大石峡水电站水轮机防泥沙磨蚀综合措施

段宏江,赵 妍,刘 君

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

大石峡水利枢纽工程是国务院批准近期实施的 172 项国家重大节水供水工程建设项目之一，工程位于新疆阿克苏河一级支流库玛拉克河中下游的大石峡峡谷河段，主要功能是向塔里木河干流以灌溉为主，结合防洪、兼顾发电等综合利用。大石峡水电站是库玛拉克河上的龙头水库电站，其径流河水来源于高山积雪融化，水库正常蓄水位1 700.00 m，水库总库容 11.7亿m3，多年平均年发电量18.93亿kWh，装机年利用小时数2 524 h，拦河坝最大坝高247 m，是目前在建的世界最高混凝土面板堆石坝，电站装有3台单机容量250 MW混流机组，是新疆单机容量和装机容量最大的常规水电站。大石峡水电站的过机泥沙呈现出“两大一高”的特征：泥沙含量大，多年入库平均含沙量达到3.15 kg/m3；泥沙粒径大，入库悬移质泥沙颗粒级配平均粒径为0.049 mm；泥沙硬度高，莫氏硬度>7 的硬矿物成分含量达50%以上[1]。根据作者在黄河流域、甘肃地区、新疆地区等多泥沙河流上多年的水轮机防泥沙磨蚀设计经验，初步判断大石峡水轮机运行后泥沙磨损比较严重，必须引起各方足够重视。

大石峡水利枢纽采用了引水岸边式地面厂房布置，作为龙头电站规划了较大的水库调节库容，但是为了灌溉防洪，枢纽大坝机组段取水口的位置相对较低，很难完全防止推移质泥沙进入引水发电系统。通常认为水轮机磨蚀是水轮机在空蚀与泥沙磨损联合作用下的破坏现象[2-4]，近年来的实践证明,在空蚀和泥沙磨损联合作用时，水轮机过流部件的磨损加速，是由于空蚀现象加剧了泥沙磨损的强度；此外，水轮机过流部件在遭受泥沙磨损的情况下反过来又加剧了空蚀破坏，所以空蚀和泥沙磨损被认为相互加剧彼此的破坏强度。影响水轮机泥沙磨蚀的因素可分为泥沙有关的因素和水轮机有关的因素两大部分,泥沙有关的因素主要是泥沙颗粒本身的特性，如颗粒尺寸、颗粒形状、颗粒矿物成份、颗粒硬度等[5]；水轮机有关的因素主要是选型设计参数水平高低、水力设计优劣、运行及检修维护情况等[6-7]。基于以上原因，需要统筹考虑水轮机水力设计、结构设计、机组运行及检修维护、水工建筑物的拦排沙设计等措施。本文依托新疆大石峡水电站，对水轮机的水力设计优化、水轮机过流部件的结构设计、泥沙磨损深度分析与大修周期预判、过流部件喷涂及现场修复方案等多个方面开展分析，提出多泥沙河流水轮机过流部件预防泥沙磨蚀的系统解决方案，为水轮机防泥沙磨蚀提供借鉴。

1 电站泥沙特性

大石峡水电站多年平均悬移质输沙量1 536万t，多年入库平均含沙量3.15 kg/m3，汛期(6—9月)入库平均含沙量3.39 kg/m3，大石峡水库运行不同年限的过机含沙量见表1。

表1 大石峡水库运行不同年限的过机含沙量

大石峡入库悬移质泥沙颗粒级配采用协合拉站实测的悬移质颗粒级配资料分析成果如表2所示。从表中可见中值粒径d50为0.018 mm，平均粒径dm为0.049 mm，最大粒径dmax为0.5 mm。

表2 协合拉站悬移质泥沙颗粒级配成果

协合拉站悬移质泥沙矿物成分沙样矿物成分分析成果见表3，其中石英占45%，方解石占40%，铁质占5%，绿泥石占2%，黑云母、角闪石偶见，硬矿物成分含量在50%以上。

表3 协合拉水文站悬移质泥沙矿物成分成果

2 水轮机的水力设计优化

2.1 水轮机基本技术参数选择

大石峡初步设计水轮机选型方案中，应适当降低水轮机的比速系数应用水平，尽量选取相对略低一档的机组额定转速、增大转轮直径，减小导叶区和转轮流道内水流相对速度，良好的水力设计有助于水轮机流道中压力和流速分布均匀，有利于避免脱流与旋涡的产生、避免发生压力和流速的急剧变化、减少过流损失，以及防止或减缓过流部件的泥沙磨损。大石峡水电站的水轮机最高水头为216.7 m，最低水头为145.5 m，水头变幅达到1.49，属于水头变幅较大的水电站，水轮机水力设计的难度相对较大。大石峡电站原则上由新疆省调及阿克苏地调两级调管，在电网中担负南疆的调峰调频职责，设计要求水轮机具有0～100%Pr全负荷宽范围稳定运行的能力[8]。在20世纪90年代中期，业内针对混流式水轮机开始研究长短叶片转轮，也就是在传统的长叶片之间，沿转轮进口圆周方向相互交替配置短叶片，长短叶片布置型式的强化整流能力使部分负荷时的二次回流得到抑制，使部分负荷时的水压脉动相对减小，良好的水力设计使得这种叶片布置形式具有一定的高抗泥沙磨损性能。2020年经过机组公开招标，结合李家峡、拉西瓦水电站的增容改造经验，大石峡水轮机选取了哈尔滨电机厂研发的长短叶片(15+15)转轮，并搭配了24个导叶，大石峡长短叶片转轮区域流线如图1所示，双列叶栅速度分布如图2所示。

图1 长短叶片转轮区域流线

图2 双列叶栅速度分布

图3为大中型混流式水轮机额定水头与比转速关系统计曲线。大石峡水轮机在额定水头190 m、额定出力255.1 MW时，对应的比转速ns范围在为141.5～159.6 m·kW，相应的比速系数K值在1 950～2 200，初步设计时对机组额定转速166.7、200、214.3 r/min进行了比选，最终选择了比转速143.2 m·kW、比速系数1 974、额定转速200 r/min、导叶相对高度0.177D1的宽范围运行的基础转轮A1658，水力设计时适当加大了导叶分布圆导叶分布圆相对直径，使得水流在更大的圆周上通过导叶，相同的流量流过了更大的过流空间，因而大大降低了水流扰动，水流对过流部件的磨蚀也相应降低。大石峡原型转轮直径D1=4.6 m，转轮出口直径控制在D2=3.7973 m，转轮过流部件的水流最大相对流速较小，转轮出口的最大相对流速平均值控制不大于40 m/s，导叶出口流速平均值不大于30 m/s，转轮本身有很好的抗泥沙磨损特性。

图3 大中型混流式水轮机额定水头与比转速关系统计曲线

2.2 水轮机无空化运行

在多泥沙电站水轮机选型设计时，需要尽量使水轮机在所有运行区域无空化运行，尤其要注意高水头部分负荷时不能出现初生空化问题，因为当导叶开度减小时转轮总体磨损速率有明显的提高。近年来，通过精准的水轮机模型试验来确定水轮机的空化设计参数，适当降低水轮机的安装高程，增加水轮机的吸出高度，能够减少水轮机空化的产生。针对多泥沙问题，国内科研结构曾在专门的混水试验台上进行过多轮次的混水性能对比试验，结果表明挟沙水流对水轮机的效率和压力脉动没有太大影响，但随着泥沙含量的增加，水轮机的初生空化系数有增大趋势。因此我们在确定多泥沙电站吸出高度时应留有较大裕度，泥沙问题不突出的水轮机初生空化安全系数一般取1.10～1.15，而对于多泥沙电站建议适当增大到1.20～1.30。在大石峡水轮机招标设计中要求水轮机初生空化安全系数不小于1.30。2021年大石峡模型转轮A1658在中国水利水电科学研究院进行了验收试验，试验结果证实哈尔滨电机厂提供的A1658模型转轮具有良好的空化特性。按照模型转轮验收试验的结果，在电站全部正常运行范围内，电站空化系数σp与临界空化系数σc的比值在 2.8倍以上，电站空化系数σp与初生空化系数σi比值在 1.39倍以上，转轮空化裕度很大。由此可以预见大石峡水电站的水轮机基本能够在工况下无空化运行，基本可以避免水轮机空蚀和泥沙磨损的联合作用。

3 水轮机过流部件的结构设计

为了改善水轮机过流部件的抗泥沙磨损能力，减小过流部件的损坏程度，在大石峡水轮机招标文件审查时比较了ZG04Cr13Ni4Mo和ZG04Cr16Ni5Mo两种不锈钢材质性能。据了解，鲁布革水电站单机容量150MW的水轮机转轮采用了ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢材质，经过6个汛期的长期运行后发现转轮空蚀磨损轻微；三门峡水电站的水轮机运行经验也表明ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢材质的耐磨性优于ZG04Cr13Ni4Mo不锈钢材质，这是由于ZG04Cr16Ni5Mo含碳量更低，有更多的逆变奥氏体，具有很好的机械性能、机加工性能和铸造性能，可焊性更好，可以不进行预热焊接，这对电站现场修复更为有利，所以在机组合同中规定大石峡水轮机的叶片及上冠、下环均采用ZG04Cr16Ni5Mo，并要求转轮叶片硬度不低于280HB，叶片采用VOD(或AOD)精炼，并要求转轮叶片加厚倒角修圆的出水边，以便在汛后磨损后的修补；转轮叶片采用五轴数控铣床加工，提高了叶片型线的精度及过流表面质量，从而有效的保护叶片表面，降低空化及泥沙磨蚀程度；对转轮上下止漏环创新地采用倒T型倾角阶梯式，最大程度降低泥沙的存留，上下止漏环结构设计为可拆卸结构，防止进出口等部位遭到磨损后及时更换；导叶采用抗空蚀及抗磨性能良好的ZG04Cr16Ni5Mo电渣熔铸的不锈钢材料，设置轴颈密封及下排水观测方案，防止泥沙进入导叶和轴承而造成磨损，增强导叶的抗磨蚀能力；顶盖及底环的过流面采用抗空蚀及抗磨性能良好的ZG04Cr13Ni5Mo 不锈钢材料，顶盖径向刚度为2.78×107N/mm，远远超过水导刚度一般大于1.66×106N/mm 的设计要求，避免水轮机流道充水后因水压作用导致变形。

4 泥沙磨损深度分析与大修周期预判

当高泥沙含量水流流过水轮机的过流部件时，不可避免地会造成水轮机过流部件的表面磨损，如果遇到高水头部分负荷运行时，难免发生压力和流速的急剧变化，泥沙磨蚀会破坏水轮机过流部件的型线，甚至会造成部分部件的破损和缺失，造成水轮机效率的大幅下降，对泥沙磨损破坏严重的部件，需及时修复或更换，避免“带病”运行。造成水轮机泥沙磨损的泥沙颗粒影响因素主要有：过机泥沙含量、颗粒矿物成份及硬度、颗粒形状、颗粒大小等。水轮机大修间隔时间主要取决于水轮机转轮和导叶的损坏情况。按照最新的IEC 62364-2019《Hydraulic machines-Guidelines for dealing with hydro-abrasive erosion in kaplan，francis，and pelton turbines》[9]的规定，本文对大石峡主要过流部件的未喷涂方案和HVOF喷涂方案的泥沙磨损深度进行了计算分析，并对水轮机度大修周期TBO(time between overhaul for target unit)进行了预判。

4.1 泥沙磨损深度的分析

按照IEC 62364-2019附录建议的计算方法，对大石峡水轮机主要过流部件进行磨损深度的计算分析，计算公式见表4和表5。

表4 水轮机过机泥沙载荷修正量

过机泥沙载荷修正量：

PL=C×Khardness×Ksize×Kshape×TS

(1)

过流部件的平均磨损深度：

S=W3.4×PL×Km×Kf/RSp

(2)

依据GB/T 29403-2012《反击式水轮机泥沙磨损技术导则》[10]要求的磨损保证值：水轮机叶片出水边不应磨穿，普遍磨损的最大深度不应超过4 mm，抗磨板的局部磨损不应超过10 mm或不应磨穿，其他部位的局部磨损的最大深度不应超过8 mm，各个过流部件允许的磨损深度不应危及水轮机安全运行。由上表可知，大石峡未喷涂前主要过流部件的磨损不能满足规范的要求，采用HVOF硬喷涂后的水轮机部件泥沙磨损深度基本满足现有规范要求。

4.2 大修周期的预判

按照IEC62364-2019附录建议的计算方法，对大石峡水轮机大修周期TBO进行评估，计算公式及基本参数见表6。

表6 大修周期TBO评估相关基本参数

目标水轮机大修周期(h)：

TBOtarget=Sref/Starget×TBOref

(3)

Km,ref/Km,target×Kf,ref/Kf,target×Dtarget/Dref

(4)

按照导则中规定的水轮机泥沙磨损保证期不宜短于4 a的要求，大石峡机组招标文件审查时规定水轮机的大修周期不小于5 a，由上表初步估算可知，大石峡水轮机过流部件进行HVOF喷涂后的水轮机大修周期约为6.1 a，能够满足招标文件和现有规范要求。

5 过流部件喷涂及现场修复方案

国内在鲁布革、瑞丽江、渔子溪、大盈江、刘家峡等多个水电站的水轮机过流部件中使用过碳化钨硬喷涂，涂层有很高的表面硬度(1 100～1 300 HV)，试验表明其耐空蚀性能约为不锈钢的1.55倍，抗泥沙磨损性能约为不锈钢的91.5倍。刘家峡等电站的运行实践表明，采用硬喷涂防护措施后，水轮机过流部件的大修周期可提高约3～5倍。根据大石峡水轮机不同过流部件的泥沙磨损深度预测分析结果，对水轮机过流部件表面进行“硬软结合、分区喷涂”的喷涂方案，对主要过流部件转轮、活动导叶过流面及其上下端面、顶盖抗磨板、上下固定止漏环表面及过流面、底环、筒阀密封压板表面及筒阀阀体底部等流速较高的过流面采取碳化钨超音速硬喷涂(HVOF)，提高过流部件的抗磨损性能；对流速相对低的一些座环、固定导叶过流面视运行情况择机进行聚氨酯软喷涂。

根据泥沙磨损的评估分析结果，预计大石峡水轮机的泥沙磨损问题比较严重，可能会出现运行几年以后过流部件涂层破坏而需要修复的情况，因此设计预留了过流部件碳化钨喷涂现场修复的措施，当水轮机过流面需要进行再次喷涂修复时，可在安装场搭建大型可移动喷涂除尘隔音间，施工作业时采用有效的除尘防护措施，在现场设计配置动力配电盘柜和检修吹扫装备，并根据现场的施工环境安装必要的通风设备。根据刘家峡水轮机现场修复的经验，喷涂现场修复施工工艺流程主要有：修前检查(含探伤)和记录→清洗表面→标识缺陷→打磨→补焊→初磨→精焊→精修→尺寸型线校核→初步验收→确认喷涂部位→表面活化→喷涂→涂层检测→封孔剂涂刷→抛光→清理→验收。需要使用的修复设备主要有：水冷式喷涂系统(HVOF)+六轴施工机器人，选择喷涂的粉末为水轮机专用抗磨蚀粉料AMDRY5843或类似进口产品，具体操作方案是把喷涂材料以粉末状态注入高速喷射燃烧的火焰中，其喷射速度超过2 000 m/s以上，粘接结合强度大于70 MPa，涂层抗空蚀能力与ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢相当，表面粗糙度不大于6.3 um，喷度厚度达到0.3 mm，从而形成少孔隙(<1%)、低氧化、高粘合力、低残余应力的高质量涂层，喷涂完成后机组可进行正常调度并安全稳定运行。通过上述综合措施，大石峡电站的水轮机大修间隔时间达到5～6 a是完全可以得到保证的。

6 结 论

(1)大石峡水电站在设计中采用当机组较长时间停机时，可以采取关筒阀防漏水的措施，能大大减少导叶轴颈、导叶瓣体上下端面及出水边密封位置的泥沙磨损，延长水轮机大修周期。

(2)碳化钨材质属于硬度大的合成物，缺点是不能承受大颗粒泥沙的冲击，大颗粒石子的高速冲击容易造成喷涂面的脱落，更容易导致水轮机过流面基础材料的空蚀和侵蚀。

(3)水工枢纽在进水口前以及引水系统中设置拦沙、排沙和冲沙等设施，深孔排沙放空洞开启，保证中孔泄洪排沙洞、电站进水口设施的进口形成冲沙漏斗平台，确保电站进水口“门前清”，进水口不淤堵。

(4)业主应充分与电网调度进行必要的沟通，尽量在机组汛期运行时进行一定的避沙运行，使机组尽可能在较优运行区域运行。

综上所述，笔者希望通过设计、制造、安装、运维等各方面综合考虑，形成一整套多泥沙河流水轮机过流部件预防泥沙磨蚀的系统解决方案。