紅山嘴電廠水輪機綜合抗磨蝕研究

（新疆天富能源股份有限公司紅山嘴電廠，石河子市，832204） 劉志剛

水輪機泥沙磨蝕問題是一個世界性的難題，目前國際上尚沒有好的解決辦法。據不完全統計，目前我國水電裝機總容量突破1億KW，其中約有40%水電站的水輪機的過流部件都遭受不同程度的泥沙磨蝕破壞，導致水輪機出力不足、使用壽命縮短、運行效率下降、大修周期縮短。水輪機磨蝕成為制約水電廠經濟效益和安全穩定運行的重要因素。

1 紅山嘴電廠水輪機磨蝕狀況

紅山嘴電廠 二、三、四、五級電站建設于20世紀六、七十年代，電站選擇的HL123、HL702、HL263轉輪均為我國目前已淘汰的老型號轉輪，轉輪效率最高達到80%，轉輪抗氣蝕性能差。紅山嘴電廠梯級電站引瑪納斯河水發電，瑪納斯河是一條多沙河流，且沙粒主要為硬度較大的石英砂，瑪河上游無調節水庫，泥沙全部通過水輪機過流部件。氣蝕和磨蝕的雙重作用造成紅山嘴電廠水輪機過流部件的磨蝕異常嚴重，豐水期停機補焊過流部件頻繁，且大修工作量，大修成本加高。其中磨蝕最嚴重的三級電站，豐水期過流部件不補焊，機組無法正常運行，機組一年一大修，遠遠超出國家規定5～6年一大修的標準。三級電站過流部件磨蝕狀況見表1。

2 水輪機抗磨蝕綜合技術研究

多年來為解決水輪機磨蝕問題，紅山嘴電廠投入了大量人力、物力。通過有關專家分析論證，技術人員研究試驗，并根據多年運行、檢修積累的豐富經驗 ，歷經了上百次的失敗教訓，終于找到了一些水輪發電機抗磨蝕的治理之路，使紅山嘴水電廠的水輪發電機的抗磨蝕能力有了很大的提高。

2.1 過流部件噴涂抗磨噴涂材料

紅山嘴電廠從70年代末就開始嘗試水輪機過流部件的抗磨蝕處理，等離子噴涂、低溫鍍鐵、熱噴涂等各種新型的軟、硬抗磨材料都使用過，90年代對水輪機葉片、導葉、座環、渦殼、進行抗磨蝕處理，但水輪機過流部件的磨損和汽蝕還是沒有得到根本解決。

表1 三級電站過流部件磨蝕狀況

進入21世紀，先后同上海中美司太立公司應用超音速噴涂技術，對轉輪易磨損部位進行進口耐磨材料鎳基碳化鉻X3007噴涂試驗；應用黃河水利科學院研制的聚氨酯，對轉輪易磨部位進行噴刷試驗；與甘肅工業大學合作采用高速氧燃料金屬噴焊法，進行轉輪葉片噴焊。目前大修期均采用甘肅工業大學氧乙炔噴熔轉輪噴焊法，對轉輪葉片進行噴焊，取得一定成果。

針對四、五級電站機組蝸殼、座環等部件水下過流部件已運行50多年，銹蝕、磨蝕嚴重，漏水嚴重的現狀，廠于2002年開始對四級電站2號機蝸殼、座環進行了環氧金剛砂涂抹，經一個洪水期試驗，其效果較為理想。并逐步在四、五級電站其他機組進行推廣，目前四、五級電站座環、蝸殼還能夠維持正常運行。

2.2 優化水輪機轉輪設計，提高水輪機的抗磨蝕能力

研究轉輪葉形形狀的改型設計、轉輪葉片數量的優化設計、轉輪材質的選擇以及水輪機轉速與機組抗磨蝕能力的關系。與國內科研院所合作，根據各梯級電站的水能條件、泥沙含量、水量變化和地形條件，為各電站研發與電站工程參數相匹配的轉輪，從轉輪的優化設計上解決電站運行過程中抗磨蝕性能差、運行穩定性低的主要問題。

轉輪葉片選用X型葉片代替L型葉片，改善非設計工況下的運行穩定性，降低空化系數，增強機組抗磨蝕和氣蝕能力；根據葉片氣蝕和磨蝕狀況，優化葉型設計，減輕過流部件的磨蝕；選用優質新型材料，改變轉輪葉片數量，提高轉輪的剛度、強度和減輕重量；通過降低水輪機的轉速，提高水輪機抗磨蝕能力。北京水科院借鑒國內、外水輪機設計先進經驗，利用計算機三維設計，完成紅山嘴電廠3種水頭，4種轉輪的優化設計，機組效率達到93%以上，過流部件抗磨蝕效果優良。各電站機組轉輪改型前、后主要技術參數見表2。

2.3 優化機組運行方式

水輪機運行性能的好壞，除與水輪機的設計、制造、安裝、檢修等多方面的質量和技術水平有關外，還與水輪機、水電站的運行方式和經營管理水平有重要的關系。紅山嘴電廠根據水輪機運行特性，結合瑪納斯河高含沙量和季節性較強的特點，研究水輪機在不同季節、不同流量和不同泥沙狀況下，5座梯級電站聯合高效運行方式，重點研究通過合理控制機組開度，使各梯級電站機組在泥沙和水量變化情況下，機組能夠在水輪機高效率區穩定運行，減輕機組磨蝕。根據瑪納斯河水量、泥沙變化，各電站機組不同季節控制不同的開度范圍，使機組不同季節都在高效率區運行，提高機組運行穩定性。洪峰前（5月份）機組在額定出力以內運行；洪峰中（6月中旬～8月底）河水泥沙含量高，限制機組在80%～90%出力運行；洪峰后（9月份～11月）逐步放開機組開度，機組適當超額定出力。豐水期通過控制機組開度，各電站機組負荷限制情況表見表3。

表2 各電站機組轉輪改型前、后主要技術參數

表3 豐水期通過控制機組開度各電站機組負荷限制情況表

3 結論

紅山嘴電廠作為多泥沙河流典型的梯級徑流式電站，通過多年的摸索與實踐，通過過流部件噴涂新型抗磨材料、轉輪的優化設計和優化機組運行方式聯合應用的方式，降低了水輪機過流部件的抗磨蝕能力，為多泥沙電站解決磨蝕和氣蝕能力提供的寶貴的經驗。