鄧增錄

（寶雞峽魏家堡水電站，陜西 寶雞 722300）

一、工程概況及磨蝕情況

寶雞峽魏家堡水電站位于陜西省眉縣境內(nèi)，渭河寶雞峽塬上總干渠84+365m處，是利用塬上干渠給塬下灌區(qū)補(bǔ)水及非灌溉期棄水進(jìn)行發(fā)電的渠道式電站，于1998年底建成投產(chǎn)。共裝設(shè)3臺(tái)混流式發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)1.89萬kW，水輪機(jī)型號(hào)為HLX280-LJ-138，主要參數(shù)為：運(yùn)行水頭95.46～99.72m，設(shè)計(jì)工作水頭96.2m，轉(zhuǎn)輪直徑1.00m，額定轉(zhuǎn)速600r/min，額定出力6300kW。

魏家堡水電站為渠道式電站，水電站的泥沙來源主要為渭河寶雞峽渠首以上河道。根據(jù)林家村水文站1980-1994年共15年泥沙資料統(tǒng)計(jì)，多年平均懸移質(zhì)輸沙量9680萬t，多年平均含沙量47.3kg/m3。其中汛期輸沙量8590萬t，占年輸沙量88.7%，汛期平均含沙量73.6kg/m3，多年平均推移質(zhì)輸沙量176萬t。魏家堡水電站設(shè)計(jì)流量23.55m3/s，由逐日的發(fā)電引水流量及林家村水文站實(shí)測(cè)的逐日平均含沙量計(jì)算得出滿發(fā)年過機(jī)沙量為797萬t，占渠首年輸沙量的8.23%，汛期過機(jī)沙量663萬t，占年平均過機(jī)沙量的83.2%，6～9月平均過機(jī)沙量38.1kg/m3，7～8月份平均過機(jī)含沙量50.3kg/m3。

泥沙對(duì)機(jī)組的磨蝕問題較為嚴(yán)重，該電站1998年底投產(chǎn)，當(dāng)年運(yùn)行2727h后適逢汛期到來，機(jī)組磨蝕加劇，效率迅速下降。以3＃機(jī)為例，上下止漏環(huán)間隙由安裝時(shí)的0.12mm磨損到12mm，活動(dòng)導(dǎo)葉端面密封全部磨掉，導(dǎo)葉尾部被泥沙磨掉20mm左右，造成運(yùn)行時(shí)難以迅速并網(wǎng)，停運(yùn)時(shí)難以停機(jī)，不得不進(jìn)行大修和技改。

二、減輕磨蝕的工程措施

電站在設(shè)計(jì)階段就充分考慮了渭河“水大帶大沙，水小帶小沙”的特點(diǎn)，十分重視泥沙對(duì)水輪機(jī)的磨損，采取了以下兩項(xiàng)工程措施，科學(xué)布置水工設(shè)施，旨在減少過機(jī)沙量。

1.在電站壓力前池內(nèi)設(shè)置排沙孔及導(dǎo)沙墻

導(dǎo)沙墻呈曲線型，其最佳高度確立在前池最低運(yùn)行水位時(shí)能可靠引流發(fā)電，排沙孔設(shè)于進(jìn)水口右側(cè)，形成正向取水，側(cè)向排沙，構(gòu)筑工程措施上阻攔泥沙的最后一道防線。

2.利用渠道現(xiàn)有沉沙槽發(fā)揮降沙、沉沙效果

由于魏家堡水電站過機(jī)沙量很大，因此防止粗沙過機(jī)對(duì)水輪機(jī)磨蝕是該站解決泥沙的主要問題。據(jù)分析計(jì)算，渠首沉沙槽在正常運(yùn)行情況下，可以使懸移質(zhì)泥沙中d≥0.25mm的泥沙沉降80%以上，使魏家堡水電站年平均粗沙（d≥0.25mm）的過機(jī)沙量由0.38kg/m3減少到0.076kg/m3。

采取以上兩項(xiàng)水工措施后，通過試運(yùn)行證明取得了一定效果，但仍不能從根本上解決磨蝕問題。

三、提高抗磨蝕能力的技改措施

1.優(yōu)化水機(jī)參數(shù)

(1）重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪。流道中含沙水流相對(duì)速度較大，是造成泥沙磨損的主要原因之一。與同等水頭電站相比較，魏家堡水電站機(jī)組轉(zhuǎn)速高、水頭高、體積小，因而比轉(zhuǎn)速偏高。機(jī)組大修時(shí)，根據(jù)實(shí)際工況對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造，新轉(zhuǎn)輪將葉形進(jìn)行了優(yōu)化，降低了相對(duì)流速，據(jù)測(cè)算，新轉(zhuǎn)輪水流入口速度比原來降低了18%左右，減少了進(jìn)口撞擊損失。

(2）調(diào)整導(dǎo)葉翼形。導(dǎo)葉是重要的導(dǎo)水部件，原導(dǎo)葉在解決水流入口角度及撞擊角度方面有一定缺陷，不合理的翼形造成過水流態(tài)發(fā)生變化，容易產(chǎn)生空腔汽蝕，空蝕的產(chǎn)生又導(dǎo)致了磨蝕的加劇。新導(dǎo)葉設(shè)計(jì)線形更好，翼形科學(xué)，首次引用了尾部斜面結(jié)構(gòu)技術(shù)，使水流更平順流暢，從而有效減少葉面脫流，緩解了渦流空蝕與磨損。

2.改善過水部件結(jié)構(gòu)

(1）增加減壓孔孔徑和傾角。技改期間，在新轉(zhuǎn)輪上采取了擴(kuò)大減壓孔直徑的措施，將孔徑由原來的Ф40增加到Ф50，同時(shí)增加減壓孔傾角，使其出水孔口盡可能接近負(fù)壓區(qū)，能使上冠上積聚的高壓泥沙水盡快排泄，減少泥沙對(duì)上止漏環(huán)、上冠、頂蓋的磨損，還可減輕軸向水推力，從而減少推力瓦負(fù)擔(dān)。

(2）采用長(zhǎng)泄水錐，大修后的泄水錐比原泄水錐長(zhǎng)了約40mm。據(jù)試驗(yàn)證明，長(zhǎng)泄水錐的高壓脈動(dòng)區(qū)域比短泄水錐小，且幅值也小。因此，大修后重新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪采用了長(zhǎng)泄水錐，減少了尾水管的脈動(dòng)壓力，有效改善了汽蝕。

3.采用優(yōu)質(zhì)材料，提高抗磨蝕能力

(1）轉(zhuǎn)輪采用抗空蝕性能良好的6Cr13Ni4Mo不銹鋼轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪葉片采用不銹鋼板熱壓成形，數(shù)控車床加工，大大提高了轉(zhuǎn)輪葉片與模型的相似性。

(2）頂蓋、底環(huán)過流面鑲嵌高分子材料聚乙烯板，抗磨蝕性能是不銹鋼的數(shù)十倍，韌性好、不脆裂，溫度范圍廣，易于加工，在底環(huán)表面與頂蓋下平面均采用8塊拼裝，高強(qiáng)度螺栓沉頭鑲嵌，經(jīng)10多年運(yùn)行觀察，無磨損汽蝕，只有少量水中漂浮物劃痕。實(shí)踐證明，高分子聚乙烯是水電站理想的抗磨蝕優(yōu)質(zhì)材料。

(3）涂敷防護(hù)材料。大修期間還對(duì)高流速區(qū)的部件，包括導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片等用最新高速火焰（HVOF）噴涂技術(shù)進(jìn)行表面碳化鎢—鈷（SXHTO）材料噴涂。該項(xiàng)技術(shù)是把噴涂材料以粉末狀態(tài)注入高速噴射的火焰中，燃料為氫氧混合體，溫度為3000℃，噴射速度為2000m/s，高溫高速的氣體使加速運(yùn)動(dòng)的粉末顆粒緊密均勻地鑲嵌在基材表面上，從而形成少空隙、低氧化、高粘合力、低殘余應(yīng)力的高質(zhì)量涂層。由于高速運(yùn)動(dòng)的顆粒與基材表面是物理結(jié)合，其特點(diǎn)是：基材表面溫度低于150℃，基材不發(fā)生任何形變，表面硬度可達(dá)1100～1300HV300,涂層厚度0.3～0.5mm。采用上述技術(shù)措施，大大提高了過水部件表面的抗磨蝕能力。

四、減少磨蝕的工程運(yùn)行措施

一是，實(shí)行科學(xué)調(diào)度，庫渠結(jié)合綜合運(yùn)用，趨利避害，發(fā)揮庫渠應(yīng)有的沉沙、排沙效果。

二是，電站壓力前池采用間歇排沙運(yùn)行方式，即當(dāng)泥沙淤積高程接近導(dǎo)沙墻高程時(shí)，開啟沖沙閘排沙，排沙結(jié)束后關(guān)閘發(fā)電，當(dāng)有多余棄水時(shí)優(yōu)先開啟沖沙閘邊退水邊排沙，盡可能減少粗沙過機(jī)。

三是，科學(xué)控制過機(jī)含沙量上限，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及技改大修后防磨蝕技術(shù)的加強(qiáng)，該站汛期含沙量由過去的5%放寬到8%，超過8%就及時(shí)停機(jī)，以防粗沙過機(jī)形成惡性循環(huán)。

四是，盡可能以最佳或接近最佳工況運(yùn)行，減少半負(fù)荷以下運(yùn)行，有效避免振動(dòng)、汽蝕發(fā)生。

五、結(jié) 語

經(jīng)過不斷探索，魏家堡水電站機(jī)組磨蝕問題得到了有效的控制。單機(jī)運(yùn)行小時(shí)已從當(dāng)初的2700h延長(zhǎng)到現(xiàn)在的9700h，大修周期由過去的1年延長(zhǎng)到3年，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。發(fā)電量由2000年的2800萬kW?h提高到2009年的9100萬kW?h，發(fā)電年收入從800多萬元提高到2700多萬元。