新疆夏特水電站水輪機抗磨措施研究

張惠忠，陳一平，楊建明，龐嘉揚，華 紅，曾永忠

(1.中國電建克州新隆能源開發有限公司，新疆 喀什 845450；2.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039)

在多泥沙河流上運行的水輪機，機組過流部件表面受到泥沙磨損破壞，機組穩定性降低、效率下降，并且還會產生振動和噪音，從而導致檢修周期縮短，經濟效益下降。

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。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]。黃河流域中段河流因流經黃土高原，其含沙濃度大，對處于這段流域河段的小浪底水電站泥沙磨損破壞嚴重[2]。1978年汛期后，劉家峽電站水輪機大壩前1.5 km的死庫容被泥沙堆滿，導致實際過機泥沙巨增，過流部件表面泥沙磨蝕破壞加劇[3]。三門峽水電站水輪機長期遭受泥沙磨損破壞，多年平均含沙量為37.6 kg/m3，輸沙量高達16億t，過流部件破壞十分嚴重，機組效率下降10%以上[4]。因此，有效避免和減弱水輪機過流部件的泥沙磨蝕破壞，對電站減少檢修費用及停機帶來的損失，提高水輪機機組運行效率，增加電站綜合效益，具有重大的經濟意義和社會意義[5]。

1 工程概況

夏特水電站工程位于新疆柯爾克孜自治州烏恰縣吾合沙魯鄉的克孜河中游河段上，為克孜河規劃2庫6級開發方案中的第3個梯級。電站位于塔日勒嘎壩址下游約24.5 km處，并從塔日勒嘎電站尾水取水，經引水系統引水到電站廠房發電。電站裝機總容量248 MW，保證出力22.14 MW，多年平均年

發電量8.912億kW·h，年利用小時數為3 594 h。樞紐由引水渠進水閘、引水渠、溢流側堰、進水口前池、發電引水隧洞、調壓井、電站廠房、開關站、廠房尾水渠退水閘等主要建筑物組成。

夏特水電站廠房布置在克孜河與夏特河匯合處上游約1.7 km的山腳，位于克孜河左岸河床邊，為引水式地面廠房。電站按3級建筑物設計，正常運用洪水標準為50年一遇，非常運用洪水標準為200年一遇。電站安裝4臺混流式水輪發電機組，單機容量62 MW，額定水頭250 m，單機引用流量28.2 m3/s，安裝高程1 915.5 m，最大水頭280 m，最小水頭250 m，加權平均水頭261.86 m。

廠區主要建筑物由主廠房、副廠房、安裝場、GIS樓等部分組成。主廠房布置在河床左側岸坡上，主廠房、安裝場按一字布置，安裝場位于主廠房左側，主廠房上游側全線布置副廠房、安裝場上游側布置中控室，GIS樓緊靠副廠房布置在其上游。

2 電站水文泥沙情況

電站所在的克孜河流域先后設有大小水文站十余個，其中具有20年以上長系列的水文站有2個，分別為牙師、卡拉貝利水文站。塔日勒噶壩址位于牙師與卡拉貝利水文站之間。牙師水文站位于烏恰縣烏魯克恰提鄉加斯橋，地理坐標為東經74°26′，北緯39°48′，系塔里木河流域喀什噶爾水系克孜河區域代表站，海拔高程為2 440 m，控制集水面積5 196 km2，觀測項目主要有水位、流量、泥沙、水溫、冰情、降水、蒸發、氣溫、風速、水質、日照等。卡拉貝利水文站位于克孜河出山口處，是克孜河水量控制站，站以上集水面積13 700 km2，控制河長203 km。主要觀測項目有：水位、流量、懸移質輸沙率、水化學、冰情、水面蒸發、降水等。卡拉貝利站流量測驗以流速儀測驗為主，但主要是中、低水為主，當發生大洪水時，因流速儀性能受到限制采用浮標法測流，根據長期在該站工作的測驗人員介紹，浮標系數一般在0.75～0.8之間，多為0.8。

2.1 電站泥沙形成及輸沙能力

克孜河為暴雨與冰雪融水混合型補給的河流，年降水量的多少會對河流水沙情勢產生影響。流域侵蝕以雨水沖蝕為主，尤其是夏季的陣發性降水是山地侵蝕和河流來沙的主要動力條件。同時季節性融雪匯流的產沙作用也很強烈，對河流的產輸沙有重要影響。

克孜河具有上游來水、中游產沙的水沙異源特點，河流流經不同海拔高度的不同區域，區域間地質地貌條件、土壤植被狀況等差異大，產沙強度很不相同。克孜河的主要產沙區在瑪爾坎恰提以下(距牙師水文站33 km)的中游河段，在瑪爾坎恰提處有喀什噶爾河水系中泥沙含量最大的恰克瑪克河匯入，該河段為廣大的中、新生代紅色泥巖地區，地層極易侵蝕，故有“紅水河”之稱。克孜河中游山地帶兩岸山體裸露，植被稀疏，氣候干燥，物理分化作用強烈，當有暴雨發生時，兩岸分化、風積的沙質堆積物沖入河道致使含沙量沿程不斷增大。卡拉貝利站多年平均含沙量為6.92 kg/m3，多年平均推移質輸沙量為74.1萬t，多年平均輸沙總量為1 556萬t。

根據卡拉貝利站和牙師站實測懸移質輸沙量計算出夏特電站懸移質輸沙量，多年平均推移質輸沙量58.7萬t，多年平均輸沙總量為1 233萬t，多年平均懸移質輸沙率為372 kg/s，電站泥沙年內分布極不均勻，汛期4月～9月輸沙量占全年的94%，其中主汛期6月～8月輸沙量占全年的60%。月平均含沙量的分布很不均勻，汛期4月～9月月平均含沙量3.44～9.52 kg/m3，其中主汛期6月～8月月平均含沙量7.74～9.52 kg/m3，遠大于非汛期10月～次年3月的0.10～1.67 kg/m3。多年平均月輸沙率和含沙量見表1。

2.2 電站泥沙顆粒級配

夏特水電站磨損預估試驗用沙均取自夏特電站壩址處的沉沙池。原始泥沙經500目篩網篩分，篩分后的沙樣在 Malven MS2000激光粒度儀上進行顆粒級配分析：顆粒粒徑范圍 0.002～0.5 mm，中值粒徑d50為0.1 mm。采用化學分析方法對沙樣的化學組成進行定量分析，采用掃描電子顯微鏡-能譜法分析檢測樣品的礦物組成，其礦物組成主要為石英、方解石、長石、綠泥石等，其中石英66.9%，方解石19.1%，長石9.8%，綠泥石4.2%。

3 電站水輪機泥沙磨損預估

對夏特電站可采用的HLA351-275水輪機內部沙水流動進行了的數值模擬，并對其易磨損部件活動導葉和轉輪進行了泥沙磨損試驗，活動導葉和轉輪選用目前常用于多泥沙河流電站水輪機關鍵過流部件抗磨性能較好的不銹鋼材料S135(0Cr13Ni5Mo)，預估水輪機的泥沙磨損情況。

3.1 水輪機內部沙水流動的數值模擬[6，7]

水輪機設計工況：水輪機出力6.35萬kW，流量27.58 m3/s。小流量工況：水輪機出力3.98萬kW，流量17.69 m3/s，電站實際多年汛期最大泥沙含量9.52 kg/m3，泥沙密度2 650 kg/m3。經內部沙水流動計算后，水輪機轉輪、活動導葉50%葉高截面沙水相對速度分布如圖1～4所示。

圖1 設計工況50%葉高截面轉輪葉片沙水相對速度分布

圖2 設計工況50%葉高截面活動導葉沙水速度分布

圖3 小流量工況50%葉高截面轉輪葉片沙水相對速度分布

圖4 小流量工況50%葉高截面活動導葉沙水相對速度分布

3.2 水輪機泥沙磨損預估

取電站沙樣，在實驗室分別進行了電站實際多年汛期最大泥沙含量9.52 kg/m3、平均泥沙含量6.2 kg/m3沙水配比，開展了水輪機轉輪葉片、活動導葉泥沙磨損試驗。根據試驗和數值分析結果，獲得了擬合的預估水輪機轉輪葉片、活動導葉泥沙磨損率計算式

水輪機轉輪葉片泥沙磨損率

E1=3.068×10-5CsW2.867

(1)

水輪機活動導葉泥沙磨損率

E2=2.655×10-6CsW3.144

(2)

式中，CS為含沙量，kg/m3；W為磨損部件表面沙水相對速度，m/s。

依據GB/T29403—2012《反擊式水輪機泥沙磨損技術導則》，在保證期內水輪機磨損量指標應符合普遍磨損的最大深度不宜超過4 mm。抗磨板的局部磨損不得超過10 mm或不得磨穿，其他部位的局部磨損的最大深度不宜超過8 mm[8]。 水輪機磨損試驗結果顯示，在設計工況下：當水中的泥沙含量為9.52 kg/m3時，活動導葉在被連續磨損6 400 h后，磨損量達到8 mm，轉輪葉片在被連續磨損4 200 h后，磨損量達到了8 mm；而當水中的泥沙濃度為6.2 kg/m3時，導葉連續被磨損10 000 h后，磨損量才達到8 mm，轉輪葉片連續被磨損4 800 h后，磨損量達到8 mm。根據表1統計的電站多年平均懸移質輸沙率和含沙量，水輪機運行一個自然年的時間，分別應用式(2)和式(1)計算得出活動導葉將被磨損4.22 mm，轉輪將被磨損6.43 mm。由此進一步可知，轉輪在實際電站運行時間將不到1年半，活動導葉也只能運行近2年時間，磨損量就會達到8 mm。

對小流量工況(由于混流式高水頭電站小流量工況的活動導葉的沙水速度比轉輪內的速度高得多，因此對小流量工況，本研究僅對活動導葉的泥沙磨損進行了研究)，在泥沙含量為9.52 kg/m3時，活動導葉連續磨損2 640 h后，磨損量就達到8 mm；而泥沙含量為6.2 kg/m3時，導葉連續磨損4 050 h后，磨損量就達到了8 mm。根據表1電站每年懸移質含沙分布情況，水輪機運行一個自然年，活動導葉將被磨損10.65 mm。從而可知，活動導葉在實際電站運行僅能大半年時間。

研究結果表明，該電站水輪機的泥沙磨損將是很嚴重的，尤其是水輪機在小流量工況運行時，含沙水對活動導葉磨損最為嚴重，這與高水頭混流式水輪機的泥沙磨損的實際情況相符合。

4 夏特電站水輪機抗磨措施建議

4.1 水輪機水力設計方面

(1)根據數值計算結果，參考其他多泥沙電站設計及夏特電站的泥沙特性的情況，建議轉輪直徑在2.75 m的基礎上，進一步放大轉輪尺寸到3 m以上，以進一步降低水輪機過流部件的速度。水輪機轉輪宜選擇較小的出口直徑，降低轉輪出口的圓周速度，轉輪葉片出水邊的相對流速不宜大于40 m/s。

(2)應避免流道有急劇的變化，流道內的水流速度分布應均勻，葉片的曲率變化宜較小，水輪機內應避免產生旋渦、脫流等流態，避免出現局部過高的流速。

(3)水輪機的導葉高度與導葉分布圓直徑宜適當增大，降低導葉區的流速及改善轉輪前的流態。導葉葉型應選擇有利于減小兩側壓差的形式，減輕導葉端面與抗磨板間的磨損。導葉的軸頸不宜過粗或局部凸出，并應設計成與來流呈流線型結構，以避免局部流態急劇變化或脫流，產生局部磨損。

(4)應保證在水輪機規定的運行(特別在汛期)工況范圍內，水輪機不發生葉型空化和各種局部空化等。電站空化系數應大于初生空化系數，以避免發生空蝕與磨損的聯合作用而加速水輪機破壞[8-11]。

4.2 水輪機結構工藝方面

(1)應避免流道內特別是在流速較高的部位，出現各種接縫、凸臺、臺階等不平整現象。尾水管內表面應避免出現吊鉤等物體。進人門與管壁的連接應平整。應避免螺孔、螺栓裸露于流道表面。水輪機的導葉限位塊宜設置在頂蓋上。

(2)易磨損部件的結構強度設計應有足夠的裕度，保證在一個大修周期內不因磨損而導致停機檢修或部件更換。易磨損部件的結構應易于裝拆，并具有良好的互換性。易損部件應有足夠的備件。

(3)在易磨損部位不宜出現過多的焊縫。焊縫應選擇有良好耐磨蝕的焊接材料焊接，焊接后應打磨平整，保證焊縫的磨損不引起部件的破壞與脫落。

(4)對各種接觸式主軸密封，宜選擇清潔水源。主軸密封的結構應保證能夠快速更換。

(5)在不影響其他性能的條件下，轉輪葉片出水邊與抗磨板的厚度應取較大值，保證在一個大修周期內不致磨穿。

(6)水輪機頂蓋與底環應有足夠的剛度，避免水輪機充水水壓導致變形，造成導葉端面間隙增大。頂蓋內腔的設計應避免采用易于造成泥沙淤積的結構。水輪機頂蓋與底環應設有可更換的抗磨板，宜采用塞焊不銹鋼板或帶板焊不銹鋼，其表面應平整，不宜采用螺釘聯接，拼縫應嚴密平整。

(7)止漏環的結構設計應便于拆卸與更換。止漏環的間隙宜取較小值，對于直縫式與臺階式止漏環，間隙應有足夠的長度，防止進出口等遭到磨損后導致間隙過早擴大與失效。

(8)導葉立面宜采用硬止水方式，導葉端面不宜采用彈性止水密封結構。導葉端面間隙宜取較小值。導葉的軸徑密封應采用有利于阻止泥沙進入的密封結構[6-9]。

4.3 水輪機過流部件材質及制造方面

(1)水輪機過流部件的材料(簡稱母材)應采用抗磨損材料制作，一般應采用抗磨損性能較好的不銹鋼，母材表面應有較高的硬度。對預期磨損嚴重部件或部位還可采用表面防護材料保護，防護材料應根據部件或部位的特點與磨損強度加以選擇。

(2)轉輪葉片宜采用00Cr13Ni5Mo鋼板模壓工藝，上冠、下環和泄水錐宜采用如04Cr13Ni4Mo 鑄件。導葉材質宜采用04Cr13Ni4Mo，導葉結構采用大圓盤式結構[12]。

(3)水輪機除了導葉和轉輪需要噴涂耐磨蝕材料之外，頂蓋、底環的過流部分和轉輪止漏環也須根據需要噴涂耐磨蝕材料，宜選擇高速火焰工藝(HVOF)實施噴涂。

(4)對于水輪機過流部件所用的材料，在加工前應采用無損檢測方法進行檢查，并對缺陷進行修復。水輪機轉輪葉片型線宜采用數控加工。水輪機過流部件的表面型線應有良好的光潔度。易磨損部位的表面粗糙度不應大于Ral.6；其他磨損部位不應大于Ra3.2[8-11]。

4.4 水輪機運行方面

(1)水輪機應在技術協議中規定的工況范圍內運行。

(2)若過機泥沙呈陡漲陡落的形式變化，可在沙峰期內短期停機避沙。汛期運行時應注意觀察頂蓋漏水量與壓力的變化，以判斷止漏環的磨損情況。水力測量管路應定期進行檢查與沖洗，防止因管路堵塞造成測量失效或失真。停機時應關閉進水閥或圓筒閥。

(3)應定期觀測水輪機的過機泥沙情況。并定期檢查水輪機磨損情況。宜在每個汛期前后各停機一次進行觀察檢查，特別是初期投入運行的時候。檢查時應詳細觀察和測量記錄運行后表面破壞的情況(如部位、外貌形態、深度、面積等)，間隙的變化等。

5 結 語

新疆夏特水電站所在克孜河中游含沙量高，年平均含沙量6.2 kg/m3，最大含沙量9.52 kg/m3，水電站在汛期(每年的4月～9月)真機過沙量占據全年輸沙量的94%，是典型的多泥沙河流電站。泥沙石英占比高達66.9%，對電站水輪機過流部件的泥沙磨損影響很大。

研究結果表明，夏特電站水輪機的泥沙磨損嚴重，如果不做噴涂耐磨蝕材料等保護，水輪機關鍵過流部件僅能運行1年左右，因此必須在水輪機水力設計、水輪機結構工藝、水輪機過流部件材質及制造、水輪機運行等方面采取抗磨措施。