魏家堡水电站提高水机抗磨蚀能力的措施

邓增录

（宝鸡峡魏家堡水电站，陕西 宝鸡 722300）

一、工程概况及磨蚀情况

宝鸡峡魏家堡水电站位于陕西省眉县境内，渭河宝鸡峡塬上总干渠84+365m处，是利用塬上干渠给塬下灌区补水及非灌溉期弃水进行发电的渠道式电站，于1998年底建成投产。共装设3台混流式发电机组，总装机1.89万kW，水轮机型号为HLX280-LJ-138，主要参数为：运行水头95.46～99.72m，设计工作水头96.2m，转轮直径1.00m，额定转速600r/min，额定出力6300kW。

魏家堡水电站为渠道式电站，水电站的泥沙来源主要为渭河宝鸡峡渠首以上河道。根据林家村水文站1980-1994年共15年泥沙资料统计，多年平均悬移质输沙量9680万t，多年平均含沙量47.3kg/m3。其中汛期输沙量8590万t，占年输沙量88.7%，汛期平均含沙量73.6kg/m3，多年平均推移质输沙量176万t。魏家堡水电站设计流量23.55m3/s，由逐日的发电引水流量及林家村水文站实测的逐日平均含沙量计算得出满发年过机沙量为797万t，占渠首年输沙量的8.23%，汛期过机沙量663万t，占年平均过机沙量的83.2%，6～9月平均过机沙量38.1kg/m3，7～8月份平均过机含沙量50.3kg/m3。

泥沙对机组的磨蚀问题较为严重，该电站1998年底投产，当年运行2727h后适逢汛期到来，机组磨蚀加剧，效率迅速下降。以3＃机为例，上下止漏环间隙由安装时的0.12mm磨损到12mm，活动导叶端面密封全部磨掉，导叶尾部被泥沙磨掉20mm左右，造成运行时难以迅速并网，停运时难以停机，不得不进行大修和技改。

二、减轻磨蚀的工程措施

电站在设计阶段就充分考虑了渭河“水大带大沙，水小带小沙”的特点，十分重视泥沙对水轮机的磨损，采取了以下两项工程措施，科学布置水工设施，旨在减少过机沙量。

1.在电站压力前池内设置排沙孔及导沙墙

导沙墙呈曲线型，其最佳高度确立在前池最低运行水位时能可靠引流发电，排沙孔设于进水口右侧，形成正向取水，侧向排沙，构筑工程措施上阻拦泥沙的最后一道防线。

2.利用渠道现有沉沙槽发挥降沙、沉沙效果

由于魏家堡水电站过机沙量很大，因此防止粗沙过机对水轮机磨蚀是该站解决泥沙的主要问题。据分析计算，渠首沉沙槽在正常运行情况下，可以使悬移质泥沙中d≥0.25mm的泥沙沉降80%以上，使魏家堡水电站年平均粗沙（d≥0.25mm）的过机沙量由0.38kg/m3减少到0.076kg/m3。

采取以上两项水工措施后，通过试运行证明取得了一定效果，但仍不能从根本上解决磨蚀问题。

三、提高抗磨蚀能力的技改措施

1.优化水机参数

(1）重新设计转轮。流道中含沙水流相对速度较大，是造成泥沙磨损的主要原因之一。与同等水头电站相比较，魏家堡水电站机组转速高、水头高、体积小，因而比转速偏高。机组大修时，根据实际工况对转轮进行重新设计改造，新转轮将叶形进行了优化，降低了相对流速，据测算，新转轮水流入口速度比原来降低了18%左右，减少了进口撞击损失。

(2）调整导叶翼形。导叶是重要的导水部件，原导叶在解决水流入口角度及撞击角度方面有一定缺陷，不合理的翼形造成过水流态发生变化，容易产生空腔汽蚀，空蚀的产生又导致了磨蚀的加剧。新导叶设计线形更好，翼形科学，首次引用了尾部斜面结构技术，使水流更平顺流畅，从而有效减少叶面脱流，缓解了涡流空蚀与磨损。

2.改善过水部件结构

(1）增加减压孔孔径和倾角。技改期间，在新转轮上采取了扩大减压孔直径的措施，将孔径由原来的Ф40增加到Ф50，同时增加减压孔倾角，使其出水孔口尽可能接近负压区，能使上冠上积聚的高压泥沙水尽快排泄，减少泥沙对上止漏环、上冠、顶盖的磨损，还可减轻轴向水推力，从而减少推力瓦负担。

(2）采用长泄水锥，大修后的泄水锥比原泄水锥长了约40mm。据试验证明，长泄水锥的高压脉动区域比短泄水锥小，且幅值也小。因此，大修后重新设计的转轮采用了长泄水锥，减少了尾水管的脉动压力，有效改善了汽蚀。

3.采用优质材料，提高抗磨蚀能力

(1）转轮采用抗空蚀性能良好的6Cr13Ni4Mo不锈钢转轮，转轮叶片采用不锈钢板热压成形，数控车床加工，大大提高了转轮叶片与模型的相似性。

(2）顶盖、底环过流面镶嵌高分子材料聚乙烯板，抗磨蚀性能是不锈钢的数十倍，韧性好、不脆裂，温度范围广，易于加工，在底环表面与顶盖下平面均采用8块拼装，高强度螺栓沉头镶嵌，经10多年运行观察，无磨损汽蚀，只有少量水中漂浮物划痕。实践证明，高分子聚乙烯是水电站理想的抗磨蚀优质材料。

(3）涂敷防护材料。大修期间还对高流速区的部件，包括导叶、转轮叶片等用最新高速火焰（HVOF）喷涂技术进行表面碳化钨—钴（SXHTO）材料喷涂。该项技术是把喷涂材料以粉末状态注入高速喷射的火焰中，燃料为氢氧混合体，温度为3000℃，喷射速度为2000m/s，高温高速的气体使加速运动的粉末颗粒紧密均匀地镶嵌在基材表面上，从而形成少空隙、低氧化、高粘合力、低残余应力的高质量涂层。由于高速运动的颗粒与基材表面是物理结合，其特点是：基材表面温度低于150℃，基材不发生任何形变，表面硬度可达1100～1300HV300,涂层厚度0.3～0.5mm。采用上述技术措施，大大提高了过水部件表面的抗磨蚀能力。

四、减少磨蚀的工程运行措施

一是，实行科学调度，库渠结合综合运用，趋利避害，发挥库渠应有的沉沙、排沙效果。

二是，电站压力前池采用间歇排沙运行方式，即当泥沙淤积高程接近导沙墙高程时，开启冲沙闸排沙，排沙结束后关闸发电，当有多余弃水时优先开启冲沙闸边退水边排沙，尽可能减少粗沙过机。

三是，科学控制过机含沙量上限，根据运行经验及技改大修后防磨蚀技术的加强，该站汛期含沙量由过去的5%放宽到8%，超过8%就及时停机，以防粗沙过机形成恶性循环。

四是，尽可能以最佳或接近最佳工况运行，减少半负荷以下运行，有效避免振动、汽蚀发生。

五、结 语

经过不断探索，魏家堡水电站机组磨蚀问题得到了有效的控制。单机运行小时已从当初的2700h延长到现在的9700h，大修周期由过去的1年延长到3年，经济效益十分可观。发电量由2000年的2800万kW・h提高到2009年的9100万kW・h，发电年收入从800多万元提高到2700多万元。