多泥沙河流引水式電站過機泥沙對水輪機磨蝕的影響研究

白俊嶺，丁兆亮

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222）

某引水式電站位于我國西北地區， 水電站由攔河引水樞紐、引水渠道、壓力前池、壓力管道、電站廠房、 尾水渠等組成。 設計引水流量140m3/s， 水頭100.8m，裝機容量124MW，屬于Ⅲ等中型工程，地震設防烈度7度。

1 電站概況

水電站位于托什干河左岸， 電站總裝機容量124MW，單機容量31MW，設計引水流量140m3/s，年利用小時數4022h。

1.1 電站水頭

最大凈水頭105.8m；最小凈水頭100.8m；加權平均凈水頭101.8m；額定水頭100.8m；裝機臺數4臺。

1.2 水輪機參數

水輪機轉輪直徑2.05m；額定轉速333.3r/min；額定流量Qr；34.65m3/s；額定出力31.8MW；額定工況點效率93.6%；額定點比轉速186.2m-kW；額定點比速系數1869；空化安全系數K=1.4。

2 河道泥沙情況

取水河道為多泥沙河流，汛期河水渾濁，含沙量較大，統計50年實測輸沙量資料，干流河道多年平均輸沙量689.74萬t，最大年輸沙量2391萬t。 多年平均含沙量2.46kg/m3， 年平均含沙量最大6.2kg/m3。6～8三個月水量占年水量的61%， 沙量占年沙量的77%。 日平均最大含沙量17.7kg/m3。

據沙樣顆分成果，懸移質泥沙中值粒徑為0.023mm， 顆粒級配如表1。

表1 懸移質泥沙顆粒級配

3 沉沙池效果

水電站機組的正常運行， 盡量減輕和緩解泥沙對機組的磨蝕，根據DL/T 5107—1999《水電水利工程沉沙池設計規范》 及引水含沙量和泥沙粒徑情況需設置沉沙池。 水電站沉沙池形式為曲線形沉沙池，選定最小沉降粒徑為0.25mm，沉降率為80%～85%。 經沉沙池沉淀后，出池水流年平均含沙量為1.72kg/m3，泥沙顆粒中值粒徑小于0.01mm。 出池泥沙懸移質級配如表2。 出池月均含沙量如表3。

表2 出池泥沙懸移質級配

表3 出池月平均含沙量表

續表3

電站經半年運行后， 在沉沙池排沙明渠出口和電站5#機壓力鋼管內取沙樣4個。 因排沙明渠縱坡較大，渠內無泥沙沉積。取樣位置在排沙明渠出口與排洪涵洞直交處的排洪涵洞上游側。現場察看表明，洞內的淤積物為沉沙池排出的泥沙， 泥沙中較細顆粒隨水流排出，并未沉淀下來，淤積物偏粗。 泥沙沉淀的次序是先粗后細，受條件限制取樣位置為表層，偏細。 鋼管取樣為電站5#機壓力鋼管廠前水平段上、中、下游三個位置，均為表層沙樣。 各部位沙樣顆粒級配曲線如圖1。

圖1 沙樣顆粒級配曲線

4 過機泥沙對水輪機磨蝕的分析

電站安裝的是混流式水輪機， 該機型容易磨損的主要部件有轉輪、活動導葉、底環抗磨板及下止漏環，其次是頂蓋抗磨板和主軸密封，磨損的關鍵部位是：①轉輪出水邊下部（正面）靠下環區、下環內表面下部及葉片根部和下止漏環， 以及局部的葉片進水邊下根部（背面）；②活動導葉出水邊及導葉小頭下端面；③底環抗磨板，多在導葉運行位置的大頭內側及小頭下端面區。

參考我國一些水電站泥沙資料和水輪機磨蝕狀況，泥沙粒徑在d<0.05mm時的相對磨蝕強度比較小，當d>0.05mm時水輪機磨蝕就急劇增加， 尤其是0.1～0.5mm粒徑泥沙磨損強度極大，中、高水頭電站應排除0.05mm以上顆粒的泥沙， 才能防止水輪機不正常的磨蝕，電站樞紐的布置及運用，應考慮減少這種有害粒徑進入機組。

根據對國內多泥沙河流若干水電站水輪機泥沙磨損情況的統計分析， 水輪機磨損的嚴重程度與電站水頭 （H） 和過機泥沙粒徑大于0.05mm的含沙量（Sd）的乘積有關，當HSd>7時，水輪機磨蝕較為嚴重；當HSd<7時，水輪機磨蝕不嚴重。

對國內已建部分電站水輪機磨損的研究和分析，采用下列經驗公式估算水輪機的磨損量。

W=KV3Sd0.65T

式中 W為磨損量（cm）；K為系數，取0.558×10-9；V為相對流速（m/s）；T為磨損歷時（h），取8000h。

估算轉輪進口磨損量為2.3mm， 出口磨損量為3.5mm。

機組自3月份開始運行8個月停機檢修， 運行時常約6000h，檢修發現底環抗磨板、轉輪進水邊靠下環處及轉輪葉片背面外沿處、 頂蓋抗磨板局部氣蝕磨損痕跡明顯，局部形成氣蝕磨損坑點，最大深度約3mm，一般1～2mm，基本處于估算范圍，磨蝕情況如圖2，圖3。

圖2 4#機組葉片背面磨損

圖3 4#機組葉片進水邊磨損

驗證可知， 水輪機磨蝕部位和磨損量與設計估算值基本接近。按照現行規范要求，最小沉降粒徑控制為0.25mm。機組已完全經過一個汛期的運行，出力沒有明顯下降，運行狀態良好，汛后并不需要大修，根據目前機組的氣蝕磨損和運行情況分析， 機組大修周期可暫定為2～3年。合理安排大修時間可以保證機組運行安全。

5 優化沉沙池方案與水機抗磨方案的研究

減小水輪機磨蝕從理論上采用降低過機泥沙粒徑和增加水機抗磨措施、增加備品備件都是可行的，以下分列4個方案進行定性研究。方案一采用優化沉沙池，其他方案均不建沉沙池，調整調度運用方式并增加抗磨措施。

5.1 方案一：優化沉沙池方案

若從工程措施上進一步降低磨蝕量，按小于7控制，則需要最小沉降粒徑小于0.075mm，沉降率大于85%。

經比較，采用結構簡單、施工方便、運行管理便利的定期沖洗式沉沙池。沉沙池工作段池長550m，寬200m，工作水深7m，縱坡0.2%，進口池深8.3m，出口池深9.4m，池頂寬度231.6 m，進口底寬202.5 m，出口底寬200.6 m。 沉沙池共分6廂， 左右堤側分廂寬度32m，中間分廂寬度34m。進口段長195m，設進口閘一座，進口閘共分2孔，每孔凈寬5m。 出口段長109m，設出口閘一座，出口段前設溢流堰一道。沉沙池工作段下游設沖沙槽一道，沖沙槽穿堤處設5m×5m沖沙洞。

每次沖洗之前，首先關閉2孔進口閘，打開沖沙閘，將沉沙池內水位降至廂隔墻以下。

整池共分兩次沖洗，每次同時沖洗3廂，沖沙流量為40m3/s，一側3廂沖洗完畢后關閉進口閘門，再打開另一道閘門沖洗另外3廂。 單側沖洗歷時為28.7h，整池全部沖洗時間為57.4h，年平均沖洗5～6。 沖洗時段選在非洪峰過程泥沙含量相對較小時期， 這樣可減少泥沙對水輪機的磨損。

該方案一次性投資增加6175萬元， 不產生運行費，效率不降低，不損失電量。

5.2 方案二：2年大修10年更換方案

備品備件包括一個轉輪（包括抗磨涂層）、一套活動導葉、一套抗磨板。 措施為轉輪、活動導葉均采用碳化鎢抗磨涂層。 運行方式：汛期不停機，大修為2a，第5次大修換轉輪、活動導葉、頂蓋及底環抗磨板。 運行期內水輪機因泥沙磨損，降低效率1.5%。

該方案一次性投入520萬元， 年運行費增加448萬元，降效損失電量1240萬kW·h，無停機損失。

5.3 方案三：3年大修15年更換方案

備品備件為一個轉輪（包括抗磨涂層）、一套活動導葉、一套抗磨板。 措施為轉輪、活動導葉均采用碳化鎢抗磨涂層。 運行方式：汛期停機7d，大修周期為3a，第5次大修換轉輪、活動導葉、頂蓋及底環抗磨板。

該方案一次性投入520萬元， 年運行費增加275萬元，停機損失電量4032萬kW·h。

5.4 方案四：2年大修4年更換方案

備品備件：一個轉輪（包括抗磨涂層）、一套活動導葉、一套抗磨板。措施：轉輪、活動導葉均采用碳化鎢抗磨涂層。 運行方式：汛期不停機，大修周期縮短為2a，第2次大修換轉輪、活動導葉及頂蓋抗磨板。 運行期內水輪機因泥沙磨損，降低效率1.5%。

該方案一次性投入520萬元， 年運行費增加760萬元，降效損失電量1240萬kW·h，無停機損失。

5.5 方案比較

采取不同的運行方案和原方案相比所增加的費用如表4。

表4 不設沉沙四個方案增加費用與設沉沙池費用

由表4可知，定期沖洗式沉池費用凈現值差值最小，方案二與方案一基本相當，其他兩方案經濟性相對較差。 因方案三停機7d，損失電量4032萬kW·h，按電站上網電價0.26元/kW·h計算， 可購買3.5個轉輪，這就是目前許多電站汛期不停機， 汛后采取大修的原因。

根據上述方案比較及經濟分析， 設置沉沙池可以基本解決過機泥沙的問題， 其他方案沒有理論依據，均是分析運管維護得出的結論，可能與實際上有一定差距。從水電站一個汛期的運行驗證來看，機組氣蝕磨損不算很嚴重， 盡管已出現1～3mm的氣蝕坑點，按照方案二運行方式測算，費用凈現值差值略有增加，合理確定大修時間可保證機組運行安全。

6 水輪機磨蝕的應對措施

應對水輪機磨蝕一般從以下幾個方面考慮。

（1）經技術經濟比較后設置防排沙設施，盡量減小過機泥沙粒徑。

（2）在機組選型中，通過機組參數選擇比較和優化，在控制適當的水輪機轉輪出口流速條件下，合理確定水輪機設計參數。

（3）合理確定裝機高程并留有適當裕度（在選定的電站裝機高程再下降1m左右），避免機組投入運行后因空化和磨損聯合作用而加速水輪機的磨蝕。

（4）與機組制造廠家研究相關優化措施，如采用材料并進行工藝上的強化處理或涂層保護， 提高水輪機過流部件的加工精度等。

（5）合理確定大修周期，及時檢修磨蝕部件。

7 結語

在多泥沙的河流上， 由于空蝕與磨損的聯合作用，使水輪機轉輪及通流部件的損傷都十分嚴重，往往成為控制水電站檢修周期的一個重要因素。 如何降低泥沙對水輪機的磨蝕并合理確定檢修周期對電站安全運行和增加效益至關重要。 本文從工程實例出發， 從設計計算到運行驗證闡述了水輪機磨蝕的影響，為類似工程積累了一定經驗。目前對通過水輪機泥沙粒徑的限制看法不盡一致， 研究工作也不十分充分，有待于在日后的工作中不斷完善發展。