大石峽水電站水輪機防泥沙磨蝕綜合措施

段宏江,趙 妍,劉 君

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

大石峽水利樞紐工程是國務院批準近期實施的 172 項國家重大節水供水工程建設項目之一，工程位于新疆阿克蘇河一級支流庫瑪拉克河中下游的大石峽峽谷河段，主要功能是向塔里木河干流以灌溉為主，結合防洪、兼顧發電等綜合利用。大石峽水電站是庫瑪拉克河上的龍頭水庫電站，其徑流河水來源于高山積雪融化，水庫正常蓄水位1 700.00 m，水庫總庫容 11.7億m3，多年平均年發電量18.93億kWh，裝機年利用小時數2 524 h，攔河壩最大壩高247 m，是目前在建的世界最高混凝土面板堆石壩，電站裝有3臺單機容量250 MW混流機組，是新疆單機容量和裝機容量最大的常規水電站。大石峽水電站的過機泥沙呈現出“兩大一高”的特征：泥沙含量大，多年入庫平均含沙量達到3.15 kg/m3；泥沙粒徑大，入庫懸移質泥沙顆粒級配平均粒徑為0.049 mm；泥沙硬度高，莫氏硬度>7 的硬礦物成分含量達50%以上[1]。根據作者在黃河流域、甘肅地區、新疆地區等多泥沙河流上多年的水輪機防泥沙磨蝕設計經驗，初步判斷大石峽水輪機運行后泥沙磨損比較嚴重，必須引起各方足夠重視。

大石峽水利樞紐采用了引水岸邊式地面廠房布置，作為龍頭電站規劃了較大的水庫調節庫容，但是為了灌溉防洪，樞紐大壩機組段取水口的位置相對較低，很難完全防止推移質泥沙進入引水發電系統。通常認為水輪機磨蝕是水輪機在空蝕與泥沙磨損聯合作用下的破壞現象[2-4]，近年來的實踐證明,在空蝕和泥沙磨損聯合作用時，水輪機過流部件的磨損加速，是由于空蝕現象加劇了泥沙磨損的強度；此外，水輪機過流部件在遭受泥沙磨損的情況下反過來又加劇了空蝕破壞，所以空蝕和泥沙磨損被認為相互加劇彼此的破壞強度。影響水輪機泥沙磨蝕的因素可分為泥沙有關的因素和水輪機有關的因素兩大部分,泥沙有關的因素主要是泥沙顆粒本身的特性，如顆粒尺寸、顆粒形狀、顆粒礦物成份、顆粒硬度等[5]；水輪機有關的因素主要是選型設計參數水平高低、水力設計優劣、運行及檢修維護情況等[6-7]。基于以上原因，需要統籌考慮水輪機水力設計、結構設計、機組運行及檢修維護、水工建筑物的攔排沙設計等措施。本文依托新疆大石峽水電站，對水輪機的水力設計優化、水輪機過流部件的結構設計、泥沙磨損深度分析與大修周期預判、過流部件噴涂及現場修復方案等多個方面開展分析，提出多泥沙河流水輪機過流部件預防泥沙磨蝕的系統解決方案，為水輪機防泥沙磨蝕提供借鑒。

1 電站泥沙特性

大石峽水電站多年平均懸移質輸沙量1 536萬t，多年入庫平均含沙量3.15 kg/m3，汛期(6—9月)入庫平均含沙量3.39 kg/m3，大石峽水庫運行不同年限的過機含沙量見表1。

表1 大石峽水庫運行不同年限的過機含沙量

大石峽入庫懸移質泥沙顆粒級配采用協合拉站實測的懸移質顆粒級配資料分析成果如表2所示。從表中可見中值粒徑d50為0.018 mm，平均粒徑dm為0.049 mm，最大粒徑dmax為0.5 mm。

表2 協合拉站懸移質泥沙顆粒級配成果

協合拉站懸移質泥沙礦物成分沙樣礦物成分分析成果見表3，其中石英占45%，方解石占40%，鐵質占5%，綠泥石占2%，黑云母、角閃石偶見，硬礦物成分含量在50%以上。

表3 協合拉水文站懸移質泥沙礦物成分成果

2 水輪機的水力設計優化

2.1 水輪機基本技術參數選擇

大石峽初步設計水輪機選型方案中，應適當降低水輪機的比速系數應用水平，盡量選取相對略低一檔的機組額定轉速、增大轉輪直徑，減小導葉區和轉輪流道內水流相對速度，良好的水力設計有助于水輪機流道中壓力和流速分布均勻，有利于避免脫流與旋渦的產生、避免發生壓力和流速的急劇變化、減少過流損失，以及防止或減緩過流部件的泥沙磨損。大石峽水電站的水輪機最高水頭為216.7 m，最低水頭為145.5 m，水頭變幅達到1.49，屬于水頭變幅較大的水電站，水輪機水力設計的難度相對較大。大石峽電站原則上由新疆省調及阿克蘇地調兩級調管，在電網中擔負南疆的調峰調頻職責，設計要求水輪機具有0～100%Pr全負荷寬范圍穩定運行的能力[8]。在20世紀90年代中期，業內針對混流式水輪機開始研究長短葉片轉輪，也就是在傳統的長葉片之間，沿轉輪進口圓周方向相互交替配置短葉片，長短葉片布置型式的強化整流能力使部分負荷時的二次回流得到抑制，使部分負荷時的水壓脈動相對減小，良好的水力設計使得這種葉片布置形式具有一定的高抗泥沙磨損性能。2020年經過機組公開招標，結合李家峽、拉西瓦水電站的增容改造經驗，大石峽水輪機選取了哈爾濱電機廠研發的長短葉片(15+15)轉輪，并搭配了24個導葉，大石峽長短葉片轉輪區域流線如圖1所示，雙列葉柵速度分布如圖2所示。

圖1 長短葉片轉輪區域流線

圖2 雙列葉柵速度分布

圖3為大中型混流式水輪機額定水頭與比轉速關系統計曲線。大石峽水輪機在額定水頭190 m、額定出力255.1 MW時，對應的比轉速ns范圍在為141.5～159.6 m·kW，相應的比速系數K值在1 950～2 200，初步設計時對機組額定轉速166.7、200、214.3 r/min進行了比選，最終選擇了比轉速143.2 m·kW、比速系數1 974、額定轉速200 r/min、導葉相對高度0.177D1的寬范圍運行的基礎轉輪A1658，水力設計時適當加大了導葉分布圓導葉分布圓相對直徑，使得水流在更大的圓周上通過導葉，相同的流量流過了更大的過流空間，因而大大降低了水流擾動，水流對過流部件的磨蝕也相應降低。大石峽原型轉輪直徑D1=4.6 m，轉輪出口直徑控制在D2=3.7973 m，轉輪過流部件的水流最大相對流速較小，轉輪出口的最大相對流速平均值控制不大于40 m/s，導葉出口流速平均值不大于30 m/s，轉輪本身有很好的抗泥沙磨損特性。

圖3 大中型混流式水輪機額定水頭與比轉速關系統計曲線

2.2 水輪機無空化運行

在多泥沙電站水輪機選型設計時，需要盡量使水輪機在所有運行區域無空化運行，尤其要注意高水頭部分負荷時不能出現初生空化問題，因為當導葉開度減小時轉輪總體磨損速率有明顯的提高。近年來，通過精準的水輪機模型試驗來確定水輪機的空化設計參數，適當降低水輪機的安裝高程，增加水輪機的吸出高度，能夠減少水輪機空化的產生。針對多泥沙問題，國內科研結構曾在專門的混水試驗臺上進行過多輪次的混水性能對比試驗，結果表明挾沙水流對水輪機的效率和壓力脈動沒有太大影響，但隨著泥沙含量的增加，水輪機的初生空化系數有增大趨勢。因此我們在確定多泥沙電站吸出高度時應留有較大裕度，泥沙問題不突出的水輪機初生空化安全系數一般取1.10～1.15，而對于多泥沙電站建議適當增大到1.20～1.30。在大石峽水輪機招標設計中要求水輪機初生空化安全系數不小于1.30。2021年大石峽模型轉輪A1658在中國水利水電科學研究院進行了驗收試驗，試驗結果證實哈爾濱電機廠提供的A1658模型轉輪具有良好的空化特性。按照模型轉輪驗收試驗的結果，在電站全部正常運行范圍內，電站空化系數σp與臨界空化系數σc的比值在 2.8倍以上，電站空化系數σp與初生空化系數σi比值在 1.39倍以上，轉輪空化裕度很大。由此可以預見大石峽水電站的水輪機基本能夠在工況下無空化運行，基本可以避免水輪機空蝕和泥沙磨損的聯合作用。

3 水輪機過流部件的結構設計

為了改善水輪機過流部件的抗泥沙磨損能力，減小過流部件的損壞程度，在大石峽水輪機招標文件審查時比較了ZG04Cr13Ni4Mo和ZG04Cr16Ni5Mo兩種不銹鋼材質性能。據了解，魯布革水電站單機容量150MW的水輪機轉輪采用了ZG04Cr16Ni5Mo不銹鋼材質，經過6個汛期的長期運行后發現轉輪空蝕磨損輕微；三門峽水電站的水輪機運行經驗也表明ZG04Cr16Ni5Mo不銹鋼材質的耐磨性優于ZG04Cr13Ni4Mo不銹鋼材質，這是由于ZG04Cr16Ni5Mo含碳量更低，有更多的逆變奧氏體，具有很好的機械性能、機加工性能和鑄造性能，可焊性更好，可以不進行預熱焊接，這對電站現場修復更為有利，所以在機組合同中規定大石峽水輪機的葉片及上冠、下環均采用ZG04Cr16Ni5Mo，并要求轉輪葉片硬度不低于280HB，葉片采用VOD(或AOD)精煉，并要求轉輪葉片加厚倒角修圓的出水邊，以便在汛后磨損后的修補；轉輪葉片采用五軸數控銑床加工，提高了葉片型線的精度及過流表面質量，從而有效的保護葉片表面，降低空化及泥沙磨蝕程度；對轉輪上下止漏環創新地采用倒T型傾角階梯式，最大程度降低泥沙的存留，上下止漏環結構設計為可拆卸結構，防止進出口等部位遭到磨損后及時更換；導葉采用抗空蝕及抗磨性能良好的ZG04Cr16Ni5Mo電渣熔鑄的不銹鋼材料，設置軸頸密封及下排水觀測方案，防止泥沙進入導葉和軸承而造成磨損，增強導葉的抗磨蝕能力；頂蓋及底環的過流面采用抗空蝕及抗磨性能良好的ZG04Cr13Ni5Mo 不銹鋼材料，頂蓋徑向剛度為2.78×107N/mm，遠遠超過水導剛度一般大于1.66×106N/mm 的設計要求，避免水輪機流道充水后因水壓作用導致變形。

4 泥沙磨損深度分析與大修周期預判

當高泥沙含量水流流過水輪機的過流部件時，不可避免地會造成水輪機過流部件的表面磨損，如果遇到高水頭部分負荷運行時，難免發生壓力和流速的急劇變化，泥沙磨蝕會破壞水輪機過流部件的型線，甚至會造成部分部件的破損和缺失，造成水輪機效率的大幅下降，對泥沙磨損破壞嚴重的部件，需及時修復或更換，避免“帶病”運行。造成水輪機泥沙磨損的泥沙顆粒影響因素主要有：過機泥沙含量、顆粒礦物成份及硬度、顆粒形狀、顆粒大小等。水輪機大修間隔時間主要取決于水輪機轉輪和導葉的損壞情況。按照最新的IEC 62364-2019《Hydraulic machines-Guidelines for dealing with hydro-abrasive erosion in kaplan，francis，and pelton turbines》[9]的規定，本文對大石峽主要過流部件的未噴涂方案和HVOF噴涂方案的泥沙磨損深度進行了計算分析，并對水輪機度大修周期TBO(time between overhaul for target unit)進行了預判。

4.1 泥沙磨損深度的分析

按照IEC 62364-2019附錄建議的計算方法，對大石峽水輪機主要過流部件進行磨損深度的計算分析，計算公式見表4和表5。

表4 水輪機過機泥沙載荷修正量

過機泥沙載荷修正量：

PL=C×Khardness×Ksize×Kshape×TS

(1)

過流部件的平均磨損深度：

S=W3.4×PL×Km×Kf/RSp

(2)

依據GB/T 29403-2012《反擊式水輪機泥沙磨損技術導則》[10]要求的磨損保證值：水輪機葉片出水邊不應磨穿，普遍磨損的最大深度不應超過4 mm，抗磨板的局部磨損不應超過10 mm或不應磨穿，其他部位的局部磨損的最大深度不應超過8 mm，各個過流部件允許的磨損深度不應危及水輪機安全運行。由上表可知，大石峽未噴涂前主要過流部件的磨損不能滿足規范的要求，采用HVOF硬噴涂后的水輪機部件泥沙磨損深度基本滿足現有規范要求。

4.2 大修周期的預判

按照IEC62364-2019附錄建議的計算方法，對大石峽水輪機大修周期TBO進行評估，計算公式及基本參數見表6。

表6 大修周期TBO評估相關基本參數

目標水輪機大修周期(h)：

TBOtarget=Sref/Starget×TBOref

(3)

Km,ref/Km,target×Kf,ref/Kf,target×Dtarget/Dref

(4)

按照導則中規定的水輪機泥沙磨損保證期不宜短于4 a的要求，大石峽機組招標文件審查時規定水輪機的大修周期不小于5 a，由上表初步估算可知，大石峽水輪機過流部件進行HVOF噴涂后的水輪機大修周期約為6.1 a，能夠滿足招標文件和現有規范要求。

5 過流部件噴涂及現場修復方案

國內在魯布革、瑞麗江、漁子溪、大盈江、劉家峽等多個水電站的水輪機過流部件中使用過碳化鎢硬噴涂，涂層有很高的表面硬度(1 100～1 300 HV)，試驗表明其耐空蝕性能約為不銹鋼的1.55倍，抗泥沙磨損性能約為不銹鋼的91.5倍。劉家峽等電站的運行實踐表明，采用硬噴涂防護措施后，水輪機過流部件的大修周期可提高約3～5倍。根據大石峽水輪機不同過流部件的泥沙磨損深度預測分析結果，對水輪機過流部件表面進行“硬軟結合、分區噴涂”的噴涂方案，對主要過流部件轉輪、活動導葉過流面及其上下端面、頂蓋抗磨板、上下固定止漏環表面及過流面、底環、筒閥密封壓板表面及筒閥閥體底部等流速較高的過流面采取碳化鎢超音速硬噴涂(HVOF)，提高過流部件的抗磨損性能；對流速相對低的一些座環、固定導葉過流面視運行情況擇機進行聚氨酯軟噴涂。

根據泥沙磨損的評估分析結果，預計大石峽水輪機的泥沙磨損問題比較嚴重，可能會出現運行幾年以后過流部件涂層破壞而需要修復的情況，因此設計預留了過流部件碳化鎢噴涂現場修復的措施，當水輪機過流面需要進行再次噴涂修復時，可在安裝場搭建大型可移動噴涂除塵隔音間，施工作業時采用有效的除塵防護措施，在現場設計配置動力配電盤柜和檢修吹掃裝備，并根據現場的施工環境安裝必要的通風設備。根據劉家峽水輪機現場修復的經驗，噴涂現場修復施工工藝流程主要有：修前檢查(含探傷)和記錄→清洗表面→標識缺陷→打磨→補焊→初磨→精焊→精修→尺寸型線校核→初步驗收→確認噴涂部位→表面活化→噴涂→涂層檢測→封孔劑涂刷→拋光→清理→驗收。需要使用的修復設備主要有：水冷式噴涂系統(HVOF)+六軸施工機器人，選擇噴涂的粉末為水輪機專用抗磨蝕粉料AMDRY5843或類似進口產品，具體操作方案是把噴涂材料以粉末狀態注入高速噴射燃燒的火焰中，其噴射速度超過2 000 m/s以上，粘接結合強度大于70 MPa，涂層抗空蝕能力與ZG04Cr16Ni5Mo不銹鋼相當，表面粗糙度不大于6.3 um，噴度厚度達到0.3 mm，從而形成少孔隙(<1%)、低氧化、高粘合力、低殘余應力的高質量涂層，噴涂完成后機組可進行正常調度并安全穩定運行。通過上述綜合措施，大石峽電站的水輪機大修間隔時間達到5～6 a是完全可以得到保證的。

6 結 論

(1)大石峽水電站在設計中采用當機組較長時間停機時，可以采取關筒閥防漏水的措施，能大大減少導葉軸頸、導葉瓣體上下端面及出水邊密封位置的泥沙磨損，延長水輪機大修周期。

(2)碳化鎢材質屬于硬度大的合成物，缺點是不能承受大顆粒泥沙的沖擊，大顆粒石子的高速沖擊容易造成噴涂面的脫落，更容易導致水輪機過流面基礎材料的空蝕和侵蝕。

(3)水工樞紐在進水口前以及引水系統中設置攔沙、排沙和沖沙等設施，深孔排沙放空洞開啟，保證中孔泄洪排沙洞、電站進水口設施的進口形成沖沙漏斗平臺，確保電站進水口“門前清”，進水口不淤堵。

(4)業主應充分與電網調度進行必要的溝通，盡量在機組汛期運行時進行一定的避沙運行，使機組盡可能在較優運行區域運行。

綜上所述，筆者希望通過設計、制造、安裝、運維等各方面綜合考慮，形成一整套多泥沙河流水輪機過流部件預防泥沙磨蝕的系統解決方案。