多管齐下综合治理努力破解多泥沙电站运行难题

曹宝保

（淳化县茨坪水电站，陕西 咸阳 711200）

淳化县茨坪水电站是泾河梯级开发的径流引水式电站之一，装机7500kW（3×2500）。泾河年均径流量19亿m3，多年平均输沙量约26900万t，实测最大含沙量为1430kg/m3。电站于1997年11月投入运行，两年间仅运行了5000小时左右，就由于磨蚀破坏导致机组出力严重不足，于1999年11月开始第一轮大修。由于泾河含沙量大，且主要集中在汛期，导致电站过流部件破坏迅速且十分严重，给运行带来极大困难，繁重的检修工作成为困扰电站的一大难题。12年来，经过不断地摸索实践，茨坪水电站在运行和检修方面，积累了一定经验，目前，机组检修周期已经达到四年，运行时间可达到12000小时。

总结经验主要有以下几个方面：

一、合理设计，为浑水发电创造条件

1.首部枢纽。茨坪水电站首部枢纽布置自右向左依次为拱形溢流重力坝、重力墩，墩下设过水孔，孔前以引渠与原河床衔接，孔后引渠右岸布置溢流侧堰，左侧为进水闸，其后为冲沙闸，以向右弯曲的冲沙渠与河道连接。过水孔、冲沙闸轴线一致，与溢流坝弦线垂直。进水闸与隧洞轴线一致，和冲沙道轴线呈61°夹角。进水闸底板高出冲沙闸底板1.8m。因库容极小，经过多年运行，右岸及原河道已淤积严重，仅在和引水道相对应的河道形成狭窄的通道。这种布置形式，在来流大于引用流量时，可边引水，边冲沙。来流较大时主流通过溢流坝下泄，来流在100m3/s以下时，主流从重力墩下过水孔通过。侧向取水、设置拦沙坎可以避免推移质或含沙率极高的底流进入引水隧洞，当来流远大于引用流量时，大部分水面漂浮物可通过溢流坝或溢流侧堰下泄。

2.压力前池。茨坪水电站压力前池布置在洞室内，前池扩散段平面转弯，立面扩散，以衔接隧洞与前池引水段。引水段末端布置折线形溢流堰，右侧依次布置3台机组的引水管。在溢流洞与3#引水管之间布置前池冲沙洞。机组引水管底板高出了前池引水段1.0m，可减少推移质进入机组。隧洞设计流量大于机组总引用流量，可实现一边冲沙、一边发电。

3.尾水渠。茨坪水电站尾水管与河道基本垂直，尾水渠向左转弯后，以1：4反坡与原河道连接。尾水渠上游垂直河道设置砌石挡浪墙，右岸设置导墙。挡浪墙和导墙可避免500m3/s以下洪水对尾水的顶托，防止推移质滚入尾水渠。

4.机组选型。多泥沙电站机组选型既要比较各机型的能量特性、汽蚀特性和造价等，其磨蚀破坏后的可修复性和易损件更新费用也应该受到足够重视。适应茨坪水电站的水轮机有ZD560和HL240两种型号，设计单位从降低造价的角度最终确定采用ZD560-LH-180水轮机。虽然轴流定浆式水轮机汽蚀特性、效率都不如混流式，但结构简单，转轮造价低，易修复，特别是机组流道尺寸大，导叶全开时检修人员可进入水轮机检查、检修，这为电站现场修复创造了条件。

5.安装高程。有关研究和运行经验均表明，多泥沙电站磨损和汽蚀相互作用，会形成恶性循环。在汽蚀区造成的海绵状剥蚀，组织疏松，在沙粒的撞击和切削下快速磨损脱落；在非汽蚀区金属表面受到硬质沙粒撞击和切削，出现凹凸不平，也会引发汽蚀。安装高程决定着水轮机的汽蚀裕量。茨坪水电站上游同规模、同机型的几座引水式电站，其水轮机磨蚀就比茨坪电站轻得多，究其原因，主要是这几座电站的尾水位较高，即安装高程相对较低，因而转轮具有较小的吸出高度，转轮等过流部件基本不发生或者仅有轻微的汽蚀，所以，尽管同处泾河，水流含沙率变化不大，但其水轮机磨蚀相对较轻。

多泥沙电站在设计阶段就应该深入调查，加强研究，采取措施应对泥沙磨损问题。茨坪水电站设计之初认为泾河泥沙颗粒较细，不会对水轮机造成大的损坏，因而未对设备制造厂家提出特殊要求，水电站设计吸出高度仅为-0.1m，目前，由于尾水渠出口冲刷降低，单机运行时吸出高度已达不到设计要求。因此，建在多泥沙河流上的电站，应考虑适当加大开挖深度，降低安装高程，从而加大汽蚀裕量，使各种工况下尽可能避免发生汽蚀，这对于减缓磨损将十分有效。

二、重视拦污，及时清淤

1.拦污栅的设置与运用。汛期多泥沙水流中夹带的杂草、塑料、树根等缠裹在固定导叶、活动导叶上，会阻碍水流，严重影响机组出力，破坏流量均匀分配，造成机组振动。茨坪水电站运行初期，仅在渠首进水闸前设置了一道固定式拦污栅，而各机组快速闸门前因受洞室前池尺寸限制，取消了拦污栅。由于无法及时清理，渠首拦污栅被柴草完全堵塞而压坏。后经过研究，加大了拦污栅尺寸，安装了电动葫芦，将原拦污栅改成活动式拦污栅，并利用进水闸检修门槽加装了第二道活动式拦污栅，两道拦污栅交替使用，互为备用，始终保持有一道拦污栅处于工作状态，当其堵塞较严重时，放下另一道拦污栅，然后将其提出水面人工清理。在非常情况下（如提升设备故障等），也采用过停机后提起冲沙闸反冲的方法，也可冲走附着在栅条上以及栅前的大部分漂浮物，以确保拦污栅的安全。经过运行实践，两道拦污栅有效地避免了柴草的大量涌入，特别是杜绝了树根、树木等大型漂浮物进入引水道。另外，如栅条间隔设计尺寸过小，拦污栅一入水就会被迅速堵塞，来不及清理；如尺寸过大，则会使大型漂浮物进入机组。因此，栅条间隔设计应考虑“堵排结合、以排为主”，既要能够拦堵大型漂浮物，又要考虑让一部分柴草通过。

2.库区防淤。汛期泾河含沙量极大，易导致库区、前池等淤积，必须采取预防措施。为防止库区及引水道严重淤积，在来流大于引用流量时，应及时开启渠首冲沙闸冲沙；当洪水较大，机组停机时，要敞开冲沙闸冲沙；当来流接近或小于总引用流量时，也要定期提起渠首冲沙闸冲淤，防止闸前严重淤积；汛后清水挟沙能力强，库区淤积的泥沙又会被冲带入引水道，要充分利用检修等停机机会，空库冲淤，这对于枯水期降低泥沙磨损效果十分明显。

3.前池防淤。前池在汛期运行中，要根据来水大小，及时提落前池冲沙闸，可减少过机泥沙，防止推移质大量堆积前池；在来流小于3台机组的引用流量时，为防止前池冲沙闸前严重淤积，必须定期冲沙。茨坪水电站前池运行一段时间后，水流中挟带的卵石以及未衬砌拱顶崩落的石块，会在前池左侧墙和末端形成三角形堆积带，无法冲走，每年汛前汛后分别人工清理一次，否则堆积物过多，会使推移质进入水轮机，较大的石块会卡在导叶间，导致剪断销破断；较小的石块、卵石如果大量进入水轮机，会撞击叶片，使已经被磨蚀的叶片头部或出水边迅速脱落，机组出力急速下降、振动加剧。

三、控制工况，力求在高效率区运行

1.减少开停机次数。俄罗斯对混流式水轮机转轮可靠性研究表明，一次起停机过程相当于水轮机在90%功率范围内运行80小时。开停机频繁，将严重降低水轮机转轮的使用寿命。对于有一定调节能力的电站，做到减少开停机相对较容易，而无调节能力的径流式电站，要减少开停机次数只能从以下三个方面入手：一是及时检查消缺，确保主设备及其附属设备健康水平良好，尽量减少事故或故障停机；二是水机值班人员要及时和水工值班人员沟通，随时掌握来水情况，及时调整开度，在满足水轮机最小负荷要求的前提下，尽可能延长每次开机后的运行时间；三是可与上游水文站或上游电站建立联系，及时了解水情，为运行调度争取时间、赢得主动。

2.避免长时间空载运行。空载运行是水轮机最不利的工况，空载时导叶开度小，水流对叶片呈正冲角，汽蚀和磨损相对于额定工况要严重得多。一般小型电站不存在空载备用问题，因此，加强调度，减少开停机次数，提高操作水平，缩短开停机和解并列的操作时间，就是减少空载时间的唯一途径。

3.尽可能使水轮机在高效率区运行。水轮机在水流无撞击进入转轮和法向出口（或略具正环量）条件下，水力损失最小，效率最高，这种最优工况仅在某一特定水头、流量下才能形成。水轮机在实际运行中，流量、水头总是变化的，不可避免地要偏离最优工况，导致流道中的流速场发生畸变，加剧磨蚀破坏。运行管理的一项重要任务，就是尽可能保持水轮机在接近最优工况的高效率区运行，以最大限度地减轻磨蚀的危害，延长检修周期。

泥沙磨损约与相对流速3次方成正比，汽蚀与相对流速的5～7次方成正比。过负荷运转时，开度或水头增加，水流相对速度增大，发生汽蚀的几率加大，磨损程度和速度必然大幅度增加。在汛期，当来水小于电站总引用流量时，水库（或前池）水位处于设计值，尾水位处于设计水位以下，由于水流含沙量大，容重比清水大，水轮机的实际水头将大大超过设计水头，必须注意调整开度，避免超负荷运转。

引水式电站汛期一般无法对天然来水进行再分配。当来水量小于电站总引用流量时，开机台数及机组间的负荷分配要更多地从减轻磨蚀的角度考虑，尽可能使各运行机组接近额定负荷运转。通过适时开停机、及时调整开度、合理分配负荷来确保各台水轮机的工作水头在额定值附近，避免某台机组长时间小开度、低负荷运行。

对于经过汛期运行已发生磨蚀破坏的水轮机来说，枯水期偏离设计工况运转其危害是显而易见的，这时应该对水头的调节给予足够的重视，避免水轮机在高水头低负荷或低水头大流量的工况运行。在来流小于单机设计流量时，可利用坝前河道的槽蓄能力短时间调蓄，待蓄满后开机，水轮机导叶开度在满足最小负荷的前提下，尽可能地接近满载开度，但要注意和来水量相适应，不必片面追求满载，以避免库水位快速下降而被迫停机。随着库水位的下降，可考虑适时调整渠首进水闸门的开启高度，以维持前池水位、满足引用流量。

4.必要时避开沙峰运行。泾河各年输沙量差别很大，年内又集中于几次洪水，汛期（7～9月）输沙量占全年输沙量的91.3%。在含沙量特别大、磨损特别严重的情况下，汛期停机排沙，弃水保机，是一种不得已而为之的选择。泾河汛期含沙率一直较高，机组磨蚀破坏严重，但完全放弃汛期运行会造成经济效益的巨大损失。目前，对含沙水流的磨损机理、规律的研究尚未取得一致认可的结论，一般认为，水流的含沙率越高，磨损量越大；也有的研究者认为，水流的含沙量高到某一数值，达到饱和状态时，反而会起到抑制和削弱磨蚀的作用。由于缺乏有效的理论指导，加之现场测量手段的限制，到目前为止，茨坪水电站还没有一个确切的含沙率限值来指导生产。通常的做法是，在保证机组安全的前提下，最大限度地利用汛期来水，与上游水文站签订了报汛协议，及时掌握水情、沙情，在来水含沙率特别大时，短时主动停机避沙，待沙峰通过后迅速恢复生产。

四、多管齐下 防修并重

1.过流部件更新时注重汲取运行经验。茨坪水电站过流部件，特别是转轮与转轮室磨蚀破坏十分严重，转轮运行约12000小时就必须更新。在转轮更新时，该站注重借鉴有关文献介绍的做法，汲取运行经验，逐渐摸索出了一系列行之有效的做法，采用了适当加大叶片包角、缩小轮毂直径、叶片背面设置裙边、叶片安放角由+10°变为+5°、适当加厚叶片外缘等措施，其中在叶片背面设置裙边对减轻叶片外缘和转轮室的磨蚀破坏的作用十分明显。在转轮室更新方面，经过探索，改组焊件为铸钢件，面板由19mm加厚到40mm，在一个检修周期内磨蚀破坏不再穿孔。根据运行经验，普遍磨损会引起转轮室内径加大，而转轮外径受顶盖止口尺寸限制无法增加，会导致转轮间隙过大，为了解决这一问题，该站把转轮室内径减小了10mm。铸钢转轮室整体性好，刚度大，内应力小，在磨蚀破坏后可堆焊修复，变形量小。

2.综合各个因素择优选用材料。过流部件的材料选择要综合考虑抗磨蚀性能、可修复性能、造价和修复费用等多方面因素。茨坪电站水轮机叶片材质先后选用过（1）ZG30；（2）ZG20SiMn（3）1Cr18Ni9Ti；（4）OCr13Ni5Mo几种材料。由于备件生产厂家工装水平的限制，采用立体样板、人工打磨方式加工，叶型、光滑度不能保证，铸件成分、质量极不稳定，加上各年的水流条件差异很大，因此，各转轮使用期内的磨蚀程度不一。相比较而言，不锈钢材料抗汽蚀能力较强，叶片经汛期运行后，除叶片外缘和铸造缺陷处出现鱼鳞坑外，其余部位基本光滑，仅见细微的波纹，但材料（3）抗磨损能力不如（1）、（2），叶片普遍磨损严重，厚度明显变薄，这一点在转轮室上也得到验证；材料（1）、（2）抗磨损能力虽优于（3），但不如（4），抗汽蚀能力差，叶片背面有明显的汽蚀区，但整体变薄的趋势明显比（3）小；材料（4）虽具有较好的耐磨蚀性能，但由于根部出现裂纹，严重危及安全运行，仅在一个转轮上使用过。鉴于不锈钢叶片性价比不如碳钢，因此该站近两年加工的转轮材料均采用ZG20SiMn，其抗磨蚀性能与ZG30相当。目前使用的转轮室均为铸钢件。

3.合理确定扩修间隔，及时维修消缺。多泥沙电站有必要根据各站实际和技术水平，确定一个经济合理的机组扩修间隔。扩修间隔短，则停机时间长而有可能造成发电量的减少，且人员劳动强度大；扩修间隔过长，则必然使抗磨蚀措施的费用大幅度增加而得不偿失。实现扩修间隔目标，首先要制定合理的机组运行计划，明确主运行、主备用、次备用机组；其次要坚持“该修必修、修必修好”的原则，严格控制检修质量；再次，要定期检查，掌握机组健康状况，根据情况适当增加中修和大修，对磨蚀破坏部位早发现，早处理，以延缓破坏速度，减少累积破坏量，这一点对固定部件如座环、转轮室尤为重要。

4.经济合理运用抗磨蚀措施。目前，有许多在大中型机组上应用效果好的材料、结构、工艺等方面的抗磨蚀措施，但或者费用昂贵，或者工艺技术复杂，或者无法进行现场维修，因而没有在小型电站普遍运用。

茨坪水电站在抗磨蚀措施应用方面做了一些探索，有以下三种：

一是“换”。转轮、转轮室、转轮密封等部件，在无法修复时，一般需要重新加工制作。在更新时，对材料、结构做部分改进。目前存在的主要问题是，叶片采用立体样板人工打磨加工，叶型误差大，表面粗糙。运行一个汛期，叶片进出水边、外缘正背面径向70～100mm磨蚀破坏严重，如不及时修复，叶片会加速破坏，且因间隙加大又不均匀，会导致转轮室面板迅速磨蚀破坏。

二是“修”。磨蚀深度小于1mm的轻微磨蚀区，直接修磨光滑。因铸造缺陷出现的孤立的鱼鳞坑、未穿孔的强磨蚀区，在采取防变形措施后，先用与本体材料成分相近的焊条填平鱼鳞坑，然后整体用A102焊条堆焊，再打磨光滑。底环、顶盖、转轮室等多采用这种方法修复。对叶片外缘磨蚀极为严重的部位，已无法堆焊修复，一般是先按磨蚀区形状制作样板，按样板划线割除残留部分、制作补丁，然后焊接修磨成型。这种办法，能基本保证型线，叶片与转轮室间隙可减小到3mm左右。茨坪水电站在2008年和2009年都曾在8月底出现主运行机组出力严重下降，停机检查发现叶片外缘成片穿孔、进出水边掉角，采取的抢修手段是制作和磨蚀破坏区面积相当、形状一致，厚度为16mm的Q235钢板，直接贴焊在叶片正面。

三是“护”。对易受磨蚀破坏的部件或部位，采用抗磨蚀材料防护，变维修为预防，可以有效减轻磨蚀危害，提高运行效率，延长扩修周期。茨坪水电站在实践中采用过的措施主要有：（1）金属堆（铺）焊。支持盖铺焊8mm厚的Q235钢板，在一到两个扩修周期内本体基本不被磨损。在转轮室修复中试用过GB1焊条，其堆焊层具有优异的抗磨蚀性能，在2009年汛后机组检修时在叶片外缘强磨蚀区堆焊。（2）金属粉末喷焊。茨坪电站水轮机出厂前由厂家对座环、顶盖、底环、转轮等部件喷焊了Ni合金粉末，座环、顶盖保护时间长达4～5年，其余部件效果不大；2008年1#水轮机叶片外缘喷焊Ni合金粉末，未见明显效果。（3）非金属材料涂层。曾在在支持盖上使用过WD9006复合涂层，在转轮和支持盖上刷涂过纳米塑料合金，均未取得明显效果。目前取得明显防护效果的是在导叶上涂覆的环氧砂浆，只要工艺得当、配方合适，可保证导叶本体在1～2年基本不被磨蚀，在支持盖上涂覆环氧砂浆可防护1000小时左右，坚持每年涂覆，也能取得一定效果。曾在转轮室及叶片正面涂覆环氧砂浆，很短时间内大部分脱落，使过流面凹凸不平，加剧了磨蚀。

五、结 语

多泥沙电站运行面临着泥沙磨损和汽蚀的双重困扰。减缓磨蚀危害，实现安全高效经济运行，是摆在水电人面前的十分紧迫的现实问题。茨坪水电站存在十分突出的磨蚀危害，作为运行管理单位，今后将更加注重收集积累各种技术资料，如磨蚀破坏的部位、面积、破坏强度，修复使用的材料、工艺及效果等，通过长期资料的积累，不断总结分析，以求摸索出符合实际、经济合理、更加有效的运行方式、检修手段、磨蚀修复工艺和防护材料等。

【1】许国光.中小型水轮机空蚀磨损破坏状况与对策,《水机磨蚀与实践50年》.中国水利水电出版社.2005.

【2】郭中兴,张禄勋,王志高.我国水力机械抗泥沙磨损的实验研究,《水机磨蚀与实践50年》.中国水利水电出版社.2005.