金康電站機(jī)組泥沙磨蝕及處理

蔡正華

（四川金康電力發(fā)展有限公司，四川 康定 626000）

金康電站機(jī)組泥沙磨蝕及處理

蔡正華

（四川金康電力發(fā)展有限公司，四川 康定 626000）

金康電站是多泥沙、高水頭混流式水輪發(fā)電機(jī)組，因過流部件損壞嚴(yán)重，引起廠區(qū)汛期嚴(yán)重共振等重大安全隱患，通過分析研究，針對(duì)機(jī)組過流部件泥沙磨蝕嚴(yán)重問題，提出過流部件采用合適的噴涂材料和方法進(jìn)行噴涂防護(hù)，達(dá)到了泥沙磨蝕急劇減少的實(shí)際效果，確保機(jī)組過流部件完好，確保機(jī)組安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行，徹底消除整個(gè)廠區(qū)汛期嚴(yán)重共振等重大安全隱患，增加發(fā)電量，創(chuàng)造巨大安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

電站；泥沙磨蝕；噴涂；共振；安全隱患

金康電站處在多泥沙地域，又是高水頭、高轉(zhuǎn)速混流式機(jī)組，依據(jù)中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《發(fā)電企業(yè)設(shè)備檢修導(dǎo)則DL/T838-2003》規(guī)定，多泥沙水電站的水輪發(fā)電機(jī)組A級(jí)檢修（大修）間隔為4~6年，金康電站參照同類型、相鄰電站經(jīng)驗(yàn)，按照3~4年安排大修。

但在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，從2008年開始，機(jī)組大修后一旦經(jīng)歷第2個(gè)汛期，就發(fā)現(xiàn)汛期2臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組、廠房都在嚴(yán)重共振，遠(yuǎn)在150m外的宿舍、食堂等也曾嚴(yán)重振動(dòng)，存在重大安全隱患。2臺(tái)機(jī)組經(jīng)歷3個(gè)汛期后大修發(fā)現(xiàn)過流部件嚴(yán)重?fù)p壞，頂蓋、底環(huán)損壞各有23處（與導(dǎo)葉數(shù)量一致）深度達(dá)到50mm的深坑，只能立即組織外送到廠家緊急修復(fù)，導(dǎo)葉損壞也非常嚴(yán)重，只能更換。聯(lián)想到機(jī)組、廠房及整個(gè)廠區(qū)在2008年開始，汛期就有嚴(yán)重抖動(dòng)、共振現(xiàn)象，2009年汛期更為嚴(yán)峻，說明機(jī)組安全可靠性受到嚴(yán)重威脅，整個(gè)廠區(qū)存在重大安全隱患。

1 金康電站概況及現(xiàn)象

金康電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是金湯河一庫五級(jí)開發(fā)方案的最末一級(jí)。金湯河系大渡河左岸一級(jí)支流，全河長(zhǎng)79.8km，天然落差3372m，平均比降4.23%，流域面積1135km2，多年平均泥沙含量為100g/m3（枯水季節(jié)沒有泥沙，都集中在汛期）,金湯河多年平均流量36.6m3/s，為低閘引水式開發(fā),壓力隧洞全長(zhǎng)16302.511m，電站設(shè)計(jì)引用流量37.4m3/s。水庫正常蓄水位為1974.00m，死水位為1969.00m，可調(diào)節(jié)庫容33.14萬m3（由于泥沙淤積嚴(yán)重，目前約為15萬m3），進(jìn)水閘門位于左岸，調(diào)壓室為鋼包氣墊式調(diào)壓室，電站裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)容量150MW，額定水頭458m，單機(jī)引用流量18.5m3/s。電站設(shè)計(jì)年利用小時(shí)為5230h，枯水期平均保證出力為30MW，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量為7.846億kW·h。

水輪機(jī)基本型號(hào)和參數(shù)：

水輪機(jī)型號(hào) HL（E）-LJ-215A

轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑 2150mm

轉(zhuǎn)輪出口直徑 1272mm

最大水頭 498m

額定水頭 458m

最小水頭 457.7m

額定轉(zhuǎn)速 600r/min

最大飛逸轉(zhuǎn)速 953r/min

水輪機(jī)額定功率 76.9MW

水輪機(jī)最大功率 84.6MW

水輪機(jī)吸出高程 -8.21m

水輪機(jī)軸向水推力 590kN

依據(jù)中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《發(fā)電企業(yè)設(shè)備檢修導(dǎo)則DL/T838-2003》規(guī)定，多泥沙水電站的水輪發(fā)電機(jī)組A級(jí)檢修（大修）間隔為4~6年，金康電站參照同類型、相鄰電站經(jīng)驗(yàn)，充分考慮多泥沙對(duì)高水頭機(jī)組過流部件的影響，提前加工準(zhǔn)備1個(gè)備用轉(zhuǎn)輪、一套過流部件（導(dǎo)葉23只、頂蓋1個(gè)、底環(huán)1個(gè)），按照3~4年安排大修，2臺(tái)機(jī)組是2006年8月和9月分別投產(chǎn)發(fā)電，機(jī)組大修安排在2009年底和2010年初分別進(jìn)行大修，大修中拆開發(fā)現(xiàn)過流部件嚴(yán)重?fù)p壞，頂蓋、底環(huán)損壞各有23處深度達(dá)到50mm的深坑，只能立即組織外送到廠家緊急修復(fù)，導(dǎo)葉損壞非常嚴(yán)重，只能重新加工。聯(lián)想到機(jī)組、廠房及整個(gè)廠區(qū)（包括150m外的宿舍和食堂）在2008年汛期開始就有嚴(yán)重抖動(dòng)、共振現(xiàn)象，2009年汛期更為嚴(yán)峻，說明機(jī)組安全可靠性受到嚴(yán)重威脅，整個(gè)廠區(qū)存在重大安全隱患。

主要問題和安全隱患：

（1）汛期整個(gè)廠區(qū)共振

在2臺(tái)機(jī)組大修后經(jīng)歷第二個(gè)汛期開始，只要2臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，不論帶多少負(fù)荷，整個(gè)廠區(qū)抖動(dòng)、振動(dòng)非常嚴(yán)重，甚至在150m外的住宿樓和食堂都明顯振動(dòng)（宿舍飲水機(jī)上的水桶明顯振動(dòng)，晚上還有明顯的聲音發(fā)出）；但是單機(jī)運(yùn)行時(shí)，不論帶多少負(fù)荷（包括滿負(fù)荷），廠區(qū)卻沒有明顯振動(dòng)；分析、排除后認(rèn)為，此時(shí)2臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，因2臺(tái)機(jī)組過流部件破壞后的振動(dòng)頻率與廠房建筑物的固有振動(dòng)頻率吻合，引起整個(gè)廠區(qū)共振現(xiàn)象。

金康電站的利用小時(shí)數(shù)為5230h，從4月底到11月中下旬都是2臺(tái)機(jī)組都投入運(yùn)行，因此整個(gè)廠區(qū)共振時(shí)間很長(zhǎng)，安全隱患極其嚴(yán)重。

（2）過流部件損壞非常嚴(yán)重

金康機(jī)組大修中發(fā)現(xiàn)經(jīng)過3個(gè)汛期后的過流部件損壞照片如下圖1~圖3。

圖1 導(dǎo)葉照片

圖2 底環(huán)照片

圖3 頂蓋照片

（3）球閥不能開啟

因過流部件損壞嚴(yán)重，過流部件漏水量非常大，旁通閥開啟后，球閥不能平壓。2009年、2011年、2012年多次發(fā)生球閥前后壓差超過2MPa（廠家規(guī)定,球閥前后壓差1MPa以下可以正常開啟），無法開啟，只能提高油泵工作油壓冒險(xiǎn)強(qiáng)行開啟球閥，極度危險(xiǎn)。

（4）經(jīng)濟(jì)損失重大

過流部件損壞嚴(yán)重，不僅帶來重大安全隱患，還造成重大經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)分析，每年最少減少發(fā)電量的電費(fèi)損失740萬元以上（見表1）。

表1

2 分析和對(duì)策

從大修發(fā)現(xiàn)過流部件損壞嚴(yán)重，結(jié)合2009年汛期就發(fā)現(xiàn)的機(jī)組抖動(dòng)、振動(dòng)、噪音明顯嚴(yán)重情況，尤其是整個(gè)廠區(qū)明顯共振的現(xiàn)象，2012年開始，多次組織專題分析討論，一致認(rèn)為，泥沙是造成機(jī)組過流部件損壞的根本原因，過流部件嚴(yán)重?fù)p壞又是造成廠區(qū)嚴(yán)重共振、球閥不能開啟、水耗嚴(yán)重增加等重大安全隱患、經(jīng)濟(jì)損失重大的根源，必須研究解決或減緩泥沙對(duì)過流部件的損壞，保障機(jī)組設(shè)備安全可靠。

2.1 分析

2.1.1 廠區(qū)共振原因分析

2007年上半年以前、2010年都沒有廠區(qū)共振現(xiàn)象；其余時(shí)間都是在汛期2臺(tái)機(jī)組同時(shí)開機(jī)運(yùn)行時(shí)就有廠區(qū)共振現(xiàn)象，單機(jī)運(yùn)行時(shí)都沒有共振問題。

在2臺(tái)機(jī)組大修后經(jīng)歷第二個(gè)汛期開始，只要2臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，不論帶多少負(fù)荷，整個(gè)廠區(qū)抖動(dòng)、共振非常嚴(yán)重。但是單機(jī)運(yùn)行時(shí)，不論帶多少負(fù)荷（包括滿負(fù)荷），廠區(qū)卻沒有共振現(xiàn)象。

在廠區(qū)有共振現(xiàn)象時(shí)，都是機(jī)組過流部件有明顯損壞時(shí)間內(nèi)，并且是2臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)間，其余條件都沒有明顯差異；因此，我們分析、排除后認(rèn)為，因2臺(tái)機(jī)組過流部件破壞后的振動(dòng)頻率與廠房建筑物的固有振動(dòng)頻率吻合，在2臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，引起整個(gè)廠區(qū)共振；電站每年從4月底到11月中下旬都是2臺(tái)機(jī)組都投入運(yùn)行階段，因此整個(gè)廠區(qū)共振時(shí)間很長(zhǎng)，存在重大安全隱患。

2.1.2 過流部件嚴(yán)重?fù)p壞原因分析

金湯河河道天然落差平均比降約4.23%，流域礦物成份主要以綠泥石為主，含有硬礦物如石英、長(zhǎng)石、閃石等。懸移質(zhì)中莫氏硬度大于5的硬礦物含量為5.1%～19.9%，相對(duì)硬度較大。由于上游礦產(chǎn)豐富，私人大量開采礦產(chǎn)，且修路伐林，開墾植坡地等使自然環(huán)境改變，從而加大了地表徑流對(duì)土壤的沖蝕，汛期河流的含沙量大量增加。水庫總庫容69.7萬m3，實(shí)際調(diào)節(jié)庫容約15萬m3，沉沙能力極弱。入庫懸移質(zhì)泥沙多年平均含沙量100g/m3，汛期（6～10月）多年平均含沙量134g/m3，多年平均輸沙量8.45萬t，占全年輸沙量的87.8%。

大家分析后一致認(rèn)為，造成過流部件嚴(yán)重?fù)p壞的主要原因是泥沙含量重，泥沙硬度高造成的，過流部件處的流速達(dá)到58m/s以上（23個(gè)導(dǎo)葉開度間距約6cm，高度23cm，單機(jī)額定流量18.5m3/s），泥沙在高速水流帶動(dòng)下，高速?zèng)_蝕過流部件造成損壞，結(jié)合附近的同類型水電站情況，更加證實(shí)泥沙多是罪魁禍?zhǔn)住?/p>

頂蓋、底環(huán)損壞主要是在導(dǎo)葉軸頸后部附近，本站導(dǎo)葉是偏心的，在軸頸處設(shè)置一突出的圓弧保護(hù)罩，水流在經(jīng)過保護(hù)罩后半部分時(shí)，沖蝕角度明顯很大，引起水流高速（58m/s）向頂蓋或底環(huán)沖擊，引起泥沙沖蝕，形成凹坑，進(jìn)而引起水流紊亂，改變?cè)O(shè)計(jì)工況，造成泥沙磨蝕及氣蝕破壞，引起效率下降和振動(dòng)。

導(dǎo)葉損壞主要是迎水面、尾部與頂蓋或底環(huán)處。迎水面損壞明顯是泥沙在高速水流中對(duì)導(dǎo)葉形成的沖擊磨蝕；尾部與頂蓋或底環(huán)處損壞原因?yàn)椋喉斏w或底環(huán)損壞后，水流紊亂引起的氣蝕和磨蝕。

轉(zhuǎn)輪因現(xiàn)代設(shè)計(jì)能力、加工能力及工藝的不斷完善，轉(zhuǎn)輪質(zhì)量非常高，很少有磨蝕及氣蝕現(xiàn)象發(fā)生，金康電站機(jī)組是GE生產(chǎn)的，實(shí)際應(yīng)用中，基本沒有發(fā)生磨蝕和氣蝕的現(xiàn)象（見圖4、圖5）。

圖4 導(dǎo)葉拼裝圖

圖5 導(dǎo)葉保護(hù)罩水流示意圖

2.2 對(duì)策

因過流部件損壞引起廠區(qū)共振等一系列重大安全隱患，還造成效率下降、水耗增加、嚴(yán)重減少發(fā)電量等經(jīng)濟(jì)損失，必須采取對(duì)策。

通過分析，解決對(duì)策主要有二種方式：

1）縮短大修周期

縮短大修周期，及時(shí)修復(fù)過流部件的損壞，保持設(shè)備完好；在機(jī)組過流部件剛剛損壞或損壞不嚴(yán)重，處于可控制范圍情況下，就安排機(jī)組大修，及時(shí)將剛剛開始損壞的過流部件徹底修復(fù)，保持機(jī)組處于健康良好狀態(tài)，消除或杜絕因過流部件嚴(yán)重?fù)p壞帶來的危害，消除電站廠區(qū)共振等重大安全隱患，同時(shí)極大的提高機(jī)組安全可靠性，為電站安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行打下良好基礎(chǔ)；針對(duì)金康電站機(jī)組可以安排機(jī)組大修周期為1~2年。

2）過流部件噴涂

通過過流部件磨蝕研究，采用新技術(shù)、新工藝、新配方等方式，對(duì)機(jī)組過流部件進(jìn)行噴涂，增加抗泥沙磨蝕能力，杜絕或延緩過流部件磨蝕、氣蝕時(shí)間，保持設(shè)備完好，從而消除因過流部件嚴(yán)重?fù)p壞帶來的危害，消除電站廠區(qū)共振等重大安全隱患，提高機(jī)組安全可靠性。

3 實(shí)施及效果

在此，只介紹過流部件噴涂情況。

3.1 減少泥沙磨蝕分析與實(shí)施

減少泥沙磨蝕也沒有更好的方法，根據(jù)調(diào)查可以采用噴涂方式。四川高水頭、泥沙含量高的水電站較多，泥沙磨蝕很為普遍，走訪華能、川投等多個(gè)泥沙磨蝕嚴(yán)重的水電站，也有采用噴涂方式防護(hù)的，總結(jié)、分析發(fā)現(xiàn)：

噴涂是一個(gè)行之有效的防護(hù)措施，對(duì)泥沙磨蝕起到非常好的減緩作用，過流面損壞現(xiàn)象會(huì)明顯改善；

噴涂部位要有取舍：在對(duì)幾個(gè)水電站泥沙磨蝕及噴涂情況調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)所有過流部位噴涂后的效果是差異極大，并不是都是變好，有些部位反而變差了；所有好噴涂的部位、大面的效果非常理想，對(duì)于小尺寸、小角度的部位都是越噴越壞，尤其是迷宮環(huán)部位，其溝槽寬度25mm、深度為58~85mm，尺寸太小，沒有良好的噴射角度、噴射范圍，無法按照噴涂工藝進(jìn)行噴涂，附著力極差，極易脫落，脫落的殘?jiān)殖蔀榈毒?，將好的迷宮環(huán)磨壞。

金康電站分析后，認(rèn)為迷宮環(huán)的泥沙磨蝕并不嚴(yán)重，而它們的形狀復(fù)雜、尺寸也不好掌握，沒有必要噴涂，即使噴涂，也只是起著反面破壞作用，把噴涂的重點(diǎn)放在大面上。

轉(zhuǎn)輪本體泥沙磨蝕也不嚴(yán)重，也沒有安排噴涂。噴涂所使用的材料、工藝必須嚴(yán)格控制：

對(duì)過流部件（頂蓋、導(dǎo)葉、底環(huán)）的過流表面進(jìn)行熱噴涂的材料，主要是碳化鎢,但各廠家具體配方差異較大。材料來源差異很大,有進(jìn)口材料,也有國(guó)產(chǎn)材料,個(gè)別廠家也有將國(guó)產(chǎn)材料冒充進(jìn)口材料現(xiàn)象。

噴涂工藝我們特別關(guān)心其噴射角度，如迷宮環(huán)就是因?yàn)閲娚浣嵌葻o法保證，才取消對(duì)其噴涂保護(hù)。

噴涂材料及工藝主要受廠家控制，對(duì)電站而言，只能被動(dòng)接受，但噴涂廠家則可以選擇。

3.2 采用噴涂后的效果

（1）過流部件損壞情況明顯改善

1）機(jī)組大修經(jīng)歷1個(gè)汛期后的情況對(duì)比如圖6、圖7。

圖6 沒有噴涂的機(jī)組大修后經(jīng)歷1個(gè)汛期的照片

圖71 號(hào)機(jī)組大修后噴涂經(jīng)歷1個(gè)汛期的照片

2）機(jī)組大修經(jīng)歷2個(gè)汛期后的情況對(duì)比如圖8、圖9。

圖8 沒有噴涂的機(jī)組大修后經(jīng)歷2個(gè)汛期的照片

圖92 號(hào)機(jī)組大修后噴涂經(jīng)歷2個(gè)汛期的照片

（2）消除了整個(gè)廠區(qū)共振的重大安全隱患

2013年初剛剛大修1臺(tái)機(jī)組，2014年初又安排了1號(hào)機(jī)組大修，當(dāng)年廠房及整個(gè)廠區(qū)都沒有共振現(xiàn)象，徹底消除了電站廠區(qū)共振這一重大安全隱患，極大地提高電站安全可靠性，取得非常巨大的安全效益。

（3）消除了球閥不能平壓而不能開啟的重大安全隱患

噴涂后，機(jī)組因過流部件完好，球閥平壓效果極好，當(dāng)然也就沒有球閥因機(jī)組漏水不能平壓而開啟不了的現(xiàn)象，各種情況明顯得到改善，徹底消除了球閥不能平壓而不能開啟的重大安全隱患。

（4）多發(fā)電、多創(chuàng)收

因機(jī)組過流部件沒有損壞，機(jī)組不會(huì)多耗水，相對(duì)原先情況對(duì)比，減少了水耗，提高了水能利用率，在同樣來水情況下，可明顯增加電站發(fā)電量；在最枯季節(jié)，與原先沒有噴涂大修1年后的機(jī)組比較，每天可以多發(fā)電11.47萬kW·h，每年可增加收入740萬元以上。

3.3 噴涂應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

（1）噴涂材料

主要是碳化鎢，各廠家具體配方差異較大。同時(shí)，材料來源差異很大，影響性能，有進(jìn)口材料，也有國(guó)產(chǎn)材料，更有個(gè)別廠家將國(guó)產(chǎn)材料冒充進(jìn)口材料、低質(zhì)材料冒充優(yōu)質(zhì)材料等現(xiàn)象。

（2）噴涂工藝

1）現(xiàn)在大都采用數(shù)控機(jī)械噴涂，要根據(jù)現(xiàn)狀，逐一編程噴涂，切忌圖省事，簡(jiǎn)易工藝，隨便編程處理；

2）要特別關(guān)心其噴射角度。

（3）噴涂部位要有取舍

1）只需要噴涂真正有磨蝕和氣蝕的過流表面，其余面沒有必要進(jìn)行噴涂；

2）對(duì)于狹小、不能滿足噴涂工藝要求的表面絕對(duì)不能噴涂，否則會(huì)起到相反作用，加劇損壞，如齒槽等部位。

（4）噴涂廠家選擇

噴涂材料及工藝主要受廠家控制，對(duì)電站而言，只能被動(dòng)接受，但噴涂廠家則可以選擇，不同的廠家材料選擇、工藝控制差異明顯，其噴涂效果的差異非常大。

（5）理論上噴涂同樣適用泥沙不多機(jī)組的各種氣蝕損壞，通過噴涂延長(zhǎng)使用壽命。

4 結(jié)論

通過以上分析和對(duì)比，對(duì)于泥沙含量多、機(jī)組過流部件損壞嚴(yán)重的水輪發(fā)電機(jī)組，易產(chǎn)生機(jī)組振動(dòng)，甚至整個(gè)廠區(qū)產(chǎn)生共振等一系列重大安全隱患，同時(shí)因偏離設(shè)計(jì)工況，耗水急劇增加，經(jīng)濟(jì)損失很大。

通過對(duì)過流部件進(jìn)行噴涂防護(hù)，極大地減緩泥沙磨損及氣蝕，消除機(jī)組振動(dòng)和廠區(qū)共振及球閥不能開啟的重大安全隱患，機(jī)組還多發(fā)電，對(duì)機(jī)組及整個(gè)水電站發(fā)揮出巨大的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

TK730

B

1672-5387（2017）05-0028-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.07

2016-02-15

蔡正華（1961-），男，高級(jí)工程師，從事水電站機(jī)電運(yùn)行、檢修工作。