浅谈减轻水轮机泥沙磨蚀的措施及途径

杨贵元

(保山能源发展股份有限公司，云南 保山 678000)

0 引 言

水轮机泥沙磨蚀是多泥沙河流水电站共同存在的一个严重问题。当通过水轮机的水流泥沙含量较大时，水轮机过流部件就会产生磨蚀，进而对水轮机过流部件产生破坏，如果不及时对水轮机进行大修，将会使其破坏情况加重，导致水轮机运行的不稳定和效率的降低，影响机组的安全和效益。本文主要通过对三江口电站不同类型的水轮机在取水方式改变后，水轮机过流部件磨蚀情况的横向、纵向分析比较，提出减轻水轮机泥沙磨蚀的主要措施和途径。

1 电站概况

三江口电站位于云南省保山市龙陵县境内的苏帕河上，为苏帕河干流规划一库五级中的最后一级，多年平均流量24.81 m3/s，年平均悬移质沙量96×104t，多年平均输沙率为30.4 kg/s，含沙量为1.23 kg/m3，开发方式为高水头径流引水式，设计水头232 m。电站分两期开发，一期装机容量2×15 MW，选用水轮机型号为HL100—LJ—150，于1993年4月建成发电；二期新增装机容量2×16 MW，选用水轮机型号为HLA542—LJ—155，2006年12月首台机组投运。

2 一期取水方式及水轮机运行情况

2.1 取水方式

三江口电站首部枢纽在苏帕河干流上呈一字形布置，从右至左为：溢流坝、冲沙闸、取水闸，溢流坝从右岸布置到河床中央，采用浆砌石溢流重力坝，冲沙闸、取水闸布置在溢流坝左侧，取水闸前设有粗格拦污栅1道，取水流量为16 m/s。由于河水悬移质输沙量大，工程投运第一年，溢流坝前就被沙石淤满，取水方式变为直接从河道取水。首部枢纽与压力前池间设有沉沙池，长174 m，按淤沉泥沙最小粒径0.2 mm设计。

2.2 水轮机参数

水轮机型号为HL100—LJ—150，转轮为0Cr13Ni4Mo全不锈钢铸焊结构，叶片17片，活动导叶为0Cr13Ni4Mo全不锈钢，18个。设计水头230 m，设计流量7.6 m/s，额定转速600 r/min，飞逸转速1 026 r/min，额定功率15 544 kW。

该水轮机是由杭州发电设备厂设计、制造，并于1993年4月投产发电。由于受当时技术条件限制，电站选用的HL100水轮机及其附属设备是20世纪50年代就已定型的产品，在技术上已明显落后，相对效率较低，运行稳定性与抗气蚀磨损性能一般。

2.3 过流部件磨蚀情况

该水轮机主要过流部件都采用整体不锈钢或镶嵌不锈钢抗磨板的方式进行防护，且使用的0Cr13Ni4Mo不锈钢在当时是属于抗气蚀磨蚀性能较好的材料；但由于河水含沙量大，且为硬度较高、棱角锋利的石英沙，因此过流部件磨蚀损坏严重。自1993年4月投产以来，每年必须进行扩大性大修，对水轮机过流部件进行更换修复，否则无法保证安全运行；最严重时，10个月就要更换1次。各部件具体磨蚀损坏情况如下：

(1)转轮叶片进水边磨损严重，与上冠、下环焊接处明显淘出沟槽形成缺口，甚至出现穿孔情况；流道布满鱼鳞状坑槽，叶片出水边变薄并出现断裂剥落情况；转轮与顶盖、底环配合单边间隙由1.6 mm增大至8～10 mm。

(2)活动导叶叶面呈现波纹状、鱼鳞状浅坑槽，导叶尾部磨薄，呈刀刃状，并出现锯齿状沟槽，与顶盖、底环配合的上下端面明显磨蚀出沟槽。

(3)顶盖抗磨板鳞状坑槽明显，与活动导叶上端面、中轴颈配合处沟槽明显，甚至有穿孔现象。

(4)底环磨蚀严重，过水面上有大量沟槽、孔洞穿透16 mm厚的抗磨板，有的地方甚至出现大面积、成块剥落现象，并对底环的母材产生破坏。

从上述磨蚀情况可看出，水轮机过流部件磨蚀严重，仅1年就进入磨蚀失效的中晚期，转轮、导叶等接近报废，有的无法修复。从发电至2005年，电站前后新制、更换了水轮机4台套，而且严重的磨蚀还对电站安全运行产生了极大威胁；电站还曾经出现过因磨蚀严重导致转轮止漏环脱落的事故。

3 二期取水方式及水轮机运行情况

3.1 取水方式

至2005年前后，三江口电站上游“龙头”茄子山水库及各梯级电站已建成发电或即将建成，三江口电站上游的阿鸠田电站发电引用流量达到32.64 m3/s；为充分利用水资源，决定对三江口电站进行扩建。由于扩建后的三江口电站总引用流量略小于阿鸠田电站引用流量，且为了减少工程投资、缩短电站停电施工时间，以及充分利用上游阿鸠田电站的日调节池和沉沙池作用，决定三江口扩建就不再新建、扩建沉沙池，直接从阿鸠田电站尾水取水。通过河底无压钢管及左岸的无压隧洞与原引水系统相接，原首部取水口仅引取区间流量作为补充，或在阿鸠田电站机组全部停机的情况下取水发电。因此，三江口电站二期工程完成后，电站取水方式变更为直接从上游阿鸠田电站尾水取水。2006年8月电站开始使用该取水方式运行。

3.2 扩建水轮机参数

水轮机型号为HLA542—LJ—155，转轮上冠、下环为ZG0Cr16Ni5Mo全不锈钢，叶片采用VOD精炼，长短各15片。活动导叶为ZG06Cr16Ni5Mo全不锈钢，20个。设计水头230 m，设计流量8.09 m/s，额定转速600 r/min，飞逸转速975.3 r/min，额定功率16 500 kW。

该水轮机是重庆水轮机厂设计、制造，这种水轮机是90年代引进吸收克瓦纳技术后由哈电开发的，具有水力性能优秀、抗气蚀泥沙磨蚀性能良好、效率高、运行稳定等优点；相对HL100水轮机，最显著的改变就是转轮采用了长短叶片、采用了泵板和无接触式主轴密封，导叶采用了偏心导叶叶型，在布置上增大了导叶分布圆直径，增加了导叶数量和高度。

3.3 过流部件磨蚀情况对比

2005年7月，三江口电站二期扩建时，曾讨论过是否趁扩建的机会对HL100水轮机进行技改的问题。考虑到技改、更换水轮机投资大、风险高，且新选用的HLA542水轮机没有实际运行经验，不确定因素多；因此，当时决定暂时不更换HL100水轮机，扩建工程完成后，根据实际运行情况再做决定。如今，水轮发电机组运行已超过10年，已有条件对2种水轮机进行对比。

(1)HL100水轮机。水轮机转轮、导叶、顶盖、底环等过流部件磨蚀现象发生了根本的变化，运行1年只有轻微磨蚀痕迹；运行3年，转轮叶片进水边、流道有1～2 mm的鱼鳞坑，叶片与上冠、下环焊缝处还有一定的磨蚀坑，导叶叶面有鱼鳞坑痕迹，顶盖、底环抗磨板上有鱼鳞状坑槽深度2 mm左右，只有在靠近导叶下轴颈、中轴颈的位置有少量的沟槽，深度超过3 mm，整体来看磨蚀大幅度减轻。目前这2台HL100水轮机检修周期延长至3年1次。

(2)HLA542水轮机。该水轮机运行前两年基本没有磨蚀痕迹，运行3年后，局部出现磨蚀现象；运行4年，转轮、导叶、顶盖、底环等过流部件开始出现鱼鳞状坑，部位与HL100水轮机大体一致；但运行4年的HLA542水轮机的磨蚀情况明显比运行3年的HL100水轮机要轻得多，特别是在转轮和导叶上更明显。目前这2台HLA542水轮机4年检修1次。

4 结 语

三江口电站经过20多年的运行，特别是二期扩建后，改变了取水方式。在保持原有水轮机不变的情况下，扩建机组选用了新型水轮机，为高水头混流式机组泥沙磨蚀研究提供了非常好的比对条件，通过运行也得出了一些有益的经验。

(1) 多泥沙河流的水电站，要减轻泥沙磨蚀，排沙、减少水流中的泥沙含量是最直接、最有效的手段。因此，多泥沙河流的水电站，在设计时就要充分考虑，运用技术手段减少水流中的泥沙含量。

(2)对已运行水电站，要重视冲沙管理，加强对首部、沉沙池、前池等部位的冲沙，最大限度减少进入水轮机流道的泥沙含量。

(3)采用水力性能优异的水轮机结构，能有效减轻磨蚀，延长检修周期，提高水轮机发电机组运行的安全性、稳定性和经济性。

(4)转轮、导叶以及顶盖、底环抗磨板采用抗磨蚀性能好的不锈钢材料，如ZG0Cr16Ni5Mo、ZG06Cr16Ni5Mo等，可以提高水轮机过流部件抗磨蚀能力，延长水轮机使用寿命。

(5)提高过流部件的加工精度，提高表面光洁度，如转轮叶片采用模压成型、数控车床加工等方式，可使水轮机抗磨蚀性能增强。

(6)对有条件的电站，可以考虑对水轮机进行技术改造，采用新技术减轻或解决存在的泥沙磨蚀问题。

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