紅山嘴電廠水輪機綜合抗磨蝕研究

（新疆天富能源股份有限公司紅山嘴電廠，石河子市，832204） 劉志剛

水輪機泥沙磨蝕問題是一個世界性的難題，目前國際上尚沒有好的解決辦法。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國水電裝機總?cè)萘客黄?億KW，其中約有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，導致水輪機出力不足、使用壽命縮短、運行效率下降、大修周期縮短。水輪機磨蝕成為制約水電廠經(jīng)濟效益和安全穩(wěn)定運行的重要因素。

1 紅山嘴電廠水輪機磨蝕狀況

紅山嘴電廠 二、三、四、五級電站建設(shè)于20世紀六、七十年代，電站選擇的HL123、HL702、HL263轉(zhuǎn)輪均為我國目前已淘汰的老型號轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪效率最高達到80%，轉(zhuǎn)輪抗氣蝕性能差。紅山嘴電廠梯級電站引瑪納斯河水發(fā)電，瑪納斯河是一條多沙河流，且沙粒主要為硬度較大的石英砂，瑪河上游無調(diào)節(jié)水庫，泥沙全部通過水輪機過流部件。氣蝕和磨蝕的雙重作用造成紅山嘴電廠水輪機過流部件的磨蝕異常嚴重，豐水期停機補焊過流部件頻繁，且大修工作量，大修成本加高。其中磨蝕最嚴重的三級電站，豐水期過流部件不補焊，機組無法正常運行，機組一年一大修，遠遠超出國家規(guī)定5～6年一大修的標準。三級電站過流部件磨蝕狀況見表1。

2 水輪機抗磨蝕綜合技術(shù)研究

多年來為解決水輪機磨蝕問題，紅山嘴電廠投入了大量人力、物力。通過有關(guān)專家分析論證，技術(shù)人員研究試驗，并根據(jù)多年運行、檢修積累的豐富經(jīng)驗 ，歷經(jīng)了上百次的失敗教訓，終于找到了一些水輪發(fā)電機抗磨蝕的治理之路，使紅山嘴水電廠的水輪發(fā)電機的抗磨蝕能力有了很大的提高。

2.1 過流部件噴涂抗磨噴涂材料

紅山嘴電廠從70年代末就開始嘗試水輪機過流部件的抗磨蝕處理，等離子噴涂、低溫鍍鐵、熱噴涂等各種新型的軟、硬抗磨材料都使用過，90年代對水輪機葉片、導葉、座環(huán)、渦殼、進行抗磨蝕處理，但水輪機過流部件的磨損和汽蝕還是沒有得到根本解決。

表1 三級電站過流部件磨蝕狀況

進入21世紀，先后同上海中美司太立公司應(yīng)用超音速噴涂技術(shù)，對轉(zhuǎn)輪易磨損部位進行進口耐磨材料鎳基碳化鉻X3007噴涂試驗；應(yīng)用黃河水利科學院研制的聚氨酯，對轉(zhuǎn)輪易磨部位進行噴刷試驗；與甘肅工業(yè)大學合作采用高速氧燃料金屬噴焊法，進行轉(zhuǎn)輪葉片噴焊。目前大修期均采用甘肅工業(yè)大學氧乙炔噴熔轉(zhuǎn)輪噴焊法，對轉(zhuǎn)輪葉片進行噴焊，取得一定成果。

針對四、五級電站機組蝸殼、座環(huán)等部件水下過流部件已運行50多年，銹蝕、磨蝕嚴重，漏水嚴重的現(xiàn)狀，廠于2002年開始對四級電站2號機蝸殼、座環(huán)進行了環(huán)氧金剛砂涂抹，經(jīng)一個洪水期試驗，其效果較為理想。并逐步在四、五級電站其他機組進行推廣，目前四、五級電站座環(huán)、蝸殼還能夠維持正常運行。

2.2 優(yōu)化水輪機轉(zhuǎn)輪設(shè)計，提高水輪機的抗磨蝕能力

研究轉(zhuǎn)輪葉形形狀的改型設(shè)計、轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量的優(yōu)化設(shè)計、轉(zhuǎn)輪材質(zhì)的選擇以及水輪機轉(zhuǎn)速與機組抗磨蝕能力的關(guān)系。與國內(nèi)科研院所合作，根據(jù)各梯級電站的水能條件、泥沙含量、水量變化和地形條件，為各電站研發(fā)與電站工程參數(shù)相匹配的轉(zhuǎn)輪，從轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計上解決電站運行過程中抗磨蝕性能差、運行穩(wěn)定性低的主要問題。

轉(zhuǎn)輪葉片選用X型葉片代替L型葉片，改善非設(shè)計工況下的運行穩(wěn)定性，降低空化系數(shù)，增強機組抗磨蝕和氣蝕能力；根據(jù)葉片氣蝕和磨蝕狀況，優(yōu)化葉型設(shè)計，減輕過流部件的磨蝕；選用優(yōu)質(zhì)新型材料，改變轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量，提高轉(zhuǎn)輪的剛度、強度和減輕重量；通過降低水輪機的轉(zhuǎn)速，提高水輪機抗磨蝕能力。北京水科院借鑒國內(nèi)、外水輪機設(shè)計先進經(jīng)驗，利用計算機三維設(shè)計，完成紅山嘴電廠3種水頭，4種轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計，機組效率達到93%以上，過流部件抗磨蝕效果優(yōu)良。各電站機組轉(zhuǎn)輪改型前、后主要技術(shù)參數(shù)見表2。

2.3 優(yōu)化機組運行方式

水輪機運行性能的好壞，除與水輪機的設(shè)計、制造、安裝、檢修等多方面的質(zhì)量和技術(shù)水平有關(guān)外，還與水輪機、水電站的運行方式和經(jīng)營管理水平有重要的關(guān)系。紅山嘴電廠根據(jù)水輪機運行特性，結(jié)合瑪納斯河高含沙量和季節(jié)性較強的特點，研究水輪機在不同季節(jié)、不同流量和不同泥沙狀況下，5座梯級電站聯(lián)合高效運行方式，重點研究通過合理控制機組開度，使各梯級電站機組在泥沙和水量變化情況下，機組能夠在水輪機高效率區(qū)穩(wěn)定運行，減輕機組磨蝕。根據(jù)瑪納斯河水量、泥沙變化，各電站機組不同季節(jié)控制不同的開度范圍，使機組不同季節(jié)都在高效率區(qū)運行，提高機組運行穩(wěn)定性。洪峰前（5月份）機組在額定出力以內(nèi)運行；洪峰中（6月中旬～8月底）河水泥沙含量高，限制機組在80%～90%出力運行；洪峰后（9月份～11月）逐步放開機組開度，機組適當超額定出力。豐水期通過控制機組開度，各電站機組負荷限制情況表見表3。

表2 各電站機組轉(zhuǎn)輪改型前、后主要技術(shù)參數(shù)

表3 豐水期通過控制機組開度各電站機組負荷限制情況表

3 結(jié)論

紅山嘴電廠作為多泥沙河流典型的梯級徑流式電站，通過多年的摸索與實踐，通過過流部件噴涂新型抗磨材料、轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計和優(yōu)化機組運行方式聯(lián)合應(yīng)用的方式，降低了水輪機過流部件的抗磨蝕能力，為多泥沙電站解決磨蝕和氣蝕能力提供的寶貴的經(jīng)驗。