大盈江水電站（四級）水輪機防磨蝕措施探討

劉韶春，熊建平，陳梁年

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大盈江水電站（四級）水輪機防磨蝕措施探討

劉韶春，熊建平，陳梁年

（東芝水電設備（杭州）有限公司，杭州310016）

大盈江水電站(四級)原安裝4臺高水頭、高轉速混流式機組，由于電站含沙量較大，為減輕水輪機磨損，初期設計時從水力和結構兩方面采取了必要的防磨蝕措施，如：選用長短葉片轉輪、較低轉速、確保充足空化裕量；采用轉輪下拆方式、非接觸式主軸密封、抗磨蝕材料等。后因實際過機含沙量過大，且泥沙粒徑大、硬度高，主要過流部件出現了不同程度磨損。經研討分析，采取了一系列優化改善措施，如修建沉沙池、水輪機設計優化、局部過流表面熱噴涂等。取得明顯成效，延長了大修周期，增加了發電效益。本文就此進行了總結和探討。

水電站；水力發電；混流式機組；高水頭水輪機；防磨蝕

0 前言

大盈江水電站（四級）位于云南省德宏州盈江縣境內的大盈江下游河段，是大盈江上在中國境內規劃的最后一個梯級電站，電站采用引水式開發，徑流發電，主要水工建筑物包括首部樞紐、引水系統、調壓井和廠區樞紐。

電站裝有5臺單機容量為175MW的混流式水輪發電機組，分兩期建設，一期四臺機組于2009年4月～8月先后建成投產，二期新增一臺機組于2013年8月投產發電，5臺機組由東芝水電設計、供貨。機組最大水頭331m，額定水頭289m，最小水頭285m，轉輪直徑1=3.8m，額定轉速300r/min。多年平均含沙量0.427kg/m3。

1 水輪機防磨蝕設計

防磨蝕及其相關維護工作的間隔和復雜性取決于實際過機泥沙量及其它一系列機組防泥沙磨蝕措施。針對大盈江水電站（四級）運行條件和運行工況，水輪機防磨蝕設計主要從水力與結構兩方面進行考慮。

1.1 水力選型設計

本電站為高水頭、高轉速、大容量混流式機組。考慮該電站含沙量大的特點，在水力選型設計中采取了以下必要的防磨蝕措施：

（1）選用空化性能優秀，水力穩定性高的長短葉片轉輪；

（2）利用計算流體動力學數值求解（CFD）技術進行轉輪內流態分析，確保流態分布均勻；

（3）不追求過高的能量指標，選用較低轉速，以降低水輪機過流部件的流速，減少泥沙對水輪機過流部件的磨損；

（4）選擇適當的安裝高程，確保充足的空化安全裕量。推薦用于本電站的長短葉片轉輪具有非常優秀的空化特性。可以確保電站在任何可能的運行工況下都不發生空化現象，避免空化、磨損聯合作用；

（5）導葉型線變化平緩，低流速區寬廣，有效降低導葉自身磨損及可能導致的導葉軸承內磨損，頂蓋、底環磨損。

1.2 水輪機結構設計

考慮電站含沙量較大的特點，為方便后期檢修維護，水輪機結構設計時采取了以下防磨蝕措施：

（1）水輪機轉輪采用下拆方式，可在不拆卸發電機的情況下拆出轉輪進行維修或更換，實現轉輪從尾水管錐管側進行拆裝的需要，縮短停機檢修時間；

（2）重要過流部件采用抗磨蝕不銹鋼材質；

（3）采用防磨蝕的結構設計；

（4）采用方便檢修、維護的設計。

1.2.1 轉輪

轉輪采用長短葉片結構。葉片、上冠、下環均采用抗磨性能和焊接性能良好的馬氏體不銹鋼材質鑄造，采用VOD精煉工藝。葉片采用數控加工，表面拋光，保證葉片型線與模型完全相似。上冠、下環設置的止漏環直接在轉輪上加工成型。

1.2.2 導水機構

導水機構設計充分考慮了電站安裝、檢修方便，防磨蝕。

（1）頂蓋采用焊接結構，與導葉端面相鄰處過流面鋪焊不銹鋼抗磨層，設有可更換不銹鋼固定止漏環。設足夠加強筋，保證足夠強度和剛度，以減小因可能變形而導致導葉與頂蓋端面間隙變化而產生的泥沙磨損；

（2）底環采用焊接結構，與導葉端面相鄰處過流面鋪焊不銹鋼抗磨層；

基礎環采用焊接結構，設有可更換不銹鋼固定止漏環；

（3）導葉采用抗磨蝕不銹鋼電渣熔鑄，三支點軸承結構，軸承采用銅基自潤滑復合材料。導葉軸頸設有密封，能防泥沙。每個導葉都經過精密加工，精確地安裝以確保全關位置密合良好，從而減小漏水量，減緩泥沙磨損。

1.2.3 主軸密封

主軸密封采用“轉輪泵板+主軸迷宮式非接觸間隙密封”方式，機組運轉時，由于轉輪泵板作用，主軸迷宮式密封側水壓基本為零，密封漏水量很小，甚至不漏水，可有效防止含沙水流和雜質進入主軸密封。

主軸密封不需水冷卻或潤滑，無需定時維修，且無磨損，不需定期更換，維護十分方便，適用于高水頭、高轉速機組。

現經多年運行證明，水輪機在實際運行時，主軸密封無水泄漏，頂蓋上處于無水狀態，密封效果非常良好。該結構在大盈江水電站（四級）的成功應用表明，該密封結構效果好、壽命長，特別適用于多泥沙河流電站。

2 水輪機磨蝕情況

電站自2009年4月首臺機組投產發電以后，一期機組導水機構、轉輪等主要過流部件出現了不同程度的磨損。以下以首次發現磨損的3F、4F機為例，對磨蝕情況進行介紹。

3F、4F機組運行一個汛期后，發現機組開機時進水球閥無法正常平壓。2009年12月，拆開機組進行檢修，發現導葉、底環、頂蓋及轉輪出現磨蝕，磨蝕情況如下：

（1）頂蓋、上固定止漏環

兩臺機組頂蓋抗磨板、部分中軸套遭到破壞，過流面最大破壞深度達到50～60mm。

上固定梳齒止漏環較完好，與上冠外圓配合處可更換固定止漏環已大部分脫落。

（2）底環

兩臺機組底環抗磨板、下軸套全部遭到破壞，底環過流表面破壞程度極其嚴重，平均破壞深度達40mm，最大破壞深度達60～70mm。

（3）導葉

兩臺機組共計48只導葉，軸頸處全遭到破壞，導葉流水面、上下端面流水面有較小的磨損痕跡。

（4）轉輪

兩臺機組轉輪上、下止漏環處，單邊磨損最深15mm，下止漏環徑向磨出深15mm、寬30mm環形深溝，上、下止漏環上端面磨損嚴重，葉片進口頭部磨損嚴重。

（5）基礎環止漏環

兩臺機組基礎環止漏環均有磨損，密封配合面有一圈凹槽。

上述各部件磨損照片分別如圖1（a）~（f）所示。

（a） 頂蓋過流面

（b） 頂蓋止漏環

（c） 底環過流面

（d） 導葉軸頸

（e） 長葉片進水邊根部

（f） 基礎環止漏環

圖1 過流部件磨損照片

3 磨蝕原因調查分析

電站所處大盈江中下游流域新構造活動極為強烈，河床相對狹窄，受洪水沖刷影響，塌岸現象比較常見。流域上游形成的沙石通過水流，被帶入河槽，流域基本身也屬地質災害多發地區，其形成的沙石通過水流的沖刷被帶入河槽，水土流失嚴重，致使大盈江產沙較多，為多泥沙河流。

根據電站上游水文站1980年~2001年共22a泥沙資料顯示，多年平均含沙量0.427kg/m3。

電站首部樞紐壩軸線距離上游大盈江水電站（三級）尾水僅740m左右，大壩下游100m左右的左側河岸已屬緬甸，大壩無下移建造的可能，導致水庫庫容小，調節庫容僅有3.58萬m3，不能起到有效調沙作用。且該段河谷相對狹窄，布置防沙沉沙建筑工程量巨大，費用高，原輸水系統未考慮布置沉沙排沙設施。導致上游泥沙隨水流直接進入引水隧道，最終進入水輪機，直接或間接對水輪機過流部件造成磨損，影響機組使用壽命及機組的安全運行。

電站投運并發生水輪機磨蝕后，經調查確認壩址來水最大的汛期(6~7月)含沙量實際最高達到15.216kg/m3。

經多方面調查及研討分析，各方一致認為，不論是從磨損的形態還是機理，根據經驗判定，造成水輪機磨蝕的主要原因是過機泥沙含量過大，遠遠超過原合同給定數值，且泥沙粒徑大、硬度高，硬礦物較多。

4 優化改善措施及效果

經綜合研討分析，要徹底解決水輪機磨蝕問題，其根本在于控制過機泥沙量，鑒于現狀，考慮有必要建造沉沙池，另外還可進一步采取其他優化改善措施，包括導水機構過流部位材料及密封改善、導水機構過流部位及轉輪進出口熱噴涂等措施。以盡可能延長導水機構、轉輪等的使用壽命。

4.1 優化改善措施

4.1.1 修建沉沙池

機組出現磨蝕后，經研討得出，過機水流含沙量較大且泥沙硬度過高是導致機組磨蝕的主要原因，要從根本上解決泥沙對機組的磨損，關鍵在于減少過機泥沙含量。

為此，業主和設計院提出在輸水發電系統增設沉沙池的方案，以降低機組過機含沙量。在距發電引水洞約3km位置增設了一個總容積約為230萬m3的沉沙池，不定期排沙，目前是每年4月份沖沙一次。

4.1.2 水輪機設計優化

水輪機檢修以最大限度地延緩導水機構、轉輪等過流部件的使用壽命為前提，采取了如下優化改善措施：

（1）頂蓋、底環過流板、止漏環采用抗磨性能優良的不銹鋼材質；

（2）導葉端面密封采用金屬密封方式，軸頭密封采用特制的進口聚胺脂材料；

（3）密封間隙適當減小，減緩間隙磨損可能性；

（4）采用特殊結構導葉，有效減緩泥沙磨蝕，延長導葉使用壽命；

（5）過流部件局部過流面熱噴涂。對頂蓋、底環、活動導葉、轉輪等過流部件，實施熱噴涂，噴涂范圍詳見圖2所示陰影部分。

圖2 過流部件熱噴涂范圍

4.2 優化改善后效果

4.2.1 修建沉沙池效果

2013年4月，沉沙池投入運行。沉沙池投運后，汛期過機泥沙含量明顯下降，泥沙粒徑大于0.25mm的基本沉降于沉沙池，過機泥沙粒徑基本在0.2mm以下，詳見表1。

表1 沉沙池投運后汛期上下游含沙量和級配

同年10月，對2F機組過流部件進行了檢查，轉輪和導葉整體基本完好無損，僅長葉片、短葉片進水側底部、底環的軸套邊緣和轉輪下環等處有輕微磨損。

由此證明，沉沙池沉沙效果顯著，沉沙作用明顯，有效降低了過機含沙量，減少了泥沙對機組的磨損。

4.2.2 水輪機防磨蝕措施效果

2011年11月，拆開2F機檢查，發現經過一個汛期后導葉、轉輪過流面基本完好，如圖3所示，可見采取以上防磨蝕措施后抗磨蝕效果已取得一定成效。

圖3 經過一個汛期后2F機活動導葉、轉輪

鑒于2F機所取得的初步成效，在后續機組修復時，采用了2F機相同的防磨蝕措施。

5 防磨蝕措施探討

結合大盈江水電站（四級）所采取的一系列防磨蝕措施及所取得的效果，我們認為以下水輪機防磨蝕措施值得探討和供類似機組今后參考。

5.1 過機泥沙控制及水力設計

對于高水頭、高轉速、多泥沙電站，上游沉沙排沙設施的設置非常有必要，可大大減少過機含沙量、減小沙粒直徑，是有效防止泥沙磨蝕的根本措施。當然水力設計也是至關重要的，選擇一個優秀的模型轉輪，對于水輪機防磨蝕的作用也是不可忽視的。

5.2 導葉端面密封及間隙設置

總結高水頭電站運行經驗，導葉端面密封宜采用金屬剛性密封，并適當減小導葉端面間隙，可減小端面間隙處通過的泥沙數量及粒徑，有效防磨蝕。

5.3 過流面熱噴涂

大盈江水電站（四級）大修時，主要對如圖2所示的轉輪葉片進出水邊、上下止漏環表面；導葉翼型瓣體表面、上下端面；頂蓋、底環過流面等部位進行了熱噴涂，現經實際運行證明，實施了熱噴涂并采取了上述防磨蝕措施后的機組，使用壽命可延長3~5年左右，防磨蝕作用明顯。過流面熱噴涂技術，今后在類似機組可參考使用。

6 結語

大盈江水電站(四級)為高水頭、高轉速、多泥沙電站。

（1）在初期水力設計和結構設計時，已采取了防磨蝕的水輪機設計，例如選擇合理的水力參數、采用抗磨蝕性能優秀的長短葉片轉輪、采用轉輪下拆方式、采用泵板+迷宮式非接觸間隙密封、過流部位采用抗磨蝕不銹鋼材質等，從實際運行效果來看，這些措施起到了較好的效果，有效減緩了磨損、延長了檢修周期。

（2）輪機磨蝕問題從發現至今已近七年，經過進一步采取修建沉沙池、水輪機優化改善等防磨蝕措施，從起初的轉輪、導水機構過一個汛期更換一套，到目前檢修后運行時間最長的一臺2F機組已經安全度過五個汛期，確實取得了明顯成效。

（3）水輪機磨蝕是個復雜的過程，防泥沙磨蝕是個需要綜合考慮的系統工程，唯有多策并舉才能取得成效。

本文就大盈江水電站（四級）采取的相關措施及效果進行了總結和探討，希望能給同行和其他類似電站參考、借鑒。在此一并感謝為本文提供參考資料和數據的電廠相關人員。

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Discussion about the Anti-abrasion Measures of the Turbines for Dayingjiang Hydropower Station(Stage Ⅳ)

LIU Shaochun, XIONG Jianping, CHEN Liangnian

(Toshiba Hydro Power(Hangzhou)Co., Ltd., Hangzhou 310016, China)

Dayingjiang hydropower station(Stage Ⅳ) original equipped with four Francis units of high head and high speed. Because the sediment concentrations of the hydropower station water flow is very high, in order to reduce the sediment erosion of turbine, necessary anti-abrasion measures from two aspects of hydraulic and structure have been taken during the original design stage, such as splitter blades runner, lower speed, sufficient cavitation margin, dismantling-from-below type of runner, on-contact main shaft seal and anti-abrasion material and so on. Later because the actual sediment concentrations through the turbine was too high and the sand with large size and high hardness. The main flow-through parts appeared varying degrees abrasion. A series of optimization and improvement measures were taken after discussion and analysis, such as building sediment pool, turbine design optimization, part flow-passing surface thermal spraying etc. It has achieved remarkable results, extended the overhaul period and increased the hydropower generation benefits. This paper summarizes and discusses this and hope it can give a reference for other counterparts and similar hydropower station on the river with large sediment concentrations.

hydropower station;hydropower generation;Francis units; high head turbine; anti-abrasion

TM622

A

1000-3983(2017)04-0052-05

2016-10-26

劉韶春（1978-），2001年7月畢業于南昌工程學院機電系水電站動力設備專業，2017年取得浙江大學建筑工程學院水利工程工程碩士，現從事水輪機水力設計工作，工程師。