魏家堡水電站處于渭河的中下游,過流泥沙主要來自渭河上游北岸的葫蘆河、散渡河等支流的黃土丘陵區(qū)與傍山區(qū)。根據(jù)壩址實測資料統(tǒng)計,河道多年平均輸沙量為9 680萬t,多年平均含沙量為47.30kg/m3。其中汛期輸沙量為8590萬t,占年輸沙量的88.7%,汛期平均含沙量為73.60 kg/m3,輸沙量中懸移質(zhì)占98%以上,懸移質(zhì)粒徑較小,水沙變化規(guī)律是大水帶大沙、小水帶小沙。
這里分兩個階段對魏家堡水電站水輪機的磨蝕破壞程度進行分析:第一階段為渠首加閘、加壩工程前的渾水運行階段(1998--2005年),機組磨損以磨蝕為主;第二階段為渠首加閘、加壩工程后的清水運行階段(2005--2015年),機組磨損以空蝕為主。
渾水運行階段,水流含沙量高,機組磨損嚴重。建成投產(chǎn)后,經(jīng)過2453 h的運行,機組出現(xiàn)了負荷過大、動平衡嚴重失衡、振動加劇、機組過流部件磨蝕嚴重的情況,3號水輪機解體后的磨蝕狀況統(tǒng)計。其中轉(zhuǎn)輪直徑減小了11~20 mm,葉片表面凹坑深度5~10mm,個別葉片磨穿。
為了解決水輪機的磨蝕問題,魏家堡水電站采取了一系列措施:
1)通過渠首加閘、加壩工程降低引水泥沙含量。渠首樞紐由原來的無調(diào)節(jié)變?yōu)橛姓{(diào)節(jié)方式,引水泥沙含量有了明顯降低。另外,利用電站壓力前池和渠道沉沙池的減沙和沉沙作用,使粒徑泥沙的80%沉積在壓力前池內(nèi),粒徑d≥0.25 mm的過機粗沙含量由0.380 kg/m3降低到0.076 kg/m3。
2)對機組進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造。調(diào)整了導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪的翼形形狀,使水輪機的相對流速由33 m/s降為27 m/s,減少了水流進口的撞擊損失;將轉(zhuǎn)輪上冠的減壓孔直徑由原來的40 mm擴大到50 mm,并調(diào)整減壓孔出水角度使出水水流盡可能接近負壓區(qū),將頂蓋問隙處的高壓含沙水流盡快排走。通過以上改進一方面減少了泥沙對上密封環(huán)的磨損,另一方面降低了軸向水推力、減少了推力瓦事故的發(fā)生。同時將轉(zhuǎn)輪泄水錐加長到40 mm,改型后的轉(zhuǎn)輪有效控制了尾水管的脈動壓力,減小了尾水管空腔空蝕的發(fā)生概率。
3)采取水輪機抗磨蝕表面材料的防護措施。經(jīng)過多次試驗和材料性能的對比分析,將水輪機基材材質(zhì)由ZG25材料更換為ZG06Crl6Ni5Mo材質(zhì),水輪機的頂蓋、底環(huán)采用超高分子聚乙烯抗磨板,水輪機轉(zhuǎn)輪的葉片和導(dǎo)葉表面采用高速火焰(HVOF)噴涂SXH70材料。
魏家堡水電站經(jīng)過渠首的加閘、加壩工程和機組的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、水輪機的表面防護、增容改造進一步改善機組的運行工況等系列改進措施,改造后的機組出力基本穩(wěn)定在6400kW左右,機組的效率穩(wěn)定在92%左右,機組過機泥沙運行條件也由原來的5%放寬到8%,機組增效11.69%,年利用小時由2 700 h提高到9 700 h,大修周期由過去的1年延長到3年,年發(fā)電量由2 546萬kW·h提高到9 016萬kW·h,發(fā)電年收入從800多萬元提高到2700多萬元,經(jīng)濟效益十分可觀。通過彌補過去的技術(shù)缺陷,改善了導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪的空腔和抗磨蝕性能,頂蓋、底環(huán)的抗磨板重新采用不銹鋼抗磨板,僅此一項每年可節(jié)約61 370元。

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