水輪機部件抗磨蝕技術管理論文

時間:2022-06-28 10:40:00

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水輪機部件抗磨蝕技術管理論文

河北省小水電站基本分兩種類型:一類為原有水利工程配套而建設的壩后式電站和灌渠上的電站;第二類是河道引水式電站。第一類電站水質(zhì)好、水流清澈;第二類引水式電站存在水質(zhì)差、雜物多、泥沙含量大等問題。加上近年來生態(tài)環(huán)境惡化,水土流失加劇及建設初期考慮泥沙磨蝕問題不夠充分,所以引水式電站水輪機泥沙磨蝕問題愈演愈烈。這個嚴重的問題就擺在了我們面前。

1河北省引水式電站磨蝕現(xiàn)狀

1.1引水式電站分布情況

河北省水利系統(tǒng)單機500kW及以上電站51座,水輪發(fā)電機組總臺數(shù)130臺,裝機161.862MW,2000年發(fā)電量20.844GWh,其中河道引水式電站26座,占50.9%,水輪發(fā)電機組總臺數(shù)70臺,占53.8%,總裝機60.202MW,占37%,2000年發(fā)電量114.80GWh,占55%。分布在漳河、滹沱河、唐河、沙河、拒馬河、潮白河、灤河干流及主要支流上。

這些電站所處河流均是河北省挾帶泥沙較嚴重的河流,如漳河多年平均輸沙量為2580萬噸,唐河多年平均輸沙量為180萬噸,這些河流上的水電站無一例外地存在著水輪機磨蝕問題。

隨著小水電建設步伐的加快,全省500kW及以上電站中引水式電站所占比例越來越大,見表1。

表1河北省500kW及以上引水式電站發(fā)電量簡況

年份

1989

1990

1993

1997

500kW及以上電站發(fā)電量(GWh)

192.856

204.449

161.637

362.52

引水式電站發(fā)電量(GWh)

59.524

83.2939

71.02

164.07

引水式電站發(fā)電量所占比重(%)

30.86

40.74

43.97

55.26

因此,解決水輪機磨蝕問題更成為當務之急。

1.2紫荊關梯級水電站磨蝕現(xiàn)狀

紫荊關梯級水電站位于河北省易縣城西40km的紫荊關鎮(zhèn),建設在跨流域引水的紫荊關五一引水渠道上,五一引水渠是將拒馬河水引入建在中易水河上游的安格莊水庫中。渠首建一座橡膠壩,在春夏秋三季為無壩引水,冬季用橡膠壩蓄水,以防止冰凌阻水影響發(fā)電。五一引水渠長度8.5km,設計最大引水能力25m3/s,總落差354m,規(guī)劃分六級開發(fā),已投入運行的電站有四座,總裝機11.140MW,設計年發(fā)電量47.09GWh。

拒馬河多年平均挾沙量為2.92kg/m3,多年平均輸沙量91.3×108萬噸,多為推移質(zhì)、顆粒粗,粒徑d50=1mm,硬度大,大部分為石英,磨損力強。因近年來天旱少雨,汛期引水流量也達不到電站滿發(fā),用水流量小,影響渠首沉沙池及各站沉沙池排沙效果,因此造成污期過機泥沙量大,加上各站機組安裝高程均為+Hs,造成空蝕、磨損聯(lián)合作用;機組轉(zhuǎn)速高,水流流速大,加劇了水輪機過流部件磨蝕破壞。

水輪機轉(zhuǎn)輪磨損嚴重,出力降低,各站水輪機均按清水河流條件設計,Hs選擇均為正值,在泥沙河流中易產(chǎn)生空蝕、磨損聯(lián)合作用,轉(zhuǎn)輪破壞形成魚鱗坑,葉片背面呈海錦狀蜂窩麻面,葉片厚度變薄,出水邊成鋸齒狀破壞,每年至少修補1~2次,因修型不佳,葉片變型,使水輪機水能效率降低,達不到額定出力,直至轉(zhuǎn)輪報廢。以紫荊關一級水電站為例:1994年10月投產(chǎn)至1998年底,三年多時間更換了9個轉(zhuǎn)輪,平均一年一臺機組用一個轉(zhuǎn)輪。磨損使水輪機水力效率降低,出力不足,檢修工作量加大,檢修周期縮短,檢修時間延長。

水輪機前后抗磨板磨損嚴重,泥沙磨蝕使水輪機迷宮間隙增大,容積效率降低。紫荊關五級水電站1993年投產(chǎn)1#機兩年后拆開檢修,下抗磨板迷宮間隙由原0.5~0.7mm,變?yōu)?2~14mm,容積效率大大降低,且導葉軸孔處有磨蝕溝槽,上抗磨板雖比下抗磨板略輕,但水輪機頂蓋磨損嚴重,主軸密封漏水量增大。紫荊關五級水電站投運5年后,1#、2#機更換下抗磨板各一套,三臺機頂蓋磨損得都近乎穿孔,難以用常規(guī)方法修復。紫荊關一級水電站1994年投產(chǎn),1997年汛期曾發(fā)生頂蓋穿孔。

磨蝕不但使水輪機導水葉端面與上下抗磨板漏水嚴重,同時呈溝槽鋸齒狀立面磨損,使導水葉變薄,間隙增大,也導致了嚴重漏水,使水輪發(fā)電機組關機時間延長不能正常停機。紫荊關五級水電站1#機運行兩年后,關機時間是正常關機時間的3倍,以至于運行人員不得不外加磨擦力幫助機組停機。再者水輪機主軸密封漏水沿主軸噴向水輪機推力軸承,致使推力軸瓦進水,引起燒瓦事故。水輪機錐管、補氣架、固定導葉等過流部件也有不同程度魚鱗坑狀磨損。

2磨蝕引起的問題及造成的損失

2.1磨蝕破壞造成水輪機效率降低,發(fā)電量減少

水輪機磨蝕破壞后水輪機水能效率、容積效率及機械效率大幅度降低,紫荊關三級水電站,經(jīng)噴涂保護后水輪機效率提高10%左右,以1999年為例,由于泥沙磨蝕造成的直接電量損失就有1.28GWh之多。全省達17.18GWh。直接經(jīng)濟損失1169.75萬元(包括配件開支及材料、人工費等)。

2.2磨蝕破壞威脅水輪機組安全運行

水輪機磨蝕破壞使水輪機組振動加劇,關機時間延長,漏水嚴重等問題都直接威脅水輪機組的安全運行,紫荊關一級水電站1997年污期發(fā)生頂蓋穿孔故障,如不及時處理將會發(fā)展成水淹廠房事故,水輪機磨蝕問題必須解決以保障水電站安全運行。

2.3磨蝕破壞造成運行成本增加,電站經(jīng)濟效益下降

水輪機磨蝕破壞除了使電站發(fā)電量下降、安全性能降低外還增加電站檢修工作量,檢修次數(shù)增加,檢修時間延長,縮短了檢修周期,使電站運行維護成本增加,電站經(jīng)濟效益下降。

3過去采取水輪機抗磨蝕措施效果不明顯

由于水輪機過水部件的磨蝕給水電站的安全運行及經(jīng)濟效益帶來巨大損害,如何防治水輪機空蝕一直是水電站運行中的一個重要技術難題。近年來,我們采取了各種抗磨蝕的技術措施,但效果都不十分理想。

(1)采用更換母體材料,提高抗磨蝕能力,效果不明顯,而且費用較高,紫荊關一級水電站由低碳鋼轉(zhuǎn)輪改換為鎳鉻不銹鑄鋼葉片轉(zhuǎn)輪,運行時間比原低碳鋼轉(zhuǎn)輪延長半年,但費用是原轉(zhuǎn)輪費用的2倍。

(2)采用金屬噴焊技術,提高了轉(zhuǎn)輪葉片出水邊背面抗空蝕能力,由于工具限制,只能保護葉片背面,不能將整個轉(zhuǎn)輪保護,且加工過程中葉片熱變形和龜裂不易克服,加工難度大,工藝不好掌握,推廣應用困難。

(3)鑲襯輝綠巖鑄石技術,雖能增加固定的抗磨蝕能力,但由于加工工作量及鑲襯工作量大,受加工工具限制不易施工,應用困難。

(4)除上述措施外,還采用過加裝擾流板、加高尾水水位等抗磨蝕方法,但都是解決局部磨蝕問題,不能徹底解決水輪機磨蝕問題。

4采用水輪機過流部件抗磨蝕新技術的優(yōu)點

近年來與全國水輪機磨蝕試驗研究中心合作、試驗和應用推廣了幾種非金屬抗磨蝕新技術,其優(yōu)點與創(chuàng)新點在于:①整體加工、消除局部變形;②可在復雜、窄小的轉(zhuǎn)輪流道中全方位的涂抹保護;③在工件表層形成包衣替代過流部件的更換,延長過流部件使用時間;④工藝簡單,易操作、費用低、易推廣。

5水輪機過流部件抗磨蝕新技術實驗過程

5.1水輪機過流部件抗磨蝕技術抗磨材料的篩選

根據(jù)五一渠輸沙量顆粒分析,見表2。對固定部件采用環(huán)氧金剛砂修補,常溫修補經(jīng)過三級電站3#機組及五級電站4#機組實驗,發(fā)現(xiàn)抗磨蝕性能良好。但與水輪機母體材料粘接強度差、易剝落,一般運行3~6個月發(fā)生60%左右的剝落。根據(jù)現(xiàn)場實際,課題組決定采取加溫至50℃時施工,得到了良好效果。對轉(zhuǎn)動部件根據(jù)拒馬河挾沙情況,最先使用彈性橡膠涂層,經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)彈性橡膠在轉(zhuǎn)輪葉片負壓區(qū)粘接力弱,出現(xiàn)大片剝離脫落,而此處正是空蝕最嚴重區(qū)域,隨后課題組經(jīng)過研究決定改用復合尼龍保護。最后課題組經(jīng)過反復實驗、研究、比較、篩選最后確定對水輪機固定部件采用中溫環(huán)氧金剛砂修補,轉(zhuǎn)動部件使用復合尼龍噴涂粉末保護。

5.2轉(zhuǎn)輪采用復合尼龍粉末噴涂

復合尼龍粉末為灰白色粉末,由高分子材料尼龍、環(huán)氧和多種添加劑經(jīng)復合處理混合而成,既具有尼龍材料的耐磨、耐沖擊性能又兼?zhèn)洵h(huán)氧的優(yōu)異的粘接性能。粉末噴涂在表面經(jīng)過噴沙處理加熱至200℃左右的轉(zhuǎn)輪上,粉末噴涂就熔融流平形成保護層,經(jīng)固化成膜,具有優(yōu)良的耐磨蝕性能,其抗磨系數(shù)是30#鋼的2~3倍,耐磨蝕性能是30#鋼的1.5倍,粘接強度達60MPa以上,剪切強度35MPa,替代工件表面抵御流體中泥沙顆粒及空蝕的破壞,從而使工件使用壽命延長,保證了使用期的效率,其施工工藝也比較簡單,首先將轉(zhuǎn)輪去油污后噴沙除銹露出金屬本體,并形成

表2五一渠沙樣篩分試驗表

一定毛糙度。用表面活性劑刷涂轉(zhuǎn)輪表面,以加強金屬與高分子材料的粘接力和界面防水性,然后在烘箱內(nèi)加溫,使溫度達到200~220℃后保溫30~60分鐘,取出后用凈化的0.1M~0.2MPa的壓縮空氣,通過專用噴槍,將裝在專用噴粉器內(nèi)的復合粉末噴涂到轉(zhuǎn)輪表面并熔融流平,若一次噴涂厚度不足,可多次噴涂,最后在烘箱內(nèi)保持180℃固化45~60分鐘取出,完成全部工藝。復合尼龍粉沫噴涂工藝簡單、易操作,只要空氣能流通之處均能涂復,適合于造型復雜、流道較小的中小水電機組轉(zhuǎn)輪,且施工時間短,10~15分鐘即可噴涂一個轉(zhuǎn)輪,但對溫度控制要求嚴格。

5.3對水輪機固定部件采用環(huán)氧金剛砂涂層保護

環(huán)氧金剛砂由環(huán)氧樹脂為主體輔以多元醇縮水甘油醚為活性稀釋劑,加固化劑組成,其組成配方見表3。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘接力,并且施工工藝簡易,可在常溫下施工。在加溫至50~60℃時與鋼鐵的粘接抗拉強度為40M~60MPa。剪切強度為20M~35MPa,加入剛性填料金剛砂后抗磨性能優(yōu)異,抗磨系數(shù)是30#鋼的2倍,耐磨蝕性能相當于30#鋼。其加工工藝是:工件去油污后經(jīng)噴沙除銹露出金屬本體,并形成一定的毛糙度。用表面活性劑刷涂需要涂復的工件表面,以強化粘結(jié)界面的粘接力和防水性,然后將工件加熱至50℃左右將環(huán)氧樹脂及活性劑、固化劑按比例攪拌均勻,呈乳棕色膠體狀,用刷子或刮板,涂復在所需修復工件的表面上作為基層;再將余下的部分按1∶5重量比例加入金剛砂,充分拌合均勻成沙漿狀,用刮板或加熱后的抹刀涂復到基層上,充分壓平使表面光滑,達到要求的厚度。可采用常溫2~3天固化或處于50℃左右范圍內(nèi)3~4小時固化后即可使用。

表3環(huán)氧金鋼砂涂層配方表

環(huán)氧樹脂

100%

(與環(huán)氧樹脂重量比)

664

20%

(與環(huán)氧樹脂重量比)

偶聯(lián)劑

1%~2%

(與環(huán)氧樹脂重量比)

固化劑

18%~20%

(與環(huán)氧樹脂重量比)

硅粉

30%~40%

(與環(huán)氧樹脂重量比)

金鋼砂

500%左右

(與環(huán)氧樹脂重量比)

5.4有待改進的問題

通過以上實驗使用水輪機過流部件抗磨蝕新技術,推廣應用的主要難點是:施工過程中的溫度控制,溫度控制掌握的好壞直接影響保護效果的優(yōu)與劣。再有需改進的問題是:轉(zhuǎn)輪保護的復合尼龍保護層,修補技術不易掌握,修補處易剝落,現(xiàn)采取整只轉(zhuǎn)輪全部清除后再重新保護的方式。以上問題有待進一步研究改進。

6水輪機過流部件防護的效果及經(jīng)濟效益

采用非金屬抗磨蝕材料保護轉(zhuǎn)輪工藝簡單易操作,可延長轉(zhuǎn)輪使用時間,葉型變化小,保證了轉(zhuǎn)輪高效率,并節(jié)省了大量資金,以易縣紫荊關一級水電站為例,投產(chǎn)一年報廢了3只轉(zhuǎn)輪,直接經(jīng)濟損失3×4=12萬元。為了增強轉(zhuǎn)輪抗磨蝕能力,將轉(zhuǎn)輪葉片材質(zhì)由低碳鋼改為不銹鋼,每只造價增加2萬元,每年投入3×6=18萬元,且效果也不明顯,采用非金屬涂層保護后,每年只需1萬元投入即可保證轉(zhuǎn)輪母體不磨損不破壞。

固定部件采用環(huán)氧金鋼砂涂抹簡易快捷,效果良好,延長機組頂蓋及上、下止漏環(huán)使用壽命,基本保證了水輪機迷宮間隙,減少了漏水量,提高了水輪機容積效果10%~20%,極大地降低了檢修成本(為一般常規(guī)修復的1/100左右)??s短檢修時間2/3左右。

若推廣到全省的河道引水式水電站中,每年可增發(fā)電量17.18GWh,從而增加直接經(jīng)濟收入1169.7萬元。因此,若能將這一新技術得到普遍應用,將能取得十分顯著的經(jīng)濟效益。