宝瓶水电站过流部件空化和空蚀的原因分析及处理--中国期刊网

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宝瓶水电站过流部件空化和空蚀的原因分析及处理

发表时间：2020/8/4 来源：《电力设备》2020年第8期作者：张健

[导读] 摘要：本文从宝瓶水电站的基本情况入手，根据机组日常运行的工况以及检修期间机组过流表面的空蚀情况进行了原因分析和对空蚀损害部位进行了修补改进，并对优化空化和空蚀提出了合理的防范措施。

        （甘肃电投河西水电开发有限责任公司甘肃省张掖市 734000）
        摘要：本文从宝瓶水电站的基本情况入手，根据机组日常运行的工况以及检修期间机组过流表面的空蚀情况进行了原因分析和对空蚀损害部位进行了修补改进，并对优化空化和空蚀提出了合理的防范措施。
        关键词：水电站；空化和空蚀；宝瓶水电站
        1宝瓶水电站的基本情况
        1.1宝瓶水电站为承载基荷的日调节水电站，安装3台混流式水轮发电机，总装机123WM,其中1，2号大机装机50MW，水轮机型号HLY157-LJ-245，3号小机装机23MW，水轮机型号HLY193-LJ-158，机组设计总流量96.6m³/s，额定水头139.6m，水头变化范围为129.47m~153.99m，2012年6月30日1号机组投产发电。累计发电量245018.84万KW/h，其中1号机截止2016年12月累计运行天数630天，发电量23428万度，2017年1月对1号水轮发电机大修。
        黑河输沙量的年内分配非常不均匀，通常在6—9月之间，其量占年输沙量的95.0％以上，而其中7月份输沙量就占了年输沙量的41.0％以上。电站推移质输沙量按悬移质输沙量的15％考虑，则坝址处推移质输沙量为28.0×104T，电站坝址处总输沙量为214×104T。
        2空蚀的产生
        通过水轮机的水流，如果在某些地方的流速增高了，必然引起该处的局部压力降低，如果该处水流速度增加很大，就会促使其压力降低到相应的水温下的汽化时的压力状态的时候，就会在汽化的催化下产生空蚀现象。
        3水轮机的空蚀
        目前，主要有2个机械破坏模式。①冲击波破坏模式。空泡运动到高压强区域，四周均匀受到，发生“向内爆炸”式的溃灭。②微射流破坏模式。当空泡活动到压力很强的区域以后，由于两侧会受到不同的梯度压力作用，导致一侧首先发生变形，最终导致射流形成。
        4空蚀、磨损形态特征
        当水轮机的叶片所受到的破坏程度比较小的时候，空蚀表现为针孔和麻点的形态。在冲击波和脉动波的空蚀不断相互交替的作用下，就会导致微裂纹产生，最终导致表层晶体剥落，空蚀针孔孔径就会逐渐增大，最终形成蜂窝状的空蚀洞。
        5宝瓶水电站的空化与空蚀
        5.1翼型空化和空蚀
        5.1.1翼型空化和空蚀产生的原因
        翼型空化空蚀主要是由于机组在非最优工况下运行，①在额定水头139.6m时，当负荷在30MW-35MW之间运行，当上游来流在20-30m3/s或小机检修时，需要1号机长时间进入补气区运行。②当上流来水不稳定时，为了减少开停机次数1号机组会在20MW-28MW低负荷非正常运行区运行。③由于是承载基荷的日调节水电站，库容较小水头变化较大，尤其在汛期6～9月间，由于抗大洪，防大险的要求，往往在低水头运行，在低水头的情况下负荷受到限制，不能在额定负荷下运行，综合以上所述都会诱发或加剧翼型空化和空蚀。

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        5.2间隙空化和空蚀
        5.2.1间隙空化空蚀产生的原因
        根据出厂要求导叶全关时，立面只允许局部有间隙，允许在110mm的导叶高度范围内局部最大间隙不超过0.1mm，其余范围内用0.05mm塞尺不通过，宝瓶水电站实际测量1号导叶立面间隙平均为0.05mm，导叶端面间隙平均为0.45mm，由于机组在139.6m高水头下运行，导叶关闭时漏水的缘故，水流通过间隙引起局部流速升高加剧了间隙的空化空蚀。
        5.3局部空化和空蚀
        水电站转轮运用的是铸焊结构，转轮上冠下环和叶片采用性能良好的不锈钢ZG06Cr16Ni5Mo，导水机构使用的材质是铸造的不锈钢ZG06Cr13Ni4Mo，铸造和加工缺陷形成的表面不平整，沙眼等引起的局部空化和空蚀可以忽略不计。
        5.4空腔空化与空蚀
        宝瓶水电站尾水锥管和尾水肘管段采用焊接结构的钢板里衬，尾水管锥管里衬顶端（转轮出口开始）有不小于300mm高度的不锈钢段，以防可能产生空蚀破坏。所以空腔空化与空蚀破坏不严重。
        5.5泥沙颗粒的空化与空蚀
        当水电站运行所产生的平均粒径0.101d的颗粒所携带的气泡产生溃灭现象的时候，就会产生出来具有破坏性质的冲击波并对叶片表面产生空蚀作用，最终导致颗粒冲击边壁。当大粒径的颗粒所携带的气泡出现毁灭现象的时候，就产生微射流对颗粒产生空蚀作用。
        6机组空化与空蚀产生时所表现出的几种现象
        ①机组运行时补气阀有明显补气声。
        ②机组振动明显增多。
        ③在尾水管进人门处有明显的爆炸或撞击声。
        ④尾水有大面积气泡和水流不均匀现象。
        ⑤机组在停机时水车室或蝶阀旁有明显的水流声。
        7对损害部件的处理办法
        首先对汽蚀部位测量深度和长度，用电弧气刨对破损部位进行清理，对汽蚀较轻的部位用自溶性合金进行喷镀，对严重部位如转轮上冠，下环等进行补焊，补焊使用氩弧焊进行补焊修复，焊丝采用RE309L不锈钢焊条。最后进行打磨、修型、抛光转轮上冠、下环的补焊部位，修型时采用R型角样板对角度进行检查验收，直至符合要求。宝瓶水电站采用了弹性好的非金属涂层，这种方法在一点程度上减轻了叶片背面负压的影响。
        8防范措施
        合理安排电站运行方式，在枯水期应采用间断运行的方式避开可以产生严重汽蚀的区域运行。
        合理科学的控制水位严禁在低水头和低负荷区运行。要求运行人员巡视重点关注转轮与顶盖压力表和尾水管压力表真空压力表的压力的摆动是否有过大情况，巡视时注意尾水管进人门处是否有撞击和爆炸声，如有以上异常应立即调整负荷。
        对于导叶漏水量较大而引起的间隙汽蚀，应在停机时关闭蝶阀的方法得以改善。要求检修人员定期对补气装置进行检查更换。引进水轮机能量与空化在线监测系统，好处就是能够了解机组空化和空蚀的是否发生，对机组出力、稳定性是否产生影响，逐步积累空化、空蚀特征数据，为机组稳定运行和绝定检修周期提供有用的决策依据。
        9结语
        综上所述，本文结合宝瓶水电站实际运行情况，对过流部件空化和空蚀部位进行了多方面的分析与探究，根据机组日常运行的工况以及检修期间机组过流表面的空蚀情况进行了原因分析和对空蚀损害部位进行了修补改进，并对改善空化和空蚀提出了防范措施。
        参考文献
        [1]杨登科.某水电厂水轮机及过流部件磨损和汽蚀原因分析及解决方法[J].工程技术(引文版):00183-00183.
        [2]宋嘉城.基于EMD的水轮机空化声发射信号处理方法[D].2017.