金康电站机组泥沙磨蚀及处理

2017-08-29蔡正华

水电站机电技术 2017年5期

关键词：球阀过流厂区

蔡正华

（四川金康电力发展有限公司，四川康定 626000）

金康电站机组泥沙磨蚀及处理

蔡正华

（四川金康电力发展有限公司，四川康定 626000）

金康电站是多泥沙、高水头混流式水轮发电机组，因过流部件损坏严重，引起厂区汛期严重共振等重大安全隐患，通过分析研究，针对机组过流部件泥沙磨蚀严重问题，提出过流部件采用合适的喷涂材料和方法进行喷涂防护，达到了泥沙磨蚀急剧减少的实际效果，确保机组过流部件完好，确保机组安全可靠稳定运行，彻底消除整个厂区汛期严重共振等重大安全隐患，增加发电量，创造巨大安全效益和经济效益。

电站；泥沙磨蚀；喷涂；共振；安全隐患

金康电站处在多泥沙地域，又是高水头、高转速混流式机组，依据中华人民共和国电力行业标准《发电企业设备检修导则DL/T838-2003》规定，多泥沙水电站的水轮发电机组A级检修（大修）间隔为4~6年，金康电站参照同类型、相邻电站经验，按照3~4年安排大修。

但在实际运行中发现，从2008年开始，机组大修后一旦经历第2个汛期，就发现汛期2台机组同时运行时，机组、厂房都在严重共振，远在150m外的宿舍、食堂等也曾严重振动，存在重大安全隐患。2台机组经历3个汛期后大修发现过流部件严重损坏，顶盖、底环损坏各有23处（与导叶数量一致）深度达到50mm的深坑，只能立即组织外送到厂家紧急修复，导叶损坏也非常严重，只能更换。联想到机组、厂房及整个厂区在2008年开始，汛期就有严重抖动、共振现象，2009年汛期更为严峻，说明机组安全可靠性受到严重威胁，整个厂区存在重大安全隐患。

1 金康电站概况及现象

金康电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，是金汤河一库五级开发方案的最末一级。金汤河系大渡河左岸一级支流，全河长79.8km，天然落差3372m，平均比降4.23%，流域面积1135km2，多年平均泥沙含量为100g/m3（枯水季节没有泥沙，都集中在汛期）,金汤河多年平均流量36.6m3/s，为低闸引水式开发,压力隧洞全长16302.511m，电站设计引用流量37.4m3/s。水库正常蓄水位为1974.00m，死水位为1969.00m，可调节库容33.14万m3（由于泥沙淤积严重，目前约为15万m3），进水闸门位于左岸，调压室为钢包气垫式调压室，电站装机2台，总装机容量150MW，额定水头458m，单机引用流量18.5m3/s。电站设计年利用小时为5230h，枯水期平均保证出力为30MW，设计多年平均发电量为7.846亿kW·h。

水轮机基本型号和参数：

水轮机型号 HL（E）-LJ-215A

转轮进口直径 2150mm

转轮出口直径 1272mm

最大水头 498m

额定水头 458m

最小水头 457.7m

额定转速 600r/min

最大飞逸转速 953r/min

水轮机额定功率 76.9MW

水轮机最大功率 84.6MW

水轮机吸出高程 -8.21m

水轮机轴向水推力 590kN

依据中华人民共和国电力行业标准《发电企业设备检修导则DL/T838-2003》规定，多泥沙水电站的水轮发电机组A级检修（大修）间隔为4~6年，金康电站参照同类型、相邻电站经验，充分考虑多泥沙对高水头机组过流部件的影响，提前加工准备1个备用转轮、一套过流部件（导叶23只、顶盖1个、底环1个），按照3~4年安排大修，2台机组是2006年8月和9月分别投产发电，机组大修安排在2009年底和2010年初分别进行大修，大修中拆开发现过流部件严重损坏，顶盖、底环损坏各有23处深度达到50mm的深坑，只能立即组织外送到厂家紧急修复，导叶损坏非常严重，只能重新加工。联想到机组、厂房及整个厂区（包括150m外的宿舍和食堂）在2008年汛期开始就有严重抖动、共振现象，2009年汛期更为严峻，说明机组安全可靠性受到严重威胁，整个厂区存在重大安全隐患。

主要问题和安全隐患：

（1）汛期整个厂区共振

在2台机组大修后经历第二个汛期开始，只要2台机组同时运行时，不论带多少负荷，整个厂区抖动、振动非常严重，甚至在150m外的住宿楼和食堂都明显振动（宿舍饮水机上的水桶明显振动，晚上还有明显的声音发出）；但是单机运行时，不论带多少负荷（包括满负荷），厂区却没有明显振动；分析、排除后认为，此时2台机组同时运行时，因2台机组过流部件破坏后的振动频率与厂房建筑物的固有振动频率吻合，引起整个厂区共振现象。

金康电站的利用小时数为5230h，从4月底到11月中下旬都是2台机组都投入运行，因此整个厂区共振时间很长，安全隐患极其严重。

（2）过流部件损坏非常严重

金康机组大修中发现经过3个汛期后的过流部件损坏照片如下图1~图3。

图1 导叶照片

图2 底环照片

图3 顶盖照片

（3）球阀不能开启

因过流部件损坏严重，过流部件漏水量非常大，旁通阀开启后，球阀不能平压。2009年、2011年、2012年多次发生球阀前后压差超过2MPa（厂家规定,球阀前后压差1MPa以下可以正常开启），无法开启，只能提高油泵工作油压冒险强行开启球阀，极度危险。

（4）经济损失重大

过流部件损坏严重，不仅带来重大安全隐患，还造成重大经济损失。根据分析，每年最少减少发电量的电费损失740万元以上（见表1）。

表1

2 分析和对策

从大修发现过流部件损坏严重，结合2009年汛期就发现的机组抖动、振动、噪音明显严重情况，尤其是整个厂区明显共振的现象，2012年开始，多次组织专题分析讨论，一致认为，泥沙是造成机组过流部件损坏的根本原因，过流部件严重损坏又是造成厂区严重共振、球阀不能开启、水耗严重增加等重大安全隐患、经济损失重大的根源，必须研究解决或减缓泥沙对过流部件的损坏，保障机组设备安全可靠。

2.1 分析

2.1.1 厂区共振原因分析

2007年上半年以前、2010年都没有厂区共振现象；其余时间都是在汛期2台机组同时开机运行时就有厂区共振现象，单机运行时都没有共振问题。

在2台机组大修后经历第二个汛期开始，只要2台机组同时运行时，不论带多少负荷，整个厂区抖动、共振非常严重。但是单机运行时，不论带多少负荷（包括满负荷），厂区却没有共振现象。

在厂区有共振现象时，都是机组过流部件有明显损坏时间内，并且是2台机组同时运行时间，其余条件都没有明显差异；因此，我们分析、排除后认为，因2台机组过流部件破坏后的振动频率与厂房建筑物的固有振动频率吻合，在2台机组同时运行时，引起整个厂区共振；电站每年从4月底到11月中下旬都是2台机组都投入运行阶段，因此整个厂区共振时间很长，存在重大安全隐患。

2.1.2 过流部件严重损坏原因分析

金汤河河道天然落差平均比降约4.23%，流域矿物成份主要以绿泥石为主，含有硬矿物如石英、长石、闪石等。悬移质中莫氏硬度大于5的硬矿物含量为5.1%～19.9%，相对硬度较大。由于上游矿产丰富，私人大量开采矿产，且修路伐林，开垦植坡地等使自然环境改变，从而加大了地表径流对土壤的冲蚀，汛期河流的含沙量大量增加。水库总库容69.7万m3，实际调节库容约15万m3，沉沙能力极弱。入库悬移质泥沙多年平均含沙量100g/m3，汛期（6～10月）多年平均含沙量134g/m3，多年平均输沙量8.45万t，占全年输沙量的87.8%。

大家分析后一致认为，造成过流部件严重损坏的主要原因是泥沙含量重，泥沙硬度高造成的，过流部件处的流速达到58m/s以上（23个导叶开度间距约6cm，高度23cm，单机额定流量18.5m3/s），泥沙在高速水流带动下，高速冲蚀过流部件造成损坏，结合附近的同类型水电站情况，更加证实泥沙多是罪魁祸首。

顶盖、底环损坏主要是在导叶轴颈后部附近，本站导叶是偏心的，在轴颈处设置一突出的圆弧保护罩，水流在经过保护罩后半部分时，冲蚀角度明显很大，引起水流高速（58m/s）向顶盖或底环冲击，引起泥沙冲蚀，形成凹坑，进而引起水流紊乱，改变设计工况，造成泥沙磨蚀及气蚀破坏，引起效率下降和振动。

导叶损坏主要是迎水面、尾部与顶盖或底环处。迎水面损坏明显是泥沙在高速水流中对导叶形成的冲击磨蚀；尾部与顶盖或底环处损坏原因为：顶盖或底环损坏后，水流紊乱引起的气蚀和磨蚀。

转轮因现代设计能力、加工能力及工艺的不断完善，转轮质量非常高，很少有磨蚀及气蚀现象发生，金康电站机组是GE生产的，实际应用中，基本没有发生磨蚀和气蚀的现象（见图4、图5）。

图4 导叶拼装图

图5 导叶保护罩水流示意图

2.2 对策

因过流部件损坏引起厂区共振等一系列重大安全隐患，还造成效率下降、水耗增加、严重减少发电量等经济损失，必须采取对策。

通过分析，解决对策主要有二种方式：

1）缩短大修周期

缩短大修周期，及时修复过流部件的损坏，保持设备完好；在机组过流部件刚刚损坏或损坏不严重，处于可控制范围情况下，就安排机组大修，及时将刚刚开始损坏的过流部件彻底修复，保持机组处于健康良好状态，消除或杜绝因过流部件严重损坏带来的危害，消除电站厂区共振等重大安全隐患，同时极大的提高机组安全可靠性，为电站安全、经济运行打下良好基础；针对金康电站机组可以安排机组大修周期为1~2年。

2）过流部件喷涂

通过过流部件磨蚀研究，采用新技术、新工艺、新配方等方式，对机组过流部件进行喷涂，增加抗泥沙磨蚀能力，杜绝或延缓过流部件磨蚀、气蚀时间，保持设备完好，从而消除因过流部件严重损坏带来的危害，消除电站厂区共振等重大安全隐患，提高机组安全可靠性。

3 实施及效果

在此，只介绍过流部件喷涂情况。

3.1 减少泥沙磨蚀分析与实施

减少泥沙磨蚀也没有更好的方法，根据调查可以采用喷涂方式。四川高水头、泥沙含量高的水电站较多，泥沙磨蚀很为普遍，走访华能、川投等多个泥沙磨蚀严重的水电站，也有采用喷涂方式防护的，总结、分析发现：

喷涂是一个行之有效的防护措施，对泥沙磨蚀起到非常好的减缓作用，过流面损坏现象会明显改善；

喷涂部位要有取舍：在对几个水电站泥沙磨蚀及喷涂情况调查后，发现所有过流部位喷涂后的效果是差异极大，并不是都是变好，有些部位反而变差了；所有好喷涂的部位、大面的效果非常理想，对于小尺寸、小角度的部位都是越喷越坏，尤其是迷宫环部位，其沟槽宽度25mm、深度为58~85mm，尺寸太小，没有良好的喷射角度、喷射范围，无法按照喷涂工艺进行喷涂，附着力极差，极易脱落，脱落的残渣又成为刀具，将好的迷宫环磨坏。

金康电站分析后，认为迷宫环的泥沙磨蚀并不严重，而它们的形状复杂、尺寸也不好掌握，没有必要喷涂，即使喷涂，也只是起着反面破坏作用，把喷涂的重点放在大面上。

转轮本体泥沙磨蚀也不严重，也没有安排喷涂。喷涂所使用的材料、工艺必须严格控制：

对过流部件（顶盖、导叶、底环）的过流表面进行热喷涂的材料，主要是碳化钨,但各厂家具体配方差异较大。材料来源差异很大,有进口材料,也有国产材料,个别厂家也有将国产材料冒充进口材料现象。

喷涂工艺我们特别关心其喷射角度，如迷宫环就是因为喷射角度无法保证，才取消对其喷涂保护。

喷涂材料及工艺主要受厂家控制，对电站而言，只能被动接受，但喷涂厂家则可以选择。

3.2 采用喷涂后的效果

（1）过流部件损坏情况明显改善

1）机组大修经历1个汛期后的情况对比如图6、图7。