解再益

(湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410100)

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雙溪水電站水輪機(jī)抗磨蝕改造

解再益

(湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410100)

泥沙磨蝕和腐蝕性水流聯(lián)合作用于水輪機(jī)過流部件，是造成雙溪水電站水輪機(jī)磨蝕嚴(yán)重的主要原因。針對(duì)這些原因，提出水輪機(jī)抗磨蝕的方案，再對(duì)水輪機(jī)過流部件進(jìn)行了相應(yīng)的抗磨蝕改造，最終提高了水輪機(jī)過流部件的抗磨蝕性能，延長了機(jī)組停機(jī)檢修周期。圖7幅。

水輪機(jī)；抗磨蝕；泵板密封；技術(shù)改造

1 概 述

1.1 電站概況

雙溪水電站裝機(jī)3臺(tái)，其中的大機(jī)為：水輪機(jī)HLJF2504—WJ—64，發(fā)電機(jī)SFW2000—6/1430，配D941X—10φ800蝶閥，采用YWT—600調(diào)速器，水輪發(fā)電機(jī)組為剛性聯(lián)接。最大水頭80 m，設(shè)計(jì)水頭78 m，最小水頭78 m，額定流量3.05 m3/s，額定出力2 088 kW，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速1 733 r/min，吸出高度+2.5 m。

1.2 原水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與運(yùn)行情況

雙溪水電站在建時(shí)水質(zhì)好，水輪機(jī)按清水電站設(shè)計(jì)：主軸密封結(jié)構(gòu)是橡膠平板加活塞式雙重接觸式密封，轉(zhuǎn)輪和頂蓋后蓋采用迷宮式止漏環(huán)，機(jī)組選擇了較高水力參數(shù)(見圖1)。

電站于2009年開始發(fā)電，在正常運(yùn)行1 a左右時(shí)，上游建成了1個(gè)鐵礦廠，電站引用水流變成了既含有大量的砂石，又富含腐蝕性的化學(xué)成分。在電站水質(zhì)條件得不到改善的狀態(tài)下，接觸式主軸密封結(jié)構(gòu)的磨損異常迅速，主軸密封出現(xiàn)嚴(yán)重的漏水情況。密封泄漏水量特別大，水流直射軸承，電站只好采取在密封位纏繞棉布等措施進(jìn)行外部阻水，以避免泄漏水射進(jìn)軸瓦，導(dǎo)致燒瓦事故的發(fā)生。同時(shí)，機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行，以減少過機(jī)流量來減輕水輪機(jī)的磨蝕，機(jī)組得以勉強(qiáng)運(yùn)行。但是電站每年必須大修1次，以保證機(jī)組在下一個(gè)汛期可以投入正常運(yùn)行。

在2012年底進(jìn)行例行大修時(shí)，發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)的過流部件磨蝕非常嚴(yán)重，電站已經(jīng)不能正常運(yùn)行了。

圖1 原水輪機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2 機(jī)組過流部件的磨蝕情況

2.1 導(dǎo)葉

導(dǎo)葉幾乎報(bào)廢，導(dǎo)葉軸肩整圈被磨成深10～15 mm的又寬又大的深坑，導(dǎo)葉體上下兩端被磨成梯形，導(dǎo)葉正壓面出現(xiàn)成片的沿水流方向的溝槽，導(dǎo)葉出水邊局部處直接磨光，出現(xiàn)豁口(見圖2)。

圖2 導(dǎo)葉磨蝕

2.2 頂蓋

頂蓋對(duì)應(yīng)于導(dǎo)葉開啟的過流表面，存在沿水流方向的磨蝕溝壑，頂蓋內(nèi)表面出現(xiàn)了沿旋轉(zhuǎn)方向的魚鱗狀波紋的深溝槽，導(dǎo)葉銅套周圍的抗磨環(huán)板磨到頂蓋本體，導(dǎo)葉銅套下端面靠導(dǎo)葉出水邊被磨成缺口，頂蓋止漏環(huán)被磨得厚薄不一(見圖3)。

圖3 頂蓋磨蝕

2.3 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪葉片的出水邊下部大面積磨穿，全部葉片均堆焊了1層不銹鋼，下環(huán)進(jìn)水平面被磨成波浪式，下環(huán)內(nèi)壁均有順?biāo)鞣较蚰コ龀善臏喜郏隹谔幉鄹疃覕?shù)量更多，下環(huán)被磨薄，葉片進(jìn)水邊出現(xiàn)缺口(見圖4)。

圖4 轉(zhuǎn)輪磨蝕

3 問題分析

從上面的圖片可以看出，水輪機(jī)遭受到了嚴(yán)重的磨蝕。這跟上游的鐵礦有關(guān)，上游鐵礦處理后產(chǎn)生的廢渣以及化學(xué)殘留物均直接排向下游河道，造成了下游河水含有大量堅(jiān)硬的砂石，而且還使下游的河水富含腐蝕性的化學(xué)成分。

含沙的腐蝕性水流是電站磨損的原因所在。這類電站的水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的思路不同于清水電站，需要特別考慮以下幾個(gè)方面：機(jī)組轉(zhuǎn)速、安裝高程的確定和抗腐蝕材料的選擇。

水輪機(jī)流道中含沙水流的相對(duì)速度是影響水輪機(jī)磨蝕的重要因素。有關(guān)研究和試驗(yàn)表明，水輪機(jī)過流部件的磨蝕與含沙水流速的n次方成正比，對(duì)于轉(zhuǎn)輪葉片，一般n≥3～3.3。若流速增加10%，則磨蝕可加劇約33%，因此，應(yīng)設(shè)法減小轉(zhuǎn)輪出口的相對(duì)流速。除加大轉(zhuǎn)輪直徑外，降低轉(zhuǎn)速是最好的選擇，以減緩水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及過流部件的磨蝕，這一點(diǎn)對(duì)多泥沙水輪機(jī)的選型尤為重要；但雙溪水電站的額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)輪直徑都不能變，故不能從這個(gè)方面來考慮。

在含沙水流條件下，水輪機(jī)的空蝕往往提前發(fā)生，而且空蝕與磨蝕的聯(lián)合作用又將進(jìn)一步加重水輪機(jī)的磨蝕損壞程度。因此機(jī)組的安裝高程要多留余量，以減輕空蝕和磨蝕的聯(lián)合作用；但雙溪水電站的安裝高程不能變了，也就不能從這個(gè)角度考慮。

雙溪電站抗磨設(shè)計(jì)受上述因素限制，并結(jié)合電站對(duì)于改造成本的控制，只能從水輪機(jī)本體的結(jié)構(gòu)與材料方面來考慮了。

4 抗磨改造

4.1 總體思路

筆者所在公司在抗磨設(shè)計(jì)方面取得了一定的成功經(jīng)驗(yàn)，在泥沙磨損最為嚴(yán)重的河流之一的新疆瑪納斯河上，公司參建的新疆紅山嘴一級(jí)水電站已成功投入運(yùn)行；在其他多泥沙河流電站(如甘肅蘆草灣梯級(jí)電站、五個(gè)廟梯級(jí)電站、雷墩子梯級(jí)電站、新疆金溝河電站等)也取得了成功運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。

公司水輪機(jī)產(chǎn)品在抗磨設(shè)計(jì)方面的成功經(jīng)驗(yàn)主要在材料涂層和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面：在抗磨材料方面，擁有多種成熟應(yīng)用的材料及防護(hù)工藝，如在非金屬方面主要有超高分子聚乙稀和聚氨酯等，在金屬材料方面主要有激光熔覆技術(shù)和高速火焰噴涂技術(shù)等；但采用這些措施的成本高、周期長，此次改造暫不考慮。

而在抗磨的水力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主要設(shè)計(jì)各種無接觸式密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)將易磨蝕部位設(shè)計(jì)成更加容易更換的結(jié)構(gòu)，這也是此次水輪機(jī)抗磨設(shè)計(jì)的總體思路。

4.2 抗磨改造設(shè)計(jì)

2012年底，公司對(duì)雙溪水電站的過流部件(除蝸殼外)進(jìn)行整體改造，總體的改造思路是：轉(zhuǎn)輪與固定件采用間隙密封結(jié)構(gòu)，水輪機(jī)過流部件采用不銹鋼材料，水輪機(jī)帶泵板結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪與頂蓋構(gòu)成1個(gè)泵板密封結(jié)構(gòu)。主軸密封為1個(gè)帶有二級(jí)泵的泵板密封結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)輪主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的作用下，將含沙泄漏水排出轉(zhuǎn)輪與密封，大大減輕含沙泄漏水對(duì)轉(zhuǎn)輪及密封的磨蝕，從而延長轉(zhuǎn)輪與主軸密封的使用壽命(見圖5)。

圖5 改造后的水輪機(jī)總裝配示意

4.2.1 泵板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪

新轉(zhuǎn)輪為帶泵板結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪，葉片、下環(huán)均采用ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼材料，以提高轉(zhuǎn)輪的抗磨蝕性能(見圖6)。上冠上直接焊接泵葉和泵蓋板，與頂蓋組成了水輪機(jī)的第一道密封。其工作原理是當(dāng)水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪上的泵板裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪上冠空腔內(nèi)的泄漏水一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力的作用下，在泵板外緣出口處產(chǎn)生壓差，將匯聚在轉(zhuǎn)輪上冠空腔處的水送到轉(zhuǎn)輪與頂蓋之間的低壓空腔區(qū)；再經(jīng)過頂蓋上的排水孔排到頂蓋的集水腔中，最后通過2根鋼管接到尾水(泄漏水的流向見圖5)。

圖6 帶泵葉結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪

在轉(zhuǎn)輪的離心力作用下，轉(zhuǎn)輪的泄漏水從轉(zhuǎn)輪上的泵葉和泵蓋板之間泵出，在泵出泄漏水的過程中，又對(duì)轉(zhuǎn)輪的泄漏水施加了反方向的壓力，減少了轉(zhuǎn)輪的泄漏水，從而達(dá)到很好的密封效果。

4.2.2 主軸密封改為無接觸式的泵板密封

改造后的水輪機(jī)主軸密封為水輪機(jī)的第二道密封，為無接觸式的泵板密封(見圖7)。在主軸串聯(lián)設(shè)置了二級(jí)泵板結(jié)構(gòu)，二級(jí)泵板密封結(jié)構(gòu)固定在主軸上隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，將匯集在主軸密封內(nèi)的泄漏水通過泵板密封排水管1泵出主軸密封，并產(chǎn)生反方向的壓力，阻止泄漏水的外流。

圖7 改造后的主軸密封裝配示意

若還有泄漏水，則通過密封蓋的泄漏水排水管2排至電站尾水。

4.2.3 修復(fù)導(dǎo)葉

將舊的導(dǎo)葉進(jìn)行修復(fù)處理，其嚙合面堆焊不銹鋼，導(dǎo)葉軸套位堆焊不銹鋼，修復(fù)導(dǎo)葉上下端面，按原圖紙精加工到位。

4.2.4 制作新頂蓋及抗磨板

按泵板結(jié)構(gòu)，重新制作新的前蓋，前蓋上開有排轉(zhuǎn)輪泄漏水的泄水孔和集水腔，集水腔上布置2根排水管，連到電站尾水。將前、后蓋的抗磨板換成不銹鋼材料，同時(shí)將與轉(zhuǎn)輪下環(huán)配合位的止漏環(huán)由迷宮式改成間隙式。

5 技改效果

電站于2013年2月正式投入運(yùn)行，已經(jīng)歷了2個(gè)汛期。相比舊水輪機(jī)，抗磨改造設(shè)計(jì)方案是成功的，在檢查轉(zhuǎn)輪與密封時(shí)，依舊光順，密封仍能有效的工作，說明選擇無接觸式的泵板密封是合適的。

采用此結(jié)構(gòu)的泵板密封結(jié)構(gòu)，除機(jī)組在剛啟動(dòng)時(shí)有少量滲漏外(機(jī)組轉(zhuǎn)速較低，也就是泵板密封還未起作用時(shí))，主軸密封在工作狀態(tài)時(shí)基本做到了“滴水不漏”，而水輪機(jī)過流部件的磨蝕現(xiàn)象相比舊機(jī)是輕微的。

6 結(jié) 語

水輪機(jī)磨蝕是一個(gè)復(fù)雜的過程，而防泥沙磨蝕是需要綜合治理的系統(tǒng)工程，涉及到水力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新型抗磨涂層的研制、材料磨損機(jī)理的研究與試驗(yàn)以及電站運(yùn)行管理等多方面。受技術(shù)發(fā)展水平的限制，對(duì)于水輪機(jī)泥沙磨損這一世界性難題，目前還沒有能徹底解決的方法，而主要是通過合理設(shè)計(jì)、精心制造和優(yōu)化運(yùn)行等聯(lián)合措施來降低磨損的強(qiáng)度，以此來達(dá)到延長機(jī)組大修周期和使用壽命的目的。

雙溪電站水輪機(jī)通過采取一系列的抗磨蝕措施，實(shí)踐證明是有效的，取得了有效延長水輪機(jī)過流部件檢修周期的效果。改造后的水輪機(jī)抗磨蝕性能得到了有效提高，保證了電站的安全運(yùn)行，提高了電站的經(jīng)濟(jì)效率。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2014-12-16

解再益(1975-)，男，工程師，主要從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。E_mail：xzy_np@163.com