（新疆天富能源股份有限公司紅山嘴電廠，石河子市，832204） 劉志剛

水輪機(jī)泥沙磨蝕問題是一個世界性的難題，目前國際上尚沒有好的解決辦法。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國水電裝機(jī)總?cè)萘客黄?億KW，其中約有40%水電站的水輪機(jī)的過流部件都遭受不同程度的泥沙磨蝕破壞，導(dǎo)致水輪機(jī)出力不足、使用壽命縮短、運(yùn)行效率下降、大修周期縮短。水輪機(jī)磨蝕成為制約水電廠經(jīng)濟(jì)效益和安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。

1 紅山嘴電廠水輪機(jī)磨蝕狀況

紅山嘴電廠 二、三、四、五級電站建設(shè)于20世紀(jì)六、七十年代，電站選擇的HL123、HL702、HL263轉(zhuǎn)輪均為我國目前已淘汰的老型號轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪效率最高達(dá)到80%，轉(zhuǎn)輪抗氣蝕性能差。紅山嘴電廠梯級電站引瑪納斯河水發(fā)電，瑪納斯河是一條多沙河流，且沙粒主要為硬度較大的石英砂，瑪河上游無調(diào)節(jié)水庫，泥沙全部通過水輪機(jī)過流部件。氣蝕和磨蝕的雙重作用造成紅山嘴電廠水輪機(jī)過流部件的磨蝕異常嚴(yán)重，豐水期停機(jī)補(bǔ)焊過流部件頻繁，且大修工作量，大修成本加高。其中磨蝕最嚴(yán)重的三級電站，豐水期過流部件不補(bǔ)焊，機(jī)組無法正常運(yùn)行，機(jī)組一年一大修，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國家規(guī)定5～6年一大修的標(biāo)準(zhǔn)。三級電站過流部件磨蝕狀況見表1。

2 水輪機(jī)抗磨蝕綜合技術(shù)研究

多年來為解決水輪機(jī)磨蝕問題，紅山嘴電廠投入了大量人力、物力。通過有關(guān)專家分析論證，技術(shù)人員研究試驗，并根據(jù)多年運(yùn)行、檢修積累的豐富經(jīng)驗 ，歷經(jīng)了上百次的失敗教訓(xùn)，終于找到了一些水輪發(fā)電機(jī)抗磨蝕的治理之路，使紅山嘴水電廠的水輪發(fā)電機(jī)的抗磨蝕能力有了很大的提高。

2.1 過流部件噴涂抗磨噴涂材料

紅山嘴電廠從70年代末就開始嘗試水輪機(jī)過流部件的抗磨蝕處理，等離子噴涂、低溫鍍鐵、熱噴涂等各種新型的軟、硬抗磨材料都使用過，90年代對水輪機(jī)葉片、導(dǎo)葉、座環(huán)、渦殼、進(jìn)行抗磨蝕處理，但水輪機(jī)過流部件的磨損和汽蝕還是沒有得到根本解決。

表1 三級電站過流部件磨蝕狀況

進(jìn)入21世紀(jì)，先后同上海中美司太立公司應(yīng)用超音速噴涂技術(shù)，對轉(zhuǎn)輪易磨損部位進(jìn)行進(jìn)口耐磨材料鎳基碳化鉻X3007噴涂試驗；應(yīng)用黃河水利科學(xué)院研制的聚氨酯，對轉(zhuǎn)輪易磨部位進(jìn)行噴刷試驗；與甘肅工業(yè)大學(xué)合作采用高速氧燃料金屬噴焊法，進(jìn)行轉(zhuǎn)輪葉片噴焊。目前大修期均采用甘肅工業(yè)大學(xué)氧乙炔噴熔轉(zhuǎn)輪噴焊法，對轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行噴焊，取得一定成果。

針對四、五級電站機(jī)組蝸殼、座環(huán)等部件水下過流部件已運(yùn)行50多年，銹蝕、磨蝕嚴(yán)重，漏水嚴(yán)重的現(xiàn)狀，廠于2002年開始對四級電站2號機(jī)蝸殼、座環(huán)進(jìn)行了環(huán)氧金剛砂涂抹，經(jīng)一個洪水期試驗，其效果較為理想。并逐步在四、五級電站其他機(jī)組進(jìn)行推廣，目前四、五級電站座環(huán)、蝸殼還能夠維持正常運(yùn)行。

2.2 優(yōu)化水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計，提高水輪機(jī)的抗磨蝕能力

研究轉(zhuǎn)輪葉形形狀的改型設(shè)計、轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量的優(yōu)化設(shè)計、轉(zhuǎn)輪材質(zhì)的選擇以及水輪機(jī)轉(zhuǎn)速與機(jī)組抗磨蝕能力的關(guān)系。與國內(nèi)科研院所合作，根據(jù)各梯級電站的水能條件、泥沙含量、水量變化和地形條件，為各電站研發(fā)與電站工程參數(shù)相匹配的轉(zhuǎn)輪，從轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計上解決電站運(yùn)行過程中抗磨蝕性能差、運(yùn)行穩(wěn)定性低的主要問題。

轉(zhuǎn)輪葉片選用X型葉片代替L型葉片，改善非設(shè)計工況下的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低空化系數(shù)，增強(qiáng)機(jī)組抗磨蝕和氣蝕能力；根據(jù)葉片氣蝕和磨蝕狀況，優(yōu)化葉型設(shè)計，減輕過流部件的磨蝕；選用優(yōu)質(zhì)新型材料，改變轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量，提高轉(zhuǎn)輪的剛度、強(qiáng)度和減輕重量；通過降低水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高水輪機(jī)抗磨蝕能力。北京水科院借鑒國內(nèi)、外水輪機(jī)設(shè)計先進(jìn)經(jīng)驗，利用計算機(jī)三維設(shè)計，完成紅山嘴電廠3種水頭，4種轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計，機(jī)組效率達(dá)到93%以上，過流部件抗磨蝕效果優(yōu)良。各電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪改型前、后主要技術(shù)參數(shù)見表2。

2.3 優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式

水輪機(jī)運(yùn)行性能的好壞，除與水輪機(jī)的設(shè)計、制造、安裝、檢修等多方面的質(zhì)量和技術(shù)水平有關(guān)外，還與水輪機(jī)、水電站的運(yùn)行方式和經(jīng)營管理水平有重要的關(guān)系。紅山嘴電廠根據(jù)水輪機(jī)運(yùn)行特性，結(jié)合瑪納斯河高含沙量和季節(jié)性較強(qiáng)的特點，研究水輪機(jī)在不同季節(jié)、不同流量和不同泥沙狀況下，5座梯級電站聯(lián)合高效運(yùn)行方式，重點研究通過合理控制機(jī)組開度，使各梯級電站機(jī)組在泥沙和水量變化情況下，機(jī)組能夠在水輪機(jī)高效率區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行，減輕機(jī)組磨蝕。根據(jù)瑪納斯河水量、泥沙變化，各電站機(jī)組不同季節(jié)控制不同的開度范圍，使機(jī)組不同季節(jié)都在高效率區(qū)運(yùn)行，提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。洪峰前（5月份）機(jī)組在額定出力以內(nèi)運(yùn)行；洪峰中（6月中旬～8月底）河水泥沙含量高，限制機(jī)組在80%～90%出力運(yùn)行；洪峰后（9月份～11月）逐步放開機(jī)組開度，機(jī)組適當(dāng)超額定出力。豐水期通過控制機(jī)組開度，各電站機(jī)組負(fù)荷限制情況表見表3。

表2 各電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪改型前、后主要技術(shù)參數(shù)

表3 豐水期通過控制機(jī)組開度各電站機(jī)組負(fù)荷限制情況表

3 結(jié)論

紅山嘴電廠作為多泥沙河流典型的梯級徑流式電站，通過多年的摸索與實踐，通過過流部件噴涂新型抗磨材料、轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計和優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式聯(lián)合應(yīng)用的方式，降低了水輪機(jī)過流部件的抗磨蝕能力，為多泥沙電站解決磨蝕和氣蝕能力提供的寶貴的經(jīng)驗。