刘韶春，熊建平，陈梁年



大盈江水电站（四级）水轮机防磨蚀措施探讨

刘韶春，熊建平，陈梁年

（东芝水电设备（杭州）有限公司，杭州310016）

大盈江水电站(四级)原安装4台高水头、高转速混流式机组，由于电站含沙量较大，为减轻水轮机磨损，初期设计时从水力和结构两方面采取了必要的防磨蚀措施，如：选用长短叶片转轮、较低转速、确保充足空化裕量；采用转轮下拆方式、非接触式主轴密封、抗磨蚀材料等。后因实际过机含沙量过大，且泥沙粒径大、硬度高，主要过流部件出现了不同程度磨损。经研讨分析，采取了一系列优化改善措施，如修建沉沙池、水轮机设计优化、局部过流表面热喷涂等。取得明显成效，延长了大修周期，增加了发电效益。本文就此进行了总结和探讨。

水电站；水力发电；混流式机组；高水头水轮机；防磨蚀

0 前言

大盈江水电站（四级）位于云南省德宏州盈江县境内的大盈江下游河段，是大盈江上在中国境内规划的最后一个梯级电站，电站采用引水式开发，径流发电，主要水工建筑物包括首部枢纽、引水系统、调压井和厂区枢纽。

电站装有5台单机容量为175MW的混流式水轮发电机组，分两期建设，一期四台机组于2009年4月～8月先后建成投产，二期新增一台机组于2013年8月投产发电，5台机组由东芝水电设计、供货。机组最大水头331m，额定水头289m，最小水头285m，转轮直径1=3.8m，额定转速300r/min。多年平均含沙量0.427kg/m3。

1 水轮机防磨蚀设计

防磨蚀及其相关维护工作的间隔和复杂性取决于实际过机泥沙量及其它一系列机组防泥沙磨蚀措施。针对大盈江水电站（四级）运行条件和运行工况，水轮机防磨蚀设计主要从水力与结构两方面进行考虑。

1.1 水力选型设计

本电站为高水头、高转速、大容量混流式机组。考虑该电站含沙量大的特点，在水力选型设计中采取了以下必要的防磨蚀措施：

（1）选用空化性能优秀，水力稳定性高的长短叶片转轮；

（2）利用计算流体动力学数值求解（CFD）技术进行转轮内流态分析，确保流态分布均匀；

（3）不追求过高的能量指标，选用较低转速，以降低水轮机过流部件的流速，减少泥沙对水轮机过流部件的磨损；

（4）选择适当的安装高程，确保充足的空化安全裕量。推荐用于本电站的长短叶片转轮具有非常优秀的空化特性。可以确保电站在任何可能的运行工况下都不发生空化现象，避免空化、磨损联合作用；

（5）导叶型线变化平缓，低流速区宽广，有效降低导叶自身磨损及可能导致的导叶轴承内磨损，顶盖、底环磨损。

1.2 水轮机结构设计

考虑电站含沙量较大的特点，为方便后期检修维护，水轮机结构设计时采取了以下防磨蚀措施：

（1）水轮机转轮采用下拆方式，可在不拆卸发电机的情况下拆出转轮进行维修或更换，实现转轮从尾水管锥管侧进行拆装的需要，缩短停机检修时间；

（2）重要过流部件采用抗磨蚀不锈钢材质；

（3）采用防磨蚀的结构设计；

（4）采用方便检修、维护的设计。

1.2.1 转轮

转轮采用长短叶片结构。叶片、上冠、下环均采用抗磨性能和焊接性能良好的马氏体不锈钢材质铸造，采用VOD精炼工艺。叶片采用数控加工，表面抛光，保证叶片型线与模型完全相似。上冠、下环设置的止漏环直接在转轮上加工成型。

1.2.2 导水机构

导水机构设计充分考虑了电站安装、检修方便，防磨蚀。

（1）顶盖采用焊接结构，与导叶端面相邻处过流面铺焊不锈钢抗磨层，设有可更换不锈钢固定止漏环。设足够加强筋，保证足够强度和刚度，以减小因可能变形而导致导叶与顶盖端面间隙变化而产生的泥沙磨损；

（2）底环采用焊接结构，与导叶端面相邻处过流面铺焊不锈钢抗磨层；

基础环采用焊接结构，设有可更换不锈钢固定止漏环；

（3）导叶采用抗磨蚀不锈钢电渣熔铸，三支点轴承结构，轴承采用铜基自润滑复合材料。导叶轴颈设有密封，能防泥沙。每个导叶都经过精密加工，精确地安装以确保全关位置密合良好，从而减小漏水量，减缓泥沙磨损。

1.2.3 主轴密封

主轴密封采用“转轮泵板+主轴迷宫式非接触间隙密封”方式，机组运转时，由于转轮泵板作用，主轴迷宫式密封侧水压基本为零，密封漏水量很小，甚至不漏水，可有效防止含沙水流和杂质进入主轴密封。

主轴密封不需水冷却或润滑，无需定时维修，且无磨损，不需定期更换，维护十分方便，适用于高水头、高转速机组。

现经多年运行证明，水轮机在实际运行时，主轴密封无水泄漏，顶盖上处于无水状态，密封效果非常良好。该结构在大盈江水电站（四级）的成功应用表明，该密封结构效果好、寿命长，特别适用于多泥沙河流电站。

2 水轮机磨蚀情况

电站自2009年4月首台机组投产发电以后，一期机组导水机构、转轮等主要过流部件出现了不同程度的磨损。以下以首次发现磨损的3F、4F机为例，对磨蚀情况进行介绍。

3F、4F机组运行一个汛期后，发现机组开机时进水球阀无法正常平压。2009年12月，拆开机组进行检修，发现导叶、底环、顶盖及转轮出现磨蚀，磨蚀情况如下：

（1）顶盖、上固定止漏环

两台机组顶盖抗磨板、部分中轴套遭到破坏，过流面最大破坏深度达到50～60mm。

上固定梳齿止漏环较完好，与上冠外圆配合处可更换固定止漏环已大部分脱落。

（2）底环

两台机组底环抗磨板、下轴套全部遭到破坏，底环过流表面破坏程度极其严重，平均破坏深度达40mm，最大破坏深度达60～70mm。

（3）导叶

两台机组共计48只导叶，轴颈处全遭到破坏，导叶流水面、上下端面流水面有较小的磨损痕迹。

（4）转轮

两台机组转轮上、下止漏环处，单边磨损最深15mm，下止漏环径向磨出深15mm、宽30mm环形深沟，上、下止漏环上端面磨损严重，叶片进口头部磨损严重。

（5）基础环止漏环

两台机组基础环止漏环均有磨损，密封配合面有一圈凹槽。

上述各部件磨损照片分别如图1（a）~（f）所示。

（a） 顶盖过流面

（b） 顶盖止漏环

（c） 底环过流面

（d） 导叶轴颈

（e） 长叶片进水边根部

（f） 基础环止漏环

图1 过流部件磨损照片

3 磨蚀原因调查分析

电站所处大盈江中下游流域新构造活动极为强烈，河床相对狭窄，受洪水冲刷影响，塌岸现象比较常见。流域上游形成的沙石通过水流，被带入河槽，流域基本身也属地质灾害多发地区，其形成的沙石通过水流的冲刷被带入河槽，水土流失严重，致使大盈江产沙较多，为多泥沙河流。

根据电站上游水文站1980年~2001年共22a泥沙资料显示，多年平均含沙量0.427kg/m3。

电站首部枢纽坝轴线距离上游大盈江水电站（三级）尾水仅740m左右，大坝下游100m左右的左侧河岸已属缅甸，大坝无下移建造的可能，导致水库库容小，调节库容仅有3.58万m3，不能起到有效调沙作用。且该段河谷相对狭窄，布置防沙沉沙建筑工程量巨大，费用高，原输水系统未考虑布置沉沙排沙设施。导致上游泥沙随水流直接进入引水隧道，最终进入水轮机，直接或间接对水轮机过流部件造成磨损，影响机组使用寿命及机组的安全运行。

电站投运并发生水轮机磨蚀后，经调查确认坝址来水最大的汛期(6~7月)含沙量实际最高达到15.216kg/m3。

经多方面调查及研讨分析，各方一致认为，不论是从磨损的形态还是机理，根据经验判定，造成水轮机磨蚀的主要原因是过机泥沙含量过大，远远超过原合同给定数值，且泥沙粒径大、硬度高，硬矿物较多。

4 优化改善措施及效果

经综合研讨分析，要彻底解决水轮机磨蚀问题，其根本在于控制过机泥沙量，鉴于现状，考虑有必要建造沉沙池，另外还可进一步采取其他优化改善措施，包括导水机构过流部位材料及密封改善、导水机构过流部位及转轮进出口热喷涂等措施。以尽可能延长导水机构、转轮等的使用寿命。

4.1 优化改善措施

4.1.1 修建沉沙池

机组出现磨蚀后，经研讨得出，过机水流含沙量较大且泥沙硬度过高是导致机组磨蚀的主要原因，要从根本上解决泥沙对机组的磨损，关键在于减少过机泥沙含量。

为此，业主和设计院提出在输水发电系统增设沉沙池的方案，以降低机组过机含沙量。在距发电引水洞约3km位置增设了一个总容积约为230万m3的沉沙池，不定期排沙，目前是每年4月份冲沙一次。

4.1.2 水轮机设计优化

水轮机检修以最大限度地延缓导水机构、转轮等过流部件的使用寿命为前提，采取了如下优化改善措施：

（1）顶盖、底环过流板、止漏环采用抗磨性能优良的不锈钢材质；

（2）导叶端面密封采用金属密封方式，轴头密封采用特制的进口聚胺脂材料；

（3）密封间隙适当减小，减缓间隙磨损可能性；

（4）采用特殊结构导叶，有效减缓泥沙磨蚀，延长导叶使用寿命；

（5）过流部件局部过流面热喷涂。对顶盖、底环、活动导叶、转轮等过流部件，实施热喷涂，喷涂范围详见图2所示阴影部分。

图2 过流部件热喷涂范围

4.2 优化改善后效果

4.2.1 修建沉沙池效果

2013年4月，沉沙池投入运行。沉沙池投运后，汛期过机泥沙含量明显下降，泥沙粒径大于0.25mm的基本沉降于沉沙池，过机泥沙粒径基本在0.2mm以下，详见表1。

表1 沉沙池投运后汛期上下游含沙量和级配

同年10月，对2F机组过流部件进行了检查，转轮和导叶整体基本完好无损，仅长叶片、短叶片进水侧底部、底环的轴套边缘和转轮下环等处有轻微磨损。

由此证明，沉沙池沉沙效果显著，沉沙作用明显，有效降低了过机含沙量，减少了泥沙对机组的磨损。

4.2.2 水轮机防磨蚀措施效果

2011年11月，拆开2F机检查，发现经过一个汛期后导叶、转轮过流面基本完好，如图3所示，可见采取以上防磨蚀措施后抗磨蚀效果已取得一定成效。

图3 经过一个汛期后2F机活动导叶、转轮

鉴于2F机所取得的初步成效，在后续机组修复时，采用了2F机相同的防磨蚀措施。

5 防磨蚀措施探讨

结合大盈江水电站（四级）所采取的一系列防磨蚀措施及所取得的效果，我们认为以下水轮机防磨蚀措施值得探讨和供类似机组今后参考。

5.1 过机泥沙控制及水力设计

对于高水头、高转速、多泥沙电站，上游沉沙排沙设施的设置非常有必要，可大大减少过机含沙量、减小沙粒直径，是有效防止泥沙磨蚀的根本措施。当然水力设计也是至关重要的，选择一个优秀的模型转轮，对于水轮机防磨蚀的作用也是不可忽视的。

5.2 导叶端面密封及间隙设置

总结高水头电站运行经验，导叶端面密封宜采用金属刚性密封，并适当减小导叶端面间隙，可减小端面间隙处通过的泥沙数量及粒径，有效防磨蚀。

5.3 过流面热喷涂

大盈江水电站（四级）大修时，主要对如图2所示的转轮叶片进出水边、上下止漏环表面；导叶翼型瓣体表面、上下端面；顶盖、底环过流面等部位进行了热喷涂，现经实际运行证明，实施了热喷涂并采取了上述防磨蚀措施后的机组，使用寿命可延长3~5年左右，防磨蚀作用明显。过流面热喷涂技术，今后在类似机组可参考使用。

6 结语

大盈江水电站(四级)为高水头、高转速、多泥沙电站。

（1）在初期水力设计和结构设计时，已采取了防磨蚀的水轮机设计，例如选择合理的水力参数、采用抗磨蚀性能优秀的长短叶片转轮、采用转轮下拆方式、采用泵板+迷宫式非接触间隙密封、过流部位采用抗磨蚀不锈钢材质等，从实际运行效果来看，这些措施起到了较好的效果，有效减缓了磨损、延长了检修周期。

（2）轮机磨蚀问题从发现至今已近七年，经过进一步采取修建沉沙池、水轮机优化改善等防磨蚀措施，从起初的转轮、导水机构过一个汛期更换一套，到目前检修后运行时间最长的一台2F机组已经安全度过五个汛期，确实取得了明显成效。

（3）水轮机磨蚀是个复杂的过程，防泥沙磨蚀是个需要综合考虑的系统工程，唯有多策并举才能取得成效。

本文就大盈江水电站（四级）采取的相关措施及效果进行了总结和探讨，希望能给同行和其他类似电站参考、借鉴。在此一并感谢为本文提供参考资料和数据的电厂相关人员。

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Discussion about the Anti-abrasion Measures of the Turbines for Dayingjiang Hydropower Station(Stage Ⅳ)

LIU Shaochun, XIONG Jianping, CHEN Liangnian

(Toshiba Hydro Power(Hangzhou)Co., Ltd., Hangzhou 310016, China)

Dayingjiang hydropower station(Stage Ⅳ) original equipped with four Francis units of high head and high speed. Because the sediment concentrations of the hydropower station water flow is very high, in order to reduce the sediment erosion of turbine, necessary anti-abrasion measures from two aspects of hydraulic and structure have been taken during the original design stage, such as splitter blades runner, lower speed, sufficient cavitation margin, dismantling-from-below type of runner, on-contact main shaft seal and anti-abrasion material and so on. Later because the actual sediment concentrations through the turbine was too high and the sand with large size and high hardness. The main flow-through parts appeared varying degrees abrasion. A series of optimization and improvement measures were taken after discussion and analysis, such as building sediment pool, turbine design optimization, part flow-passing surface thermal spraying etc. It has achieved remarkable results, extended the overhaul period and increased the hydropower generation benefits. This paper summarizes and discusses this and hope it can give a reference for other counterparts and similar hydropower station on the river with large sediment concentrations.

hydropower station;hydropower generation;Francis units; high head turbine; anti-abrasion

TM622

A

1000-3983(2017)04-0052-05

2016-10-26

刘韶春（1978-），2001年7月毕业于南昌工程学院机电系水电站动力设备专业，2017年取得浙江大学建筑工程学院水利工程工程硕士，现从事水轮机水力设计工作，工程师。