黃河水電站水輪機參數(shù)選擇

黃河水電站水輪機參數(shù)選擇

黃河水庫（劉家峽、鹽浪峽、八盤峽、青銅峽、天橋、峽谷）常年運行。結(jié)果表明，同一型號和相同水面的挖掘機在清泥水條件下運行時，破壞和破壞的類型、特點和程度存在較大差異。在含沙量較高水流中運行的水輪機組,常常由于泥沙磨蝕和水流氣蝕聯(lián)合作用而產(chǎn)生嚴重破壞,造成機組效率下降、出力減少以致無法運行;如果在水電站設(shè)計之初,根據(jù)含沙水流實際情況采取相關(guān)措施(包括材質(zhì)選擇、加工工藝、運行工況要求等),科學(xué)合理地選擇水輪機基本參數(shù),即可有效減緩上述情況的發(fā)生?？梢娝啓C基本參數(shù)的選擇在水電站設(shè)計過程中有著重要的地位。下面以黃河萬家寨水電站設(shè)計選型為例,對多泥沙電站水輪機參數(shù)選擇和抗磨蝕性能關(guān)系進行說明。1運行結(jié)果與工程實際不符水輪機設(shè)計選型,通常是根據(jù)理想狀況下水流動能定理和氣蝕特性計算結(jié)果確定基本參數(shù),然后參照水輪機型譜系列圖,結(jié)合經(jīng)濟性能關(guān)系等因素挑選、論證合適的機型和方案;由于動能定理和氣蝕特性是建立在清水流體(理想流體)力學(xué)理論基礎(chǔ)之上,而工程實際面臨的是有一定含沙量的渾水流體(二相流體),渾水狀態(tài)下的動能定理、氣蝕特性以及相關(guān)的速度場和壓力場與實驗室的理想狀態(tài)有一定差別,這勢必導(dǎo)致水輪機設(shè)計選型結(jié)果與工程實際的不吻合,并由此進一步影響水輪機運行工況和抗氣蝕性能。例如鹽鍋峽電站與雙牌電站均安裝了HL123-LH-410型水輪機,由于運行條件不同,二電站運行一段時間(二年半)后就產(chǎn)生了不同特征的轉(zhuǎn)輪破壞:渾水條件下運行的鹽鍋峽電站,機組葉片出水邊呈鋸齒狀,葉片上出現(xiàn)大面積魚鱗坑、溝槽、蜂窩及深孔,氣蝕破壞和磨蝕破壞特征均較明顯;清水條件下運行的雙牌電站,機組葉片未見魚鱗坑和溝槽,僅有氣蝕針孔及蜂窩存在,氣蝕破壞極其輕微,基本沒有磨蝕破壞。黃河上游電站的梯級建設(shè)消減了萬家寨河段來水洪峰,控制了流量過程,調(diào)平了泥沙淤積,改善了來水來沙條件。目前萬家寨電站過機含沙情況為:多年平均含沙量4.79g/m3,小于0.025mm粒徑的泥沙過機含量與來沙量基本相等,大于0.1mm粒徑的泥沙基本不過機。盡管如此,萬家寨河段每年依然面臨著驚人的輸沙任務(wù):實測多年平均含沙量5.70kg/m3實測最大含沙量37.60kg/m3多年平均設(shè)計輸沙量1.49億t最大實測輸沙量4.6億t借鑒黃河已建電站,特別是三門峽電站設(shè)計弊端及水輪機組運行中存在問題,萬家寨電站設(shè)計充分考慮了黃河水流的高含沙特點,分別從水輪發(fā)電機參數(shù)選擇、轉(zhuǎn)輪材質(zhì)選擇、加工工藝要求、機組運行工況、水庫調(diào)度運行等方面入手,對泥沙磨蝕和水流氣蝕問題進行了綜合考慮,實踐證明了萬家寨電站水輪機組運行情況良好。2使用“低參數(shù)”設(shè)計理念從動能觀點講,對既定的水輪機尺寸,在相同水頭條件下,提高比轉(zhuǎn)速有利于提高水輪機的出力;從經(jīng)濟的觀點講,隨著水輪機比轉(zhuǎn)速的提高,在相同出力與水頭條件下,選擇高比轉(zhuǎn)速有利于縮減機組(包括水輪機組和發(fā)電機組)尺寸,從而降低機組成本并節(jié)約廠房投資。近年來,隨著水輪機制造業(yè)的發(fā)展,水輪機設(shè)計選型一般傾向于高比轉(zhuǎn)速;但由于比轉(zhuǎn)速與單位轉(zhuǎn)速和單位流量之間存在正比關(guān)系,所以比轉(zhuǎn)速的提高也必將導(dǎo)致水輪機流道中水流速度的相應(yīng)加大,根據(jù)水輪機磨蝕與流道內(nèi)相對流速高次方成正比(ρ=f*W2.7～3)可知,泥沙條件基本相同時,水輪機設(shè)計參數(shù)越高(比轉(zhuǎn)速越高),水流速度越快,水輪機磨蝕破壞更嚴重,所以渾水流體條件下,應(yīng)適當(dāng)降低水輪機基本參數(shù),這是不同于傳統(tǒng)設(shè)計選型思想?；谶@方面的考慮,萬家寨水電站在設(shè)計選型時采用了“低參數(shù)”設(shè)計理念。為便于說明“低參數(shù)”設(shè)計理念與一般設(shè)計思想的差別,下面以新安江電站為例進行同類參數(shù)比較:兩個電站運行水頭大致相似,機型均為混流式機組,但新安江電站選擇了小尺寸轉(zhuǎn)輪和高比轉(zhuǎn)速參數(shù),而萬家寨電站選擇了大尺寸轉(zhuǎn)輪和低比轉(zhuǎn)速參數(shù);產(chǎn)生設(shè)計差別的主要原因是新安江電站和萬家寨電站的運行環(huán)境不同,以及因此而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)輪破壞因素不同。萬家寨電站在設(shè)計過程中充分考慮了黃河多泥沙特點,對水輪機過流部件流速采取了限制:在額定工況下,轉(zhuǎn)輪葉片出口速度低于38m/s;最小水頭下大含沙量時,轉(zhuǎn)輪葉片出口速度低于34m/s;高含沙量時,導(dǎo)葉區(qū)的最大流速小于20m/s。實踐表明,“低參數(shù)”設(shè)計理念非常適合萬家寨電站,它有效減少了高速含沙水流對水輪機過流部件的磨蝕,大大提高機組的抗磨蝕強度和抗氣蝕性能。3水處理設(shè)備與工藝為解決機組磨蝕、氣蝕問題,萬家寨電站設(shè)計過程中采取了如下措施。(1)保留足夠的氣蝕安全裕量。萬家寨機組額定工況點的吸出高度為-6.82m,電站裝置氣蝕系數(shù)為0.232;實際水輪機允許吸出高度為-3.58m,臨界氣蝕系數(shù)為0.148(0.12)。保留足夠的氣蝕安全裕度,大大改善了氣蝕原因?qū)е碌倪^流部件磨損問題。(2)選取抗氣蝕、磨蝕材料,提高加工工藝要求。材質(zhì)選擇與制造工藝對過流部件抗氣蝕、磨蝕性能有著很大影響。萬家寨電站1～4號機組轉(zhuǎn)輪采用了0Cr16Ni5Mo不銹鋼材料,導(dǎo)葉采用ZG270-500鋼整體鑄造,轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉過流表面涂有以聚胺脂為基底、加入TIN或Co-Ceran高硬度微粒所組成的非金屬材料耐磨層;5～6號機組轉(zhuǎn)輪采用ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼材料,導(dǎo)葉采用0Cr13Ni4Mo不銹鋼整體鑄造,轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉易磨損部位噴涂碳化鎢/鈷抗磨涂層;在設(shè)備制造方面,提高加工工藝標(biāo)準(zhǔn),確保葉片型線精確度并滿足過流表面光潔度要求。通過提高材質(zhì)要求、嚴格加工工藝等措施,萬家寨電站水輪機過流部件不但具有足夠的強度、剛度和良好的焊接性能,而且大大提高了抗氣蝕、磨蝕性能,延長了轉(zhuǎn)輪使用壽命。(3)嚴格運行工況,避免低負荷運行。理論和實踐證明:水輪機在設(shè)計工況下運行時,基本可以實現(xiàn)水流的無撞擊入口和接近法向出口;脫離最優(yōu)工況(水頭過低或負荷過低)運行將加大水流沖角,產(chǎn)生脫流現(xiàn)象,改變壓力分布情況并產(chǎn)生水流紊動,使機組產(chǎn)生較大的振動和噪音,惡化氣蝕性能并加重泥沙磨損。為防止低負荷運行的不利影響,萬家寨電站在實際運行中,通過認真處理好水調(diào)和電調(diào)的關(guān)系,積極加強與電網(wǎng)的聯(lián)系,努力做到了按機組的額定工況運行。(4)采用易維修結(jié)構(gòu)方案。為減少機組損壞后的檢修工作量,萬家寨電站機組均采用了在不拆卸發(fā)電機的情況下,在水輪機室整體