多泥沙河流減輕水輪機磨蝕的途徑

張群虎

（彬縣棗渠水電公司，陜西 咸陽 713500）

一、電站概況

彬縣棗渠水電站位于彬縣新堡子鄉(xiāng)斷涇村。電站于1969年開工建設，1977年建成投產(chǎn)。設計水頭16m，設計流量30m3/s，年設計發(fā)電量4000kW。水輪機型號DJ510-LH-180。

涇河為黃河二級支流，為渭河最大的支流。從含沙量來看，渭河是世界泥沙最多的河流，而渭河的泥沙主要來自涇河。涇河年徑流量19.7億m3、占渭河的19.5%，年輸沙量2.89億t、占渭河的55.6%，每年6～10月份主汛期期間，泥沙含量最為嚴重。泥沙使水電站過流部件受到嚴重損害，特別是水輪機轉輪及轉輪室，平均每3年就要大修，更換轉輪葉片，修補過流部件，大修工期長，給電站造成損失嚴重。

減少河流泥沙含量主要靠保護環(huán)境，增加森林覆蓋率，改善生態(tài)環(huán)境，但這是一個漫長的工程，不可能立竿見影，加之徑流不斷減少，洪水量級較小，挾沙及沖沙能力顯著下降，泥沙問題有不斷嚴重的趨勢。因此，堅持不懈的做好抗磨蝕工作，減輕水輪機磨蝕，提高經(jīng)濟效益成為了水電站的一項重要工作。

二、水電站減輕磨蝕措施

從棗渠水電站多年運行情況，及對沿渭河、涇河、洛河二十多座水電站運行情況的調(diào)查和探索總結，建議從以下幾個方面減輕磨蝕損害：

1.優(yōu)化工程設計，合理布局

涇、洛、渭等多泥沙河流上水電站，大部分采用低壩引水，短隧洞后接前池的工程布置模式。

(1）合理布置引水樞紐，確保進水口門前清。一般情況下，一場洪水即可將多泥沙河流上的低壩壩前全部淤平，因此，必須在進水口前布置好沖沙閘，通過沖沙運用來保證進水口門前清。

(2）較長隧洞、前池必須設計沖沙設施。從設計方面考慮，應增加沉沙池，減緩水流進入調(diào)壓池流速，使泥沙盡可能沉淀于沉沙池內(nèi)，避免進入轉輪室。也可增設沖沙閘，排除沉沙池泥沙。涇河文涇水電站隧洞較長，前期沒有設計沉沙池及沖沙洞，淤積較為嚴重，后進行了改造，取得了較好的排沙效果。

(3）尾水盡可能與主河道保持一致，減少泥沙淤積。涇河程家川水電站尾水淤積嚴重，造成出力下降。

2.合理選擇水輪機型號

(1）適當選擇轉速較低的水輪機。水輪機轉速高低是汽蝕的主要原因，各類汽蝕都與轉速及流速密切相關，對轉速較高的機組來說，轉速越高，形成的水擊越頻繁，水擊及磨損對通流部分的破壞越嚴重。另外，由于翼形汽蝕及電化破壞的共同作用使葉片表面光滑度及流線型被破壞，進而使各類汽蝕加劇，形成惡性循環(huán)，使葉片壽命大大降低，嚴重影響水輪機出力，使水輪發(fā)電機效率降低。

據(jù)統(tǒng)計，在渭河、涇河、洛河上已建成的水電站，轉速都在300r/min以上，只有個別電站轉速在200r/min以下，多數(shù)為300r/min、500r/min、600r/min。而300r/min以上的機組運行基本都在3年以內(nèi)更換葉片，更為嚴重的還有2年以內(nèi)就需要大修，葉片汽蝕和磨損使葉片邊沿損失都在20mm以上，大大降低了水輪機的出力，水能損失相當嚴重。

以彬縣棗渠水電站為例，大修后，導葉開度76%時，負荷1800kW，運行1年后導葉開度87%時，負荷1700kW。導葉開度增加10%，相應流量增加2～3m3/s，2～3年內(nèi)流量損失更大。這樣長期運行，不但浪費了有限的水能資源，并且使水輪機的過流部分如固定導葉、活動導葉、轉輪室、座環(huán)等受到嚴重損壞，使大修期縮短，企業(yè)費用增加，不定期停機次數(shù)增加，增加了檢修工作量，給水電站安全經(jīng)濟運行造成嚴重威脅。

1997年建成投運的涇惠管理局渠首電站，裝機容量3×2500kW,機組轉速為187r/min，運行11年才大修，且大修時轉輪葉片邊沿損失不超過20mm，固定導葉、活動導葉、座環(huán)、支持蓋都基本完好。通過渠首電站的運行實踐與其他電站的破壞程度相比較，差異甚大，由此可以確定在多泥沙河流宜采用轉速較低的水輪機，這對在多泥沙河流機組選型方面具有參考價值，另外在技術改造方面提供了切實的參考實例。

(2）選擇適當?shù)谋绒D速。在水頭出力相同的條件下，比轉速越高轉速越高。在轉速和水頭相同的條件下，比轉速愈高，水輪機出力越高，水輪機汽蝕性能愈差，汽蝕系數(shù)大。因此，選擇適當比轉速應兼顧出力與汽蝕系數(shù)，二者不可偏廢。對于含沙河流中的比轉速應選取較小的，以相應降低汽蝕系數(shù)。

(3）適當選擇轉輪類型。在多泥沙河流宜采用軸流定漿式或混流式轉輪，因軸流式轉輪磨損后補焊修復和實現(xiàn)抗磨蝕防護較容易，其他形式的轉輪不易修復，防護較困難，多數(shù)造成報廢損失，因此，軸流式轉輪對小型水電站來說具有較簡便的可操作性，更為經(jīng)濟。對混流式轉輪而言，宜采用較底轉速機組，轉速越低，轉輪壽命越長。

(4）合理選擇吸出高程和安裝高程。根據(jù)水流含泥沙量實際情況，計算最優(yōu)參數(shù)。要考慮泥沙淤積對水位流量關系曲線的影響，計算求得吸出高程，根據(jù)機型選擇安裝高程，在施工過程中嚴格把關，測量準確，確保質(zhì)量。

3.合理調(diào)度，采取最佳運行方式

(1）盡量避開負荷汽蝕區(qū)，改善運行工況。在水流含沙量大時盡可能停機，實驗表明泥沙除對固體表面磨削外還會加劇汽蝕。帶有各種固體微粒的水比純凈水更容易產(chǎn)生汽蝕，含泥沙水流產(chǎn)生氣蝕空泡時的壓力比清水中高10%～15%。另外，汽穴的強烈脈動，會增加水流的紊流，加速泥沙磨損，汽蝕與泥沙磨損的聯(lián)合作用引起的侵蝕更為嚴重。

(2）及時足量補氣。補氣能破壞真空，降低真空度，從而有效防護表面汽蝕破壞；能夠形成氣泡，氣泡成為了吸收振動的減幅介質(zhì)。此外，補進的空氣沖散了渦帶，氣泡填充了轉輪下部和尾水管上部的整個空間，因此，補氣對降低空腔汽蝕有一定的作用。

(3）提高加工工藝，采用抗磨蝕措施及材料。提高轉輪加工工藝，在鑄造時，盡可能排出空氣，避免葉片有蜂窩和沙眼，打磨后的葉片盡可能使型線與設計模型保持一致，表面線型流暢、光滑。目前，市場抗磨蝕材料種類繁多，應選擇硬度高、極限拉伸強度高、富有彈性的材料，能大量吸收能量，具有較高的抗蝕能力，總之，材料中晶粒越細密，雜質(zhì)越少，抗磨蝕能力就越高。目前較為常用的是含鎳鉻不銹鋼鑄造。另外，過流部件也要采用抗磨蝕材料做表面防護，如環(huán)氧金剛砂表面涂抹、BELZONA1811抗磨蝕涂層、金屬噴焊技術覆蓋母材表面、電化學保護等。

(4）提高檢修工藝。提高檢修工藝水平，對抗磨蝕具有重要意義，檢修是否能達到預期目的，對延長大修周期有直接關系，大修時對汽蝕破壞部位的修復應保證型線不變，控制變形，填補密實，使表面光滑無孔洞，對修補后各部位尺寸精心測量，嚴格控制間隙、厚度、線型，使各部位參數(shù)控制在規(guī)范要求以內(nèi)。

三、結 語

從多泥沙河流小型水電站現(xiàn)狀來看，宜從經(jīng)濟、簡便、易操作等方面綜合采取措施，以達到延長轉輪壽命，延長大修周期，提高水輪發(fā)電機利用率，增加企業(yè)經(jīng)濟效益的目的。水輪機抗磨蝕尚在研究摸索階段，采取積極有效的措施，從各個方面防護，減輕、避免泥沙磨蝕是水利水電工作者的共同使命。