离最优工况区,既能多发电量,又可减轻磨损。经计算和比较,水轮机设计水头最终确定为68m。四、优化设计和结构设计，提高水压工艺性能1.重水机关水力设计在水轮机模型试验中,对转轮运行范围及尾水管肘管进行了深入的研究与分析,进行了水轮机模型的清水和浑水的能量与气蚀对比试验、清水流迹和浑水磨痕试验与修型以及流场压力分布测定,经过多次试验,不断改进转轮(包括叶片型线和叶片数量)及导水机构等过流部件的水力设计,并采用目前国际上最先进的CFD技术(ComputerFieldDynamic——计算机流体动力学计算,又称计算机流体仿真计算),对速度场和压力场进行了计算和优化,对各部件之间的流动干扰进行了分析,最大限度地减少水力损失和空化的发生,从而保证水轮机具有较高的水力性能,较好的气蚀性能和运行稳定性,使选用的转轮及其过流部件适应含沙水流条件,以达到机组水力设计在最优工况。2.提高抗磨蚀能力,减轻设备研磨和磨蚀(1)适当减小转轮出口直径,下环采用零锥角或小锥角。1～4号水轮机转轮进水口直径6.0874m,转轮出水口直径6.1042m;5、6号水轮机转轮进水口直径5.848m,转轮出水口直径5.996m。采用这些结构设计减小了叶片的弯曲度,改进了转轮叶片出水边与下环的连接过渡,使水流顺畅,不产生加速突变、回流和旋涡,改善了水力性能,消除局部气蚀,减轻叶片出水边背面和下环内侧表面的磨蚀损坏,提高了设备本身的抗磨蚀能力。(2)提高水轮机导叶相对高度,并适当加大导叶分布圆直径。保证在一定出力条件下导水机构有足够的过水断面面积,降低导叶出口流速,改善导叶区的流态,减轻导水机构的磨蚀损坏。(3)增加座环、顶盖、底环的刚度,并适当减少导叶上下断面间隙的设计值和制造误差。顶盖和底环抗磨板采用可拆式结构,在导叶处于关闭状态的各间隙部位加装耐磨蚀的止水密封,减轻汛期水轮机停机状态下,导叶间隙射流所引起的磨蚀损坏。(4)提高水轮机过流部件的加工精度,提高翼型表面质量和内部质量,降低其表面粗糙度,也从一定程度上减轻了磨蚀的影响。3.风机体系导叶模型本电站各机组均在水轮机室设有可拆卸的吊环,能在不拆卸发电机的情况下,在水轮机室内整体起吊水轮机顶盖、活动导叶以及底环,并固定在发电机下机架上,从而可以方便地检查及修补水轮机的上下止漏环以及转轮叶片、下环等易磨损部位。五、采用优质母材料和研磨材料1.cr13ni5mo1～4号水轮机转轮为铸焊结构,母材为目前抗磨蚀性能较好的ZG0Cr16Ni5Mo。导叶采用ZG270-500整体铸造。5、6号水轮机转轮为整体铸焊结构,采用ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢材料,导叶采用ZGOCr13Ni4Mo不锈钢整体铸造。2.基层组织不锈钢抗磨蚀1号水轮机转轮由于制造工期等原因没有涂抗磨涂层。2、3号水轮机转轮及导叶的过流表面均涂以具有韧性的以聚氨酯为基底的加入TiNi高硬度微粒所组成的非金属材料耐磨涂层(俗称软涂层);导叶立面堆焊抗磨蚀不锈钢,以堆焊层金属直接接触的方式来密封;导叶端面铺焊G817材料的不锈钢抗磨板。4号水轮机转轮采用环氧金刚砂抗磨涂层,并在其中4个叶片的环氧金刚砂涂层上,又涂了一层软涂层,以试验软涂层在环氧金刚砂上的黏结能力。5、6号水轮机转轮及叶片正压与负压侧、下环、转轮上冠与下环止漏环、导叶过流面、导叶上下断面、立面封水面和部分导叶轴颈等过流面和易磨损部位均喷涂碳化钨抗磨蚀层(硬涂层);固定导叶与上下环板之间的根部在现场喷涂软涂层。从目前运行来看,环氧金刚砂抗磨涂层要优于其他两种涂层。六、抗磨蚀措施主要解决c根据水轮机特性,两制造厂家对机组运行给出了一定的条件,要求机组在相应水头允许出力的40%～100%范围内运行,这种工况能保证水轮机稳定运行,其中包括尾水管压力脉动、顶盖垂直振动、水导轴承的摆度以及噪声。在相应水头允许出力的40%以下运行,属于机组振动区域,机组振动剧烈,水轮机磨蚀加大,对机组各零部件造成较大的损害。针对这种情况,本电站主要根据水库来水情况向山西、内蒙古两电网调度申请合理的负荷,使得网调分配的