多泥沙河流减轻水轮机磨蚀的途径

张群虎

（彬县枣渠水电公司，陕西 咸阳 713500）

一、电站概况

彬县枣渠水电站位于彬县新堡子乡断泾村。电站于1969年开工建设，1977年建成投产。设计水头16m，设计流量30m3/s，年设计发电量4000kW。水轮机型号DJ510-LH-180。

泾河为黄河二级支流，为渭河最大的支流。从含沙量来看，渭河是世界泥沙最多的河流，而渭河的泥沙主要来自泾河。泾河年径流量19.7亿m3、占渭河的19.5%，年输沙量2.89亿t、占渭河的55.6%，每年6～10月份主汛期期间，泥沙含量最为严重。泥沙使水电站过流部件受到严重损害，特别是水轮机转轮及转轮室，平均每3年就要大修，更换转轮叶片，修补过流部件，大修工期长，给电站造成损失严重。

减少河流泥沙含量主要靠保护环境，增加森林覆盖率，改善生态环境，但这是一个漫长的工程，不可能立竿见影，加之径流不断减少，洪水量级较小，挟沙及冲沙能力显著下降，泥沙问题有不断严重的趋势。因此，坚持不懈的做好抗磨蚀工作，减轻水轮机磨蚀，提高经济效益成为了水电站的一项重要工作。

二、水电站减轻磨蚀措施

从枣渠水电站多年运行情况，及对沿渭河、泾河、洛河二十多座水电站运行情况的调查和探索总结，建议从以下几个方面减轻磨蚀损害：

1.优化工程设计，合理布局

泾、洛、渭等多泥沙河流上水电站，大部分采用低坝引水，短隧洞后接前池的工程布置模式。

(1）合理布置引水枢纽，确保进水口门前清。一般情况下，一场洪水即可将多泥沙河流上的低坝坝前全部淤平，因此，必须在进水口前布置好冲沙闸，通过冲沙运用来保证进水口门前清。

(2）较长隧洞、前池必须设计冲沙设施。从设计方面考虑，应增加沉沙池，减缓水流进入调压池流速，使泥沙尽可能沉淀于沉沙池内，避免进入转轮室。也可增设冲沙闸，排除沉沙池泥沙。泾河文泾水电站隧洞较长，前期没有设计沉沙池及冲沙洞，淤积较为严重，后进行了改造，取得了较好的排沙效果。

(3）尾水尽可能与主河道保持一致，减少泥沙淤积。泾河程家川水电站尾水淤积严重，造成出力下降。

2.合理选择水轮机型号

(1）适当选择转速较低的水轮机。水轮机转速高低是汽蚀的主要原因，各类汽蚀都与转速及流速密切相关，对转速较高的机组来说，转速越高，形成的水击越频繁，水击及磨损对通流部分的破坏越严重。另外，由于翼形汽蚀及电化破坏的共同作用使叶片表面光滑度及流线型被破坏，进而使各类汽蚀加剧，形成恶性循环，使叶片寿命大大降低，严重影响水轮机出力，使水轮发电机效率降低。

据统计，在渭河、泾河、洛河上已建成的水电站，转速都在300r/min以上，只有个别电站转速在200r/min以下，多数为300r/min、500r/min、600r/min。而300r/min以上的机组运行基本都在3年以内更换叶片，更为严重的还有2年以内就需要大修，叶片汽蚀和磨损使叶片边沿损失都在20mm以上，大大降低了水轮机的出力，水能损失相当严重。

以彬县枣渠水电站为例，大修后，导叶开度76%时，负荷1800kW，运行1年后导叶开度87%时，负荷1700kW。导叶开度增加10%，相应流量增加2～3m3/s，2～3年内流量损失更大。这样长期运行，不但浪费了有限的水能资源，并且使水轮机的过流部分如固定导叶、活动导叶、转轮室、座环等受到严重损坏，使大修期缩短，企业费用增加，不定期停机次数增加，增加了检修工作量，给水电站安全经济运行造成严重威胁。

1997年建成投运的泾惠管理局渠首电站，装机容量3×2500kW,机组转速为187r/min，运行11年才大修，且大修时转轮叶片边沿损失不超过20mm，固定导叶、活动导叶、座环、支持盖都基本完好。通过渠首电站的运行实践与其他电站的破坏程度相比较，差异甚大，由此可以确定在多泥沙河流宜采用转速较低的水轮机，这对在多泥沙河流机组选型方面具有参考价值，另外在技术改造方面提供了切实的参考实例。

(2）选择适当的比转速。在水头出力相同的条件下，比转速越高转速越高。在转速和水头相同的条件下，比转速愈高，水轮机出力越高，水轮机汽蚀性能愈差，汽蚀系数大。因此，选择适当比转速应兼顾出力与汽蚀系数，二者不可偏废。对于含沙河流中的比转速应选取较小的，以相应降低汽蚀系数。

(3）适当选择转轮类型。在多泥沙河流宜采用轴流定浆式或混流式转轮，因轴流式转轮磨损后补焊修复和实现抗磨蚀防护较容易，其他形式的转轮不易修复，防护较困难，多数造成报废损失，因此，轴流式转轮对小型水电站来说具有较简便的可操作性，更为经济。对混流式转轮而言，宜采用较底转速机组，转速越低，转轮寿命越长。

(4）合理选择吸出高程和安装高程。根据水流含泥沙量实际情况，计算最优参数。要考虑泥沙淤积对水位流量关系曲线的影响，计算求得吸出高程，根据机型选择安装高程，在施工过程中严格把关，测量准确，确保质量。

3.合理调度，采取最佳运行方式

(1）尽量避开负荷汽蚀区，改善运行工况。在水流含沙量大时尽可能停机，实验表明泥沙除对固体表面磨削外还会加剧汽蚀。带有各种固体微粒的水比纯净水更容易产生汽蚀，含泥沙水流产生气蚀空泡时的压力比清水中高10%～15%。另外，汽穴的强烈脉动，会增加水流的紊流，加速泥沙磨损，汽蚀与泥沙磨损的联合作用引起的侵蚀更为严重。

(2）及时足量补气。补气能破坏真空，降低真空度，从而有效防护表面汽蚀破坏；能够形成气泡，气泡成为了吸收振动的减幅介质。此外，补进的空气冲散了涡带，气泡填充了转轮下部和尾水管上部的整个空间，因此，补气对降低空腔汽蚀有一定的作用。

(3）提高加工工艺，采用抗磨蚀措施及材料。提高转轮加工工艺，在铸造时，尽可能排出空气，避免叶片有蜂窝和沙眼，打磨后的叶片尽可能使型线与设计模型保持一致，表面线型流畅、光滑。目前，市场抗磨蚀材料种类繁多，应选择硬度高、极限拉伸强度高、富有弹性的材料，能大量吸收能量，具有较高的抗蚀能力，总之，材料中晶粒越细密，杂质越少，抗磨蚀能力就越高。目前较为常用的是含镍铬不锈钢铸造。另外，过流部件也要采用抗磨蚀材料做表面防护，如环氧金刚砂表面涂抹、BELZONA1811抗磨蚀涂层、金属喷焊技术覆盖母材表面、电化学保护等。

(4）提高检修工艺。提高检修工艺水平，对抗磨蚀具有重要意义，检修是否能达到预期目的，对延长大修周期有直接关系，大修时对汽蚀破坏部位的修复应保证型线不变，控制变形，填补密实，使表面光滑无孔洞，对修补后各部位尺寸精心测量，严格控制间隙、厚度、线型，使各部位参数控制在规范要求以内。

三、结 语

从多泥沙河流小型水电站现状来看，宜从经济、简便、易操作等方面综合采取措施，以达到延长转轮寿命，延长大修周期，提高水轮发电机利用率，增加企业经济效益的目的。水轮机抗磨蚀尚在研究摸索阶段，采取积极有效的措施，从各个方面防护，减轻、避免泥沙磨蚀是水利水电工作者的共同使命。