用于混流式水輪機轉輪與導葉的防護涂層

[挪威]O.G.達赫豪格 P.E.斯卡勒 V.莫辛 A.古鐵雷斯

范春生 編譯自英刊《水電與大壩》2010年第2期

亞洲的喜馬拉雅山地區和南美的安第斯山(Andes)地區是世界上水電儲量最大的2個地區,同時也是發電設備受泥沙磨損最嚴重的地區。

水輪機制造商一直在致力于開發適合于水輪機抗沖蝕磨損的新型材料和涂料,其中,最成功的方案之一是采用一種碳化鎢作涂層。目前,混流式水輪機涂層一般用于頂蓋、導葉和一些轉輪的局部,要在整個混流式水輪機轉輪上加涂層一直是困難的,因為受到空間的限制,使得涂層施加設備難以操作。

作為斯特卡福(Statkraft)集團的一個組成部分,SN動力公司在挪威具有100多年的投資、建設和運行水電站的強大的工業基礎,其中,SN動力公司擁有的一些水電站在雨季承受著巨大的輸沙量,而且,該公司一直與技術開發商密切合作,尋找維護方案以便能使水輪機的泥沙磨損降到最小。

戴納伐克(Dyna Vec)是一家于2007年成立的附屬于挪威科技大學(Norwegian University of Science and Technology)的公司。該公司已開發出了一種全新的抗沖蝕磨損的處理方法,可將涂層添加到整個轉輪葉片的表面。

這種新技術已用于佩魯(Peru)的加華(Cahua)水電站的一臺轉輪上。該電站屬于 SN動力公司,裝有2臺22 MW的混流式機組,水頭為215 m。水輪機泥沙磨損嚴重,水流的最大含沙量達20g/L,泥沙中含有大約 30%的石英砂和 30%的長石砂。通過水輪機的最大泥沙量為240kg/s,且 60%的泥沙材料硬于水輪機的基材。

加涂層后的新轉輪和導葉安裝于2009年 3月。2009年雨季進行了效率試驗和機組的直觀檢查。試驗結果介紹如下。

1 加華水電站

加華水電站屬于 SN動力公司所有,是一座徑流式水電站,上游距佩蒂菲卡(Pativilca)河口 60km,位于利馬(Lima)北約200km。電站于1967年投產,裝機容量為 42 MW,安裝有2臺混流式水輪機組,機組設備由瑞發(Riva)公司交付。該河流含有大量的泥沙,因而不得不每年進行水輪機維修,每年平均檢修20d。

作為每年維修的一部分,必須將轉輪、導葉和頂蓋吊開以后進行檢修。原水輪機設計為在高石英砂和長石砂含量最大為 3 g/L、過機泥沙量最大為 36 kg/s的水流環境下運行。

2009年 3月安裝的由戴納伐克公司設計和生產的新轉輪和導葉現一直運行在最大含沙量為20g/L、相應的過機泥沙量為240kg/s的環境中。

2 水輪機設計

從設計上來看,該水輪機同其他混流式水輪機相比并無明顯差別,然而,其制造技術明顯不同于現代混流式水輪機的設計。戴納伐克公司已研制了一種混流式轉輪,該轉輪是用螺栓連接在一起,而不是焊接在一起。這種連接方法已申請專利,而且已經在幾臺水輪機上進行過試驗。該轉輪在車間組裝期間是將葉片先單獨涂漆,然后再安裝到轉輪輪轂上并被保護起來,水輪機轉輪組合件及加華混流式水輪機部件示意見圖1。該制造技術要求在涂漆過程中必須具有高精度的計算機數字控制(CNC)加工設備和控制環境。

圖1 加華水電站水輪機部件

加華水電站混流式水輪機的高速水流過流面已加涂層。一種碳化鎢涂料被涂到導葉、頂蓋、底環和轉輪上,涂層的最大厚度為0.3mm。

3 泥沙量和含沙量

加華水電站泥沙收集系統示于圖2。該系統運行良好,含沙量由人工泥沙取樣器進行測量。將泥沙取樣器收集的水樣進行過濾,然后將沙送入烘箱烘干,便可得到含沙量。試驗期間,每 30min測量一次。

圖2 帶沉沙池的加華水電站進水口

該水輪機于2009年 3月12日在當地季風季節的末期安裝完畢。試驗期間的前5周,水流含沙量較高,具體數據見圖 3。試驗期間,通過水輪機的泥沙量分布狀況見圖 4。在試驗期間,測出的最大含沙量超過了25g/L。

圖3 2009年的平均含沙量

圖4 2009年測出的泥沙量

原水輪機設計運行最大含沙量為 3g/L,而實際上戴納伐克公司設計的水輪機運行的最大含沙量為20g/L。相應地,原水輪機和新的戴納伐克公司設計的水輪機運行的過機泥沙量分別為 36kg/s和240kg/s。

4 泥沙磨損

盡管水電站裝配有附加的水輪機部件以減少磨損,但原水輪機的泥沙磨損仍要求每年按時進行修復,且每年要消耗相當的成本。修復工作包括焊接、打磨及每個部件的加工處理。

表1所示為 4個季風季節的泥沙量統計情況。新的未涂漆的水輪機能承受的最大泥沙量為12～14萬 t。如果泥沙量增大,該未加涂層的水輪機部件被腐蝕的程度,僅相當于采用焊接、打磨等工藝不能修復的情況。戴納伐克公司相信:加華水電站涂漆后的水輪機能應付2倍多的泥沙量而不用維修。

表1 加華水電站泥沙量統計

原水輪機轉輪受泥沙磨損和汽蝕的雙重影響,汽蝕一般發生在嚴重磨損的區域,且反過來又使得磨損程度加劇。在原水輪機中,汽蝕通常是發生在轉輪進口葉片的負壓側。在葉片出口和轉輪外徑處,轉輪腐蝕程度也很嚴重。在轉輪迷宮環周圍,滲漏水同樣也會引起腐蝕。

新轉輪葉片表面沒有任何可見的腐蝕點,但涂層厚度已減少到不到 30%,且在轉輪外徑的一個尖角處,仍有一些腐蝕點,這些點的涂層已脫落,可見已明顯腐蝕。在轉輪葉片靠近輪轂及下環的迎水邊和出水邊的地方,因為葉片與輪轂和下環接縫處存在尖角,也是很容易被腐蝕的。

原來的導葉腐蝕很嚴重,相反,加了涂層后的導葉表面無任何可見的腐蝕點。加了涂層后的導葉上出現的唯一的腐蝕點位于導葉軸與頂蓋連接的尖角處,在該位置,有少量的小面積的涂層已經脫落。

戴納伐克公司已探索出了新的工程解決方案以對付水輪機轉輪和導葉上那些眾所周知的敏感點。這些新方法將在交付到加華水電站的下一臺水輪機上被采用。

來自尼泊爾奇姆魯克(Jhimruk)水電站的經驗表明,50%的效率損耗來自迷宮密封。由此,加華水電站將對迷宮進行改進,以方便對整個迷宮進行涂層施工,這意味著必須去掉尖角部位。其難點在于要找到一種既能起到迷宮作用、又能方便涂層施工的幾何結構。

5 水輪機效率

按照國際電工技術委員會(IEC41)的要求,進行了熱力學法效率試驗。試驗時,采用進口安裝的溫度測點進行了溫度測量。輸水隧道和壓力井的長度足以保證水輪機進口斷面的溫度是相同的。在出口處,對通過尾水管出口斷面上的2個高程 8個點進行了溫度測量。實際上,是將 8個點的水通過管道導入到一個混水罐中,通過安裝于混水罐上的溫度探頭進行測量。水輪機進口的壓力測量與溫度測量一樣,取自蝸殼進口斷面。出口壓力是通過測量尾水管出口水位來測量,上迷宮滲漏水被引入尾水管,因而,不測量滲漏水。該試驗的不確定度為+0.96%。

分別在2009年 3月13日和 6月 8日進行了2次效率試驗。試驗結果表明,2次試驗在高負荷時的效率相差不到1%,而在低負荷時,效率損失約為2%,其結果見圖5。這一效率損失主要是由固定導葉的腐蝕和水輪機轉輪葉片迎水邊和出水邊的腐蝕所引起的。

圖5 加華水電站的效率試驗

尼泊爾奇魯克電站相似的效率試驗表明,僅僅在 6700t的泥沙情況下,效率損失就達 8%。奇魯克電站安裝的是一臺4.2MW的混流式水輪機,其導葉和轉輪均未涂漆,已被完全磨穿。該電站的效率試驗結果見圖 6。

圖6 奇魯克水電站的效率試驗

圖7 2009年的發電量

6 發電量

原水輪機在高含沙量期間是不運行的。圖7所示為涂漆和未涂漆的水輪機所發的電量。未涂漆的水輪機所發的電量是從因水流高含沙量而停機時開始計算的,從2009年 3月13日到 6月 9日,2臺水輪機的發電量之差為13.1GW?h。由此推斷,如果涂漆后的水輪機在整個季風季節一直運行,則增加的電量可能會超過26GW?h。

7 結 論

根據計算,加華水電站加涂層后的水輪機可將發電量增加到13.1GW?h。與相同時間未涂漆的水輪機相比,可增加發電量50%,期間,泥沙量為13.1萬 t,運行期間最大含沙量為20g/L。

如果涂層后,試驗期間,在整個負荷范圍內,效率降低不到1%,在轉輪、導葉和頂蓋上大的表面也無明顯可見的腐蝕點,磨掉的涂層厚度不到 30%,那么在一些涂層脫落的地方,將補加一點新涂料。現正在生產一臺新轉輪,在新轉輪上將對腐蝕敏感的地方進行修改。這臺新改進后的轉輪于2010年2月安裝在加華水電站。

水輪機新涂層的使用可以增加水輪機的發電量,同時也可為腐蝕嚴重的其他地區的水輪機組提供成功復制的機會。