苏基-克纳里水电站冲击式水轮机抗磨措施研究

杨旭 刘利 张士杰

1 工程概况

苏基-克纳里水电站（以下简称SK电站）位于巴基斯坦西北部开伯尔－普赫图赫瓦省（KPK）曼瑟拉（Mansehra）地区的Kunhar河上。工程主要由大坝、引水隧洞、地下厂房和开关站等部分组成。水库正常水位以下原始库容为1 037万m3，原始死库容为520万m3，原始调节库容为517万m3。电站为引水式地下厂房，引水隧洞长约22.6 km，设计引水流量114.6 m3/s，最大引水流量为126.06 m3/s。电站总装机容量884 MW，多年平均发电量为3 212 GW·h，安装4台立轴冲击式水轮发电机组。工程任务为发电，在电力系统中担任调峰运行。

2 水电站基本参数

（1）水库水位：水库调节方式为日调节；水库最高水位为2 233 m；最低水位为2 223 m。

（2）下游水位：发电最高尾水位为1 304 m。

（3）电站净水头：最大水头为922.7 m；最小水头为845.8 m；额定水头为859.2 m。

（4）发电引水系统：引水隧洞长约22.6 km，洞径为6 m，引水隧洞后接调压井；调压井后接2条3.5 m直径的压力竖井，然后一管两机进入水轮机。

（5）泥沙情况：电站多年平均入库含沙量0.18 kg/m3。利用水库自然沉沙情况下，水库运行20年时多年平均过机含沙量为55 g/m3，对应的中值粒径d50约为0.005 2 mm；30年时，多年平均过机含沙量为90 g/m3，对应的中值粒径d50约为0.009 mm；40年时，多年平均过机含沙量为150 g/m3，对应的中值粒径d50约为0.014 mm。

中水北方勘测设计研究有限责任公司于2016年在坝址处河流左岸取的河床质沙样，将泥沙粒径分级为0.08 mm以下、0.08～0.5 mm以及以上两级的混合物在中国地质大学进行坝址处河床沉积物样品的矿物成分测试，成果见表1。由表1可见，砂样的石英含量与其粒径大小有关，如粒径不大于0.08 mm时石英含量为25%，而粒径大于0.08 mm且小于0.5 mm的砂样石英含量为32%。

表1 坝址处河床沉积物样品的矿物成分表 %

3 冲击式机组泥沙磨损的主要危害

本电站为超高水头电站，泥沙磨蚀对机组运行危害很大，会严重影响机组的发电效率，磨蚀很严重时甚至造成被迫停机。在多泥沙河流中，冲击式水轮机最易磨损部件集中在喷针、口环磨损，其次为叶斗磨蚀损坏。以国内某梯级水电站为例，自上而下包括RZH电站、JW电站及DF电站，均装设单机超过100 MW的冲击式水轮机，转轮、喷嘴为国外某公司设计、制造。由于第一级水库具有年调节性能、水质较清，各梯级冲击式水轮机在招标时明确均不喷涂抗磨涂层。实际运行中，JW电站和DF电站采用上级电站尾水为调节池主水源，并引入河道区间流量，因此，泥沙主要来源于汛期河道区间流量；且两电站投产初期首级水库并未形成，引用流量采用进水口底格拦栅防沙效果较差，汛期河水中夹杂有较多的泥沙，泥沙顺流进入机组导致水斗及转轮磨损。如图1、2所示。

图1 DF电站转轮水斗磨损情况

4 本电站对泥沙颗粒直径的敏感性范围分析

图2 JW2号机组水斗分水刃前尖端部断裂图

根据国内在黄河及南方多泥沙河流中高水头水轮机的运行经验，认为泥沙粒径小于0.05 mm时，泥沙的磨损能力较小；而粒径大于0.05 mm的泥沙粒径，尤其是0.1～0.5 mm粒径的泥沙，磨损强度极大，必须排除；而当水头很高时，即使颗粒直径不小于0.05 mm的泥沙，对水轮机通流部件的磨蚀危害也很显著。有关文献曾指出，水轮机通流部件泥沙磨蚀严重程度与泥沙颗粒直径大于0.05 mm的含沙量（Sd）及电站运行水头（H）的乘积（H•Sd）密切相关，并建议以H·Sd≤7 000来控制。按照这一建议，SK电站对颗粒直径不小于0.05 mm的泥沙含量限制约为8.28 g/m3。

SK电站经水库对泥沙的自然沉降，运行20年冲淤平衡后，出库泥沙颗粒直径不小于0.05 mm的泥沙含量见表2。

表2 泥沙颗粒直径不小于0.05 mm的泥沙含量统计表

也就是说，水库在运行30年后，必须做好水库“敞泄排沙”以恢复水库对泥沙的沉降作用，减少沙颗粒直径不小于0.05 mm的过机泥沙。

5 本电站水轮机泥沙磨损估算

目前尚无统一的对冲击式水轮机泥沙磨损的评估公式，这里参考国外某公司开发的用于不锈钢转轮（无抗磨喷涂）估计平均泥沙磨损率的经验公式。其中认为石英（莫氏硬度大于7）的含量和粒径0.04～0.07 mm的泥沙起到关键作用。

式中δ——斗叶内表面平均泥沙磨损率，μm/h；

z0——喷嘴数；

p——经验常数，5×10-6；

q——泥沙石英比例莫氏硬度不小于7，%；

c——泥沙含量，g/L；

w——斗叶内的相对流速，m/s；

fd50——泥沙颗粒在0.04～0.07 mm，莫氏硬度不小于7的硬矿物质占总沙重的比例，%。

电站冲击式水轮机斗叶内表面平均泥沙磨损率估算见表3。

表3 SK电站冲击式水轮机斗叶内表面平均泥沙磨损率估算表

表3估算的泥沙磨损率只针对水轮机泥沙磨损进行估算，实际运行水轮机磨蚀为泥沙磨损和空蚀综合作用的结果，情况会比单纯磨损严重。

6 减轻泥沙磨蚀的措施

6.1 工程措施

经论证，SK电站采用“壅水沉沙，敞泄排沙”的运用方式可防止推移质以及悬移质中的粗颗粒（d≥0.1 mm）泥沙进入进水口，使电站过机多年平均含沙量和多年平均粗粒径含沙量均限定于允许值。

按照这一方式，水库运行20年后，发电引水泥沙颗粒直径在0.05 mm及以上的泥沙仍占有一定含量。电站枢纽采用“壅水沉沙、敞泄排沙”运行方式后，非汛期水库进行日调节蓄水发电，汛期水库一般在正常蓄水位发电，多余水量通过底孔排沙运行，当入库流量大于200 m3/s进行敞泄排沙运行（1年敞泄排沙1 d，其他大于200 m3/s时间正常发电结合底孔弃水排沙），电站1年停止发电时间为1 d，以期降低过机含沙量，为水轮机运行创造尽可能好的条件。

6.2 过流部件材料

为解决电站空蚀和泥沙磨损带来的危害，许多高水头水电站采用0Cr13Ni4～6Mo以及0Cr16Ni5Mo型不锈钢作为主要过流部件的母材。这几种钢材有很好的耐磨性和耐空蚀性能，以及良好的加工性能。几种钢材的化学成分和力学性能见表4、5。

表4 水轮机转轮常用钢材化学元素含量 %

表5 水轮机转轮常用钢材力学性能

SK水电站水轮机转轮采用整锻工艺，因锻造温度较难控制，选用的材料要适合大体积或厚钢板的锻造，本项目水轮机中标制造商安德里茨公司推荐转轮、喷针、喷嘴口环等主要过流部件采用德标EN10088-2005马氏体不锈钢X3CrNiMo 13-4，化学成分及力学性能见表6、7。

表6 X3Cr NiMo 13-4不锈钢化学元素含量 %

表7 水轮机转轮常用钢材力学性能

6.3 抗磨涂层

根据分析预期过机泥沙含量、粒径、矿物成份和泥沙几何形状等因素，主机厂推荐不对转轮水斗内表面喷涂抗磨层，只对喷针、口环进行喷涂。喷涂材料使用该公司专有的抗磨材料SXHTM80，涂料通过HVOF（超音速火焰喷涂），热喷涂工艺沉积在部件表面，喷涂厚度约为0.3 mm。

根据安德里茨供货的瑞士Zermatt电站对比，用SXHTM80喷涂的部件，按照不同流速、过机时间、泥沙含量和成分的不同，会比不喷涂的钢制部件实际使用寿命增加2～7倍。

6.4 其他措施

（1）针对本电站水头高、含泥沙等特点，机组设计选型时注意参数的选择。合理选择喷嘴比转速，使水轮机运行在“无空化”区域。

（2）采用适当的避沙峰运行方式，在过机含沙量较大时停机，以减小对过流部件的磨损。

（3）冲击式水轮机的转轮水斗修复时间较长，约需1个月；其余过流部件如喷嘴、喷针、折向器等修复时间相对较短，约需1周。从缩短大修时间、减少发电量损失角度出发，可根据预估的转轮大修周期，在机组设备采购时同期采购备用转轮、喷针和口环。

（4）为了检修方便，水轮机采用下拆结构。检修频率较高的水斗、口环、喷针等零部件，均可在不拆卸发电机的情况下，通过下拆进行检修。下拆零部件通过专用小车和厂房上游侧的吊物孔吊运到安装场进行检修。

7 结 语

巴基斯坦苏基-克纳里水电站具有超高水头，过机含有沙量且汛期过机泥沙含量较大、沙质硬度较高等特点。在工程设计及招标过程中，对水轮机抗泥沙磨蚀措施进行了深入研究，从工程措施、过流部件材料选择、采用抗磨涂层等多方面进行了考虑，为电站的长期高效、安全、稳定运行创造了良好条件。