大盈江四级水电站水轮机抗泥沙磨损措施探析

李胜亮，曲德威，刘永军

（1.辽宁清原抽水蓄能有限公司筹建处，辽宁 沈阳 110001；2.云南盈江县大盈江四级水电站，云南盈江 679300；3.桓仁西江水力发电有限公司，辽宁桓仁 117221）

大盈江四级水电站水轮机抗泥沙磨损措施探析

李胜亮1，曲德威2，刘永军3

（1.辽宁清原抽水蓄能有限公司筹建处，辽宁 沈阳 110001；2.云南盈江县大盈江四级水电站，云南盈江 679300；3.桓仁西江水力发电有限公司，辽宁桓仁 117221）

大盈江四级水电站流域泥沙含量大，蓄水坝区库容量小，汛期泥沙得不到有效沉积，大量泥沙流入机组，造成水轮机过流部件磨损严重，严重影响电站安全运行。通过修建沉沙池、优化水轮机过流部件结构设计并对其进行喷涂抗磨层等措施，很好地解决了水轮机泥沙磨损问题，取得了良好效果。

大盈江水电站；水轮机；泥沙磨损；措施

大盈江四级水电站位于云南省德宏州盈江县境内的大盈江干流上，装机容量5×175MW，机组额定水头为289m。2013年8月5台机组全部投产发电。大盈江属于多沙河流，汛期泥沙含量大，坝址沙量为335×104t，平均含沙量为0.448kg/ m3，汛期含沙量最高达为0.675kg/m3。电站属于引水式电站，厂址位于洪蚌河口与大盈江汇口上游约1km处，引水系统长达14km，调节库容仅3.58×104m3，相对较小。

1　水轮机运行情况

大盈江水四级电站水轮发电机型号为HL（TF5008）-LJ-380，额定出力178.6MW，最大水头329m，额定水头289m，最小水头285m，装机年利用小时数为5329h，汛期一般在每年的6—8月，期间基本24h不间断满负荷运行。2009年4月首台机组发电，电站渡过第一个汛期过后，发现机组在开机的时候球阀无法正常平压，机组的振动、摆度变大、机组运行噪音增大超过设计值，机组水导、推力瓦温升高。检查发现几乎所有机组的活动导叶、底环、顶盖及其转轮都出现了严重的磨损，活动导叶上下轴颈迎水部位均受到严重的冲蚀，破坏严重，轴端密封失效，密封槽破损，活动导叶上下端面与座底环、顶盖的上下接触部位出现明显的冲蚀。转轮进口边靠近上冠、下环的位置出现缺损，并且有蚀坑、鱼鳞状的空蚀和磨损，转轮出水边下环的位置同样出现了蚀坑、鱼鳞状的空蚀和磨损。顶盖、底环表面在活动导叶活动的区域出现了严重的蚀坑，破坏十分严重。

1）机组水轮机顶盖抗磨板、部分中轴套已经遭到破坏、导叶上端面密封槽全部破坏，破坏程度极其严重，最大破坏深度达到50～60mm，长度沿着整个中轴套。

2）机组水轮机底环抗磨板、下轴套全部遭到破坏、导叶下端面密封槽全部破坏，底环过流表面破坏程度极其严重，平均破坏深度达40mm，最大破坏深度达到60～70mm，宽度大约为200mm。

3）3号机24个水轮机活动导叶全部遭到严重破坏，破坏程度极其严重，主要破坏位置集中于导叶的上下轴颈密封槽边缘。

4）3号机组水轮机转轮泥沙磨损十分严重，上下迷宫环单边磨损15mm，下迷宫环径向磨出15 mm、深宽30mm环形深沟，上下迷宫环上端面磨损严重，转轮叶片进口头部磨损严重，并且有2个转轮长叶片已经出现了断裂现象，断裂的叶片1尺寸为450mm×230mm，断裂的叶片7尺寸为390mm×220mm。

5）机组水轮机上下固定止漏环磨损极其严重，部分端面磨损深度达到20～25mm。

2　原因分析

2.1流域来沙集中，机组运行工况差

大盈江为季节性河流，为多雨地区，来水主要是靠大气降雨，来水陡涨陡落，泥沙主要来源为地面侵蚀，经雨水冲刷，汇入江中。据观测，1—10月份入库平均含沙量为0.38kg/m3，上游来沙主要集中在5—9月份，占1—10月份来沙98.59%，1—4月份仅占0.08%，10月份占1.33%。坝址来水最大含沙量发生在6，7月达15.216kg/m3。电站的蓄水坝区库容量小，没有起到沉沙的作用，使得流域中的大量泥沙流入机组造成了磨损，从表现形态到机理分析，结合其他电站的经验，主要是间隙磨损。导叶、上下抗磨板、迷宫环包括转轮的破坏原因，多数都直接或间接地由磨损引起。

2.2过流部件设计缺陷

大盈江四级水电站活动导叶两轴端与导叶本体有较大的铸造圆角，从导叶进水边向转轮方向看，在过流断面上形成较高的“凸台”。活动导叶上下轴颈处的流态是极其不稳定的，非常明显地在活动导叶上下轴端的铸造圆角的迎水边出现脱硫和扰流，活动导叶端面也出现间隙过流，导叶运行位置相应的顶盖、底环出现导叶型蚀坑。

3　解决措施

3.1修建沉沙池

3.1.1沉沙池设计

根据《水电水利工程沉沙池设计规范》，取沉沙池设计最小沉降粒径R=0.25mm，取工作段平均流速V=0.25m/s，大于等于设计最小沉降粒径的泥沙沉降率为85%。沉沙池、沉沙池冲沙洞、沉沙池拦水坝均为输水发电系统主要建筑物，根据规范裁定其建筑物级别按2级设计。

考虑新型漏斗式沉沙池冲沙流量无现成规范及理论公式可依，为此，冲沙流量的确定主要依据河流汛期来流量、沉沙池特性、沉沙池模型试验排沙效果进行确定。结合实际，最终确定为120m3/s。

沉沙池布置在引水隧洞桩号引3+242.700—4+177.000m之间，即阿岗河对岸新3号施工支洞口附近地段，主要由沉沙池池顶边坡、沉沙池环形公路、漏斗式沉沙池池体、沉沙池拦水坝及冲沙系统等组成。沉沙池环形公路环绕沉沙池池体一周，其上部为沉沙池池顶边坡，由于沉沙池池体工作段处发育一条冲沟，其地面高程低于池顶高程，因此在沉沙池工作段左侧设置拦水坝，为将沉沙池沉积泥沙排出池外，在沉沙池池体左侧利用冲沟布置冲沙系统，将泥沙排入大盈江中，冲沙系统控制闸结合拦水坝进行布置。

沉沙池池体布置于环形公路内，由开挖形成，池体底部最大宽度为122.2m，底部最大长度为447.98m（沿工作段纵轴线），池体顶部最大宽度为157.8m，顶部最大长度为491.74m，最大深度为56m，池体顺水流方向依次为沉沙池上游连接段、工作段及下游连接段。

3.1.2沉沙池修建效果对比

1）沉沙池建成前坝址与尾水含沙量

沉沙池建成前坝址来水含沙量在0～0.07kg/ m3之间变化，尾水含沙量在0～0.062kg/m3之间变化。沉沙池建成前，1—4月份处于枯水期，天然来水含沙量较小，均值为0.005kg/m3。通过实测资料来看，坝址来水含沙量与尾水含沙量基本相当，见表1。

2）沉沙池建成后过机沙量及级配

2013年4月完成下闸蓄水沉沙池投运后，5—10月份坝址来水含沙量在0～15.216kg/m3区间变化，平均含沙量0.555kg/m3。尾水含沙量在0～10.071kg/m3变化，平均含沙量0.258kg/m3。通过实测资料来看，沉沙池建成后对上游来沙有很好的沉沙作用，尤其是在汛期来沙量较大、泥沙粒度也较大的时候沉沙效果明显，见表1。

3.2优化设计

1）改进抗磨板材料，改善导叶端面密封方式

顶盖、底环过流板原设计材料为Q235-B，表面堆焊一层厚度不小于5mm不锈钢，改为抗磨性能优良的ZG06Cr16Ni5Mo不锈钢板，以提高其耐磨性能；导叶D形密封由原丁晴橡胶材料改为特殊聚胺脂进口材料，密封性能改善，增强了导叶轴头抗磨损能力；上、下止漏环材质由ZG10Cr13改用抗磨性能优良的ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢材料；取消顶盖、底环上下抗磨板上的密封槽结构，端面密封改为金属间隙密封方式。

2）改进导水机构各部位配合间隙

活动导叶端面间隙在工厂验收控制由原来的（0.6±0.15）mm改为（0.3±0.1）mm以内，有效防止大颗粒泥沙进入导叶端面，减缓导叶端面磨损；转轮上冠外圆与顶盖密封间隙由原设计3.0mm改为（2.0±0.2）mm，减缓上冠外圆及顶盖抗磨板内圆间隙磨损；转轮下环外圆与底环密封间隙由原设计3.0mm改为（2.0±0.2）mm，减缓下环外圆及底环抗磨板内圆间隙磨损；转轮上冠与顶盖密封止漏间隙、转轮下环与基础环密封止漏间隙适当减小，由原设计1.25mm改为（1.0±0.1）mm。导水机构间隙的改进，使导水机构内流体状态趋于稳定，间隙扰流、紊流能到有效控制。

表1　沉沙池建成前、后坝址来水与尾水含沙量对比　kg/m3

3）顶盖结构改善

导水机构顶盖进行新的结构设计、增大其结构钢强度，减小因顶盖变形而导致导叶与顶盖端面间隙变化而产生的泥沙磨损。

4）对导水机构过流部件进行热喷涂

顶盖、底环、活动导叶、转轮等过流面采用国内外先进的碳化钨特殊抗磨性材料热喷涂技术，增强这些部件的抗泥沙磨损能力。

4　结语

经过上述一系列措施的改造，改善了机组水流流态，增强了机组过流部件的抗磨性能。机组投入运行并经历了一个汛期，对机组进行检查，发现沉沙池降沙效果明显，蜗壳里面没有泥沙堆积，只是存有少量的泥土。机组开机时能够正常平压，机组各部位振动、摆度正常，瓦温度符合要求，很好地解决了大盈江四级水电站水轮机泥沙磨损严重问题，保证了电站安全、稳定运行。

［1］云南省水利水电建设管理与质量安全中心.大盈江四级水电站枢纽工程专项验收质量监督报告［R］.2014，5.

［2］中国电建顾问集团昆明勘测设计研究院.大盈江水四级电站枢纽工程专项验收设计报告［R］.2014，4.

TK730.8

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1002－0624（2015）12－0056－03

2015-09-12