尼泊尔上达吉水电站减轻水轮机泥沙磨蚀的综合措施

唐 蕾，莫春霞

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

尼泊尔上达吉水电站减轻水轮机泥沙磨蚀的综合措施

唐 蕾，莫春霞

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

文章针对多泥沙河流上的水电站水轮发电机组磨蚀问题，通过分析电站的过机泥沙情况，减少过机泥沙、提高水轮机过流部件防护能力、结合设备选型和制定检修运行方案等多个方面，提出一套减轻水轮机泥沙磨蚀的综合措施，保障多泥沙河流上水电站水轮机的可靠运行。关键词：泥沙;磨蚀;沉沙池;机组参数;避沙运行

水轮机磨蚀问题一直是影响位于多泥沙河流上的水电站水轮发电机组安全稳定运行的一个难题。当通过水轮机的水流泥沙含量较大、泥沙颗粒直径及硬度较大时，对于水轮机过流部件，尤其是转轮将会造成磨蚀破坏，进而影响水轮机的高效稳定运行。

本文主要结合尼泊尔Kaligandaki Upper 水电站(以下简称“上达吉水电站”)的前期设计，通过分析电站的过机泥沙情况，减少过机泥沙、提高水轮机过流部件防护能力、结合设备选型和制定检修运行方案等多个方面，提出一套减轻水轮机泥沙磨蚀的综合措施[1]。

1 上达吉水电站概况

上达吉水电站位于尼泊尔中部贝尼-佐姆索姆路的Kaligandaki河。Kaligandaki河发源于尼泊尔边境北部的青藏高原，为恒河左岸根德格河上游干流纳拉亚尼河的一级支流。上达吉水电站为径流式电站，正常蓄水位1 025.00 m，死水位1 024.00 m，电站水头为132.0 m。装设2台混流式水轮机，单机容量为32.5 MW。

电站以发电为主，在电力系统中主要承担基荷。

2 上达吉水电站泥沙参数

(1) Kaligandaki河含沙量及颗粒级配见表1、2。Kaligandaki河矿物成分见表3。

表1 Kaligandaki河各时期的含沙量表

从表1～3中数据分析：在不设置沉沙措施的情况下，上达吉水电站多年平均悬移值输沙量为7.84 kg/m3，其中粒径小于0.25 mm的泥沙颗粒占95.5%，莫氏硬度大于5的泥沙颗粒占41%。

表2 Kaligandaki河泥沙及颗粒级配表

表3 Kaligandaki河矿物成分表

3 减小泥沙磨蚀的综合措施

针对上达吉水电站的天然泥沙情况，为了减少泥沙对水轮机的磨蚀破坏，设计人员从减少进入水轮机泥沙含量、提高水轮机过流部件的防护能力以及制定安全运行检修方案等多个方面提出一套减轻上达吉水电站水轮机泥沙磨蚀的综合措施。

3.1 采取沉沙、排沙措施

为减少进入引水隧洞泥沙含量，降低泥沙对水轮机组的磨蚀破坏，在引水隧洞上游修建有多种沉沙、排沙工程。具体措施: 设置泄洪冲沙闸，能够有效地起到排沙、拉沙作用，将上游河床底板推移质泥沙排至下游河床； 在取水口闸墩末端以及溢流侧堰前缘部位分别设置1道集沙槽，并采用钢管进行排沙；另外，沉沙池后部压力前池底部高程低于隧洞进口底板高程0.5 m，再次将通过沉沙池的泥沙进行沉淀，并设置放空兼排沙管[2-3]。沉沙池结构剖面如图1 所示。

图1 沉沙池结构剖面图 单位：m

针对全年河水悬移质泥沙含沙量高的特点，隧洞前部设置沉沙池，能够阻挡超过0.25 mm粒径泥沙进入水轮机，并有效降低引水泥沙含量；通过模型试验数据(泥沙级配测试结果见表4 )表明，设沉沙池后，过机总含沙量由原来的7.47 kg/m3减少为4.92 kg/m3；泥沙中的大颗粒泥沙(直径>0.25 mm)的含量从0.232 kg/m3减少为0.0123 kg/m3，减少了将近20倍。

对于水轮机来说，大颗粒(直径>0.25 mm)、高硬度(莫氏硬度>5)的泥沙颗粒对于机组的运行危害性更大。因此，设置沉沙池及采取相关的排沙措施可以减少过机泥沙含量，尤其是大大地降低了对水轮机有危害的大颗粒、高硬度泥沙的含量。

3.2 提高水轮机过流部件抗磨蚀能力

为了提高水轮机过流部件抗泥沙磨蚀的能力，在水轮机设计的过程中，针对水轮机参数的选择、水轮机过流部件结构的设计、水轮机转轮及过流部件防磨蚀工艺措施等多个方面提出综合措施。

(1) 水轮机参数的选择

由于该水电站过机泥沙含沙量大，参考类似电站的经验，该电站不宜追求较高的比转速值及比速系数。较低比转速的水轮机转轮直径较大、质量较重、刚度和强度较好，流道中相对流速低。由于转轮磨损大体上与相对流速的3次方成正比，因此，选用较低的ns值及K值，转轮磨损量将明显减少，同时这类水轮机有较好的空化性能和稳定性。因此，在上达吉水电站前期设计时舍弃了180 m水头段参数指标较高的HLA855a、HLS166等模型转轮，改用230 m水头段的HLA575C模型转轮进行水轮机参数及厂房控制尺寸计算。经计算分析，上达吉水电站取额定转速375 r/min，比转速为153 m.kW，相应的比速系数为1 758。基本上已达到同水头段水电站比转速系数范围的中、下水平。

表4 泥沙级配测试结果表

(2) 水轮机过流部件结构的设计

水轮机主要过流部件结构对于进入水轮机水流的通畅性会造成很大的影响。为了改善水力性能、消除局部气蚀、减小叶片出水边背面和下环内侧表面的磨损，机组在招标阶段与制造厂配合，优化水轮机过流部件的结构设计，提高设备本身的抗磨蚀能力[4]。同时，增加座环、顶盖、底环的刚度，并适当减少导叶上下断面间隙的设计值和制造误差。顶盖和底环抗磨板采用可拆式结构，在导叶处于关闭状态的各间隙部位加装耐磨蚀的止水密封，减轻汛期水轮机停机状态下，导叶间隙射流所引起的磨蚀损坏。除此以外，过流部件的加工精度，对于水轮机的抗磨蚀性能也有很大的影响。高泥沙河流上的电站，在机组招标时，应提高对水轮机尤其是过流部件加工精度的要求[5]。

(3) 水轮机转轮及过流部件防磨蚀工艺措施

从水轮机转轮及叶片的母材选用上，在机组招标时要求选用具有较好的机械性能、机加工性能的不锈钢材料，如ZG00Cr16Ni5Mo材料。该材料含碳量低、可焊性好，对电站现场的叶片修复更为有利，很适合于高水头、多泥沙水电站的转轮及叶片加工。另外，在过流部件的表面喷涂抗磨蚀材料，对于提高水轮机过流部件的抗泥沙磨损性能是很有效的。许多泥沙河流电站还采用在转轮及导叶的过流表面喷涂非金属材料，如环氧金刚砂涂层、聚氯酯涂层等。但是现在随着喷涂材料的发展，越来越多的电站采用碳化钨等金属代替原来非金属材料。实验及运行数据表明，其抗磨蚀性能较非金属材料更好。在喷涂技术方面，HVAF等新的涂层技术也替代了传统的热喷涂技术，使得喷涂材料与水轮机部件的贴合性更好，进一步提高了过流部件的抗磨能力[6]。

3.3 制定合理的水轮机检修方案

虽然已经采取上述相关的防磨蚀措施，但仍有一定的有害泥沙进入水轮机内部，为了保证水轮机的安全稳定运行，制定合理的检修方案能保证水电站的安全、经济、稳定运行。

(1) 大修周期的选择

根据DL/T 838—2003《发电企业设备检修导则 》[7]，水电站检修分为A、B、C、D级检修。A级检修是指对发电机组进行全面的解体检查和修理，以保持、恢复或提高设备性能。B级检修是指针对机组某些设备存在问题，对机组部分设备进行解体检查和修理;B级检修可根据机组设备状态评估结果，有针对性地实施部分A级检修项目或定期滚动检修项目。C级检修是指根据设备的磨损、老化规律，有重点的对机组进行检查、评估、修理、清扫;C级检修可进行少量零件的更换、设备的消缺、调整、预防性试验等作业以及实施部分A级检修项目或定期滚动检修项目。D级检修是指当机组总体运行状况良好，而对主要设备的附属系统和设备进行消缺[7]。

根据上达吉水电站的特点，根据规范[7]相关规定，参照国内其它多泥沙河流(如黄河)上水电站的检修运行情况，拟定上达吉水电站检修方案如下：

投产第1年进行1次A级检修；以后每间隔4 a进行1次A级检修；在两次A级检修之间，安排1次机组B级检修；除有A、B级检修年外，每年安排1次机组C级检修；每年在汛期中间增加1次D级检修(停机检查转轮叶片是否有裂纹，若有裂纹，修复时间为15 d，若无裂纹，停机1 d)。

本电站各类检修的停机时间为：A级检修为60 d，B级检修40 d，C级检修7 d。

(2) 尽量缩短检修时间

参考中国黄河上水电站的运行经验，机组设计时可采用易于检修维护的结构方案，各机组均在水轮机室设有可拆卸的吊环，能在不拆卸发电机的情况下，在水轮机室内整体起吊水轮机顶盖、活动导叶以及底环，并固定在发电机下机架上，从而可以方便地检查及修补水轮机的上下止漏环以及转轮叶片、下环等易磨损部位，有效地缩短检修时间。

3.4 汛期的合理调度运行

机组在振动区域运行将会增加泥沙对机组的磨蚀破坏，为了降低水轮机磨蚀程度，水电站投入运行后，应尽量避开在机组的振动区域运行或尽量减少在振动区域的运行时间[8]。同时，应结合汛期上游河道的来沙情况，适当考虑避沙峰运行。另外，为了停机时保护导叶，进水阀宜停机关闭。

4 结 语

对于多泥沙河流上的水电站设计来说，制定合理有效的减轻水轮机泥沙磨蚀综合措施对于水轮机乃至整个电站安全稳定运行是十分重要的。这也是设计人员在电站的前期设计中必须考虑的一个综合性的技术问题。

根据中国多泥沙水电站的运行经验，减轻水轮机磨蚀的方案已由单一的防护措施发展为多方面综合治理。因此，从水电站设计的前期就应该充分考虑枢纽布置、机组参数的优化；招标阶段开始，就应根据电站的泥沙资料，除有针对性地选择空蚀性能好的转轮外，对其它过流部件的材质也应选择抗磨蚀性能好的材料；后期运行中，要合理地安排机组的负荷调度，尽量使机组在最优工况下运行，适当并制订相应的防范措施，从而减轻机组的磨蚀程度，延长机组使用寿命，使水电站获得更好的经济效率。

[1] 孟安波,殷豪,陈德新.多泥沙河流水轮机的磨蚀与防护技术的研究[J].中国农村水利水电, 2008(04):115-116.

[2] 中华人民共和国水利部.水工(常规)模型试验规程: SL155-2012 [S].北京:中国水利水电出版社,2012.

[3] 中华人民共和国水利部.水利水电工程沉沙池设计规程:SL269-2001 [S].北京:中国水利水电出版社,2001.

[4] 温晓军,张冰雪.万家寨水电站水轮机抗磨蚀的主要措施[J].中国水利,2006(06):61-62.

[5] 汤永明.浅谈多泥沙电站水轮机抗磨蚀的措施[J].机电技术,2006(03):28-30.

[6] 王成远.昌马总干渠梯级电站水轮机泥沙磨蚀问题与解决方案讨论[J].中国水运(下半月),2014(06):148-149.

[7] 中华人民共和国国家经济贸易委员会.发电企业设备检修导则:DL/T 838-2003[S].北京:中国电力出版社,2003.

[8] 杜敏,刘正勇,陈祖嘉.多泥沙河流水轮机泥沙磨蚀及防护研究[S].人民长江, 2011(24):73-75.

General Measures to Mitigate Turbine Abrasion from Sediment

TANG Lei, MO Chunxia

(Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081,China)

Regarding the unit abrasion of the hydropower stations on the sediment-rich river, a series of general measures to mitigate the unit abrasion from sediment and secure the reliable operation of the turbine on the sediment-rich river are proposed in terms of analysis on the sediment passing the unit, decreasing the sediment passing the unit, improving protection to the flowing components of the turbine, combining equipment type selection and compiling special maintenance and operation schemes, etc. Key words:sediment; abrasion; sand trap; unit parameter; operation without sediment

1006—2610(2016)06—0059—03

2016-10-12

唐蕾(1980- )，女，贵州省大方县人，高级工程师，从事水电站水力机械设备设计工作.

TK730;TV734.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.015