摘 要：多泥沙河流运行机组，普遍存在水轮机及部件磨损的问题，通过分析造成设备磨损的影响因素，讨论减少泥沙磨蚀的措施。
关键词：泥沙、水轮机及部件磨蚀、措施
水轮机及部件磨损是多泥沙河流水电站机组运行中存在的主要设备缺陷，形成原因复杂，影响因素多。其中泥沙磨蚀、气蚀影响和机械振动都是设备及部件磨损的重要因素。结合党河三级电站运行实践来重点讨论泥沙磨蚀对水轮机运行的影响和减少泥沙磨蚀的措施。
1 电站概况
党上三级水电站位于酒泉市肃北县境内党河上游干流上。电站采取渠首引水、引水暗渠接压力前池工程布置形式。电站调节库容小，渠首的清淤排沙采取定期启闭闸门调节水位的方式进行清理。引水渠道前端设长度为150米的沉砂池，主要用于沉淀推移质泥沙，定期机械清理。
1.1河流泥沙情况
党河多年平均径流量约为3.5亿m3。流域地表径流为集中的降雨和冰雪融水水系，由于地表植被较差，河流泥沙量较大。经水文地质调查，党河河道年平均输沙量为65.3万t，其中悬移质平均含沙率为1.93kg/m3;推移质泥沙为悬移质泥沙总量的10%，主要为卵石及砂砾。
1.2 电站设备情况
电站水轮机型号为HLA235-LJ-115，转轮直径115cm，机组额定水头117米，额定转速500r/min，空蚀系数0.05。电站为高水头、小流量引水式电站，机组转速高。由于河流泥沙量大、硬度高等原因，对水轮机过流部件如转轮、导叶、抗磨板、密封环等磨蚀严重，设备部件安装间隙变大，机组漏水量加大，耗水率增加，影响设备安全运行和经济运行。电站每年冬季定期检修主要工作就是修复或更换已磨损的水轮机过流部件。
2 水轮机及部件磨蚀及原因分析
2.1 磨蚀情况
因泥沙磨蚀的原因，混流式水轮机磨损部位主要是转轮导叶和转轮室部件，包括导叶立面和端面、叶片头部背面、叶片外缘端面和出水边缘及出口根部;抗磨板、密封环、下环内侧等。磨损表现特点有导叶出现裂纹、进水边有分布不均凹坑;止漏环单边不规则，间隙变大;抗磨板出现明显坑槽等。
2.2 磨蚀危害
(1)水轮机过流部件磨蚀后，会影响水轮机转动部分运转时不平衡，机组振动、摆度变大，机组不能正常稳定运行。磨蚀严重时造成导叶漏水量大，影响机组正常停机。
(2)水轮机过流部件水封面、间隙变大，机组漏水量加大，加大机组耗水率，降低水能转化效率，影响水轮机工作效率，不利于设备的经济运行。
(3)检修工作量大，定期需对水轮机导叶、转轮等过流部件进行修复和更换。党上三级水电站装轮和导叶一般在2至3年时间需要换新，修复过流部件的水力效率一般也较难达到设计工况。
2.3 磨蚀原因分析
本例中电站水轮机及部件磨损产生原因主要是泥沙磨蚀和空蚀共同作用形成的，其中泥沙磨蚀作用更大。泥沙磨蚀的作用一般来说，水流流道边壁材料的磨损破坏程度与水流中泥沙运动速度的平方成正比。水流流场偏流会造成水流紊流和局部流速加大，本质是偏流产生侧向加速度增大沙粒与过流面的接触力，使磨损强度增大。当水流偏离设计工况时，在转轮叶片进出口处会发生水流漩涡，水中含有沙粒以不同角度撞击叶片表面，过流部件表面会出现不同程度磨损。这是泥沙磨蚀的主要原因。
在机组流态较差时，设备空蚀现象本身表现得明显。在与泥沙磨蚀的共同作用下，水中存在的杂质主要是泥沙，水的洁净度与气泡产生成反比，水质越清，越难产生气泡。因此泥沙本身对金属表面形成切削外，水流紊流度越大，磨蚀越严重，同时含沙水流促进空化现象产生，加剧空蚀。
3 减轻磨蚀措施
减轻水轮机及部件磨损措施，主要考虑的因素是水工建筑物的水力设计、水轮机部件加工技术、材料性能与表面技术以及合理的设备运行方式，这些都是抗磨蚀的主要措施和手段。
3.1 合理布置排沙拦沙设施
(1)合理布置引水枢纽，特别是枢纽进水口的布置。本例中电站引水枢纽布置考虑设置拦沙和冲沙设施，根据河流来水来沙实际，泄洪闸和冲沙闸底板高程低于引水渠闸底板高程，高差达3米，有效保证河道大部分推移质暂时淤积在泄流排沙设置处。通过定期闸门调度拉排泥沙至渠首下游，减少进入引水渠道的泥沙量。
(2)对于较长渠道，可以在前端设置挡砂坎、沉沙池，使泥沙尽可能沉淀在沉沙池内。在前池部位可以采取正面冲砂，侧面引水的布置方式，同时设置挡砂坎。在压力钢管入口，可以采取虹吸引水方式，都能有效减少泥沙进入机组过流面。
(3)控制尾水运行水位，减少河道下游淤积。
3.2 采取合理调度运行方式
(1)采取合理机组运行方式，优化调度，避开高泥沙运行时段。在河流来水中含泥沙量大时段优先考虑排沙措施，减少泥沙对过流部件的磨蚀。一般情况下，转轮磨损随机组负荷增加而变大，但混流式机组在小开度时也会磨损严重。因此，在实际运行中考虑通过调整负荷、机组间差异化运行等控制措施保持设备稳定运行，机组过流流态平稳。
(2)改善设备工况，避开气蚀区运行。泥沙对过流部件表面产生磨蚀，设备水力振动会增加水流紊乱，加速设备部件的磨蚀和气蚀现象。因此在设备运行时，要及时调整机组运行状态，保持设备平稳运行，运行过程中观察水轮机振动和摆度，加强尾水管的脉动监测，综合判断机组振动运行范围，做到机组的避振运行。
(3)及时检查补气装置的完好性。补气装置的作用是降低真空度，抑制真空涡带，减少气蚀破坏，能有效地防护过流表面的磨损。
3.3 过流部件的选材和防护处理。
选用抗磨材料，提高水轮机过流部件的加工工艺。水轮机部件铸造时，要严格控制转轮、导叶的制造工艺，与模型设计一致;部件材料上要选择硬度高、弹性好，具备较强抗磨蚀能力的材料;同时减少制造质量缺陷，避免沙眼、毛刺等。
过流表面的防护硬度越高，抗切向冲击磨蚀的能力就越强。因此过流面防护处理上可以采取选用在韧性母材上加高硬度表面防护的措施，转轮叶片等过流面采取碳化钨金属粉末激光熔覆或其他合金喷焊等措施，提高抗磨性能。
3.4 保证检修工作质量。
要重点控制水轮机部件气蚀部位的修补质量和设备回装的安装技术参数，确保水轮机各项部件的缺陷处理和回装的工作质量。通过定期检修工作及时处理水轮机部件磨蚀缺陷，保证设备安全稳定运行。
4 结语
水轮机及部件磨损的形成原因较为复杂，多泥沙河流的泥沙磨蚀影响是其中的重要原因。通过运行实践，采取适时排沙、合理调度运行、部件过流面防护以及加强检修等综合措施可以减轻泥沙对水轮机及部件磨蚀的影响作用，达到保护过流部件、延长检修周期、提高机组利用率等效果。——论文作者：刘刚 康少龙
本文出自《中国电业》(月刊)创刊于1950年，由中国电力报社主办。报道电力工业的重大事件以及电力行业在政策与体制、投资与融资、基本建设、企业管理和经营、杰出人物、农村电气化、世界各国电力发展等多方面的理论研究和工作实践。内容丰富，设计和制作精美。
