1岷江上游流域水電站基本情況

岷江是我國長江上游重要的一條支流,位于四川省中部,分為東西兩個源頭,東源頭漳臘河發(fā)源于阿壩州松潘縣弓杠嶺,西源頭潘州河發(fā)源于阿壩州松潘縣郎架嶺。兩個源頭交匯于該松潘縣元壩鄉(xiāng)的川主寺,自北向南流過松潘、茂縣和汶川到達都江堰市,進入平原,源頭至都江堰以上稱為岷江上游。岷江上游段全長341km,天然落差3009m,流域面積共22950km2。

岷江干流主要有紫坪鋪水電站(760MW)等近10座水電站:漁子溪支流主要有漁子溪水電站(160MW)等2座水電站:雜谷腦河支流主要有桑坪水電站(72MW)等4座水電站:黑水河支流主要有毛爾蓋水電站(420MW)等8座水電站。岷江上游流域總裝機容量約4200MW。

2岷江上游流域水電站常見運行故障

岷江上游多為峽谷地段,水流湍急,自然落差大,水電站多采用混流式水輪發(fā)電機組。混流式水輪機是目前應用最為普遍的一種水輪機機型,是開發(fā)中高水頭水電站的優(yōu)良機型。2.1映秀灣水電站水輪機的設計缺陷及解決方案映秀灣水電站(3×45MW)建于20世紀60年代,距首臺機組發(fā)電已經40多年。原水輪機主要存在的問題有:(1)當時我國設計、制造和加工水平落后,致使生產出來的水輪機性能很低。(2)岷江河段屬于山區(qū)河流,水流中含沙量很大。"5·12"汶川特大地震發(fā)生后,其河流中的泥沙含量進一步加大,對水輪機的過流部件造成了嚴重磨損。(3)原轉輪采用2osiMn鋼鑄成,未全部采用不銹鋼材料,只在下環(huán)的內表面及轉輪葉片底部的正反兩面堆焊或鋪焊了Gr5Cu材料。(4)水輪機經過多年運行和多次補修,葉片變形嚴重,多處產生裂紋,局部已呈現出蜂窩狀。(5)引水系統(tǒng)的設計缺陷導致電站的發(fā)電引用流量無法滿足機組滿負荷運行時所需的額定流量,機組只能長期在低負荷狀態(tài)下運行。

映秀灣水電站3臺機組同時運行時,受到引水隧洞的限制,引用流量無法達到水輪機滿負荷運行所需要的額定流量。為解決此問題,必須對原來老舊落后的水輪機轉輪進行改造,通過充分的研究和論證,最終確定以哈爾濱大電機研究所自主開發(fā)的A982轉輪為基礎,對其進行改造。

通過對新的基礎轉輪A982進行流體力學分析,其基本參數適合映秀灣水電站的參數要求。在A982轉輪基礎上進行了改型設計,使改型后的A606c轉輪性能指標得到更大提高,解決了原轉輪存在的問題,主要體現在以下幾個方面:(1)轉輪、活動導葉、固定導葉的最優(yōu)開口匹配關系更加良好:(2)固定導葉進口安放角和蝸殼出流角的匹配更加合理:(3)轉輪葉片出口區(qū)的流速有了大幅度降低:(4)轉輪葉片出口環(huán)量的分布更加合理:(5)轉輪葉片表面的壓力分布有了顯著改善:(6)轉輪的速度矢量、流態(tài)分布更加合理。

改造后,水輪機轉輪用A606c代替原轉輪,提高了水輪機的運行效率和穩(wěn)定性,且延長了機組大修的周期,改造取得了圓滿成功。

2.2柳坪水電站平壓板開裂及其解決方案

柳坪水電站(3×40MW)自2008年12月投產運行9年多以來,1F機組進行過多次C修和兩次A修。在2012年的A修中發(fā)現轉輪本體和轉輪平壓板出現多條裂縫,導致平壓板已經嚴重變形和開裂。

大修時,發(fā)現平壓板與上止漏環(huán)焊接處焊縫嚴重開裂。上冠、下環(huán)、葉片沒有發(fā)現任何異常和較大的氣蝕孔,只有很細微的氣蝕孔,并不影響轉輪的正常運行和出力。焊縫開裂主要表現在不銹鋼材料和○235鋼材焊接部位。此次平壓板開裂重點是由于補氣閥故障,造成轉輪在運行過程中產生空腔,由空腔空蝕引起機組的頂蓋和推力軸承出現劇烈的垂直振動,造成水力不平衡,加快了對平壓板的破壞,最終引起平壓板開裂。

經過分析,與轉輪生成廠家溝通和討論,決定不更換平壓板材質,對原平壓板進行現場補焊,將原焊縫全部刨開清除干凈,打磨出V型焊接坡口,用A307不銹鋼焊條重新焊接。

雖然現場修補能滿足當時大修周期的運行需求,但長期運行下去會出現同樣的問題,要徹底解決這個缺陷,需要從4個方面進行改進:(1)更換平壓板(更換成不銹鋼材質):(2)更換補氣閥結構,將平板閥盤更換成球型閥盤:(3)更換平壓板與上冠的連接方式:(4)調整運行工況,不要長時間運行在振動區(qū)。柳坪水電站水輪機轉輪所暴露的缺陷,為今后發(fā)現和消除此類問題提供了良好的借鑒。

2.3竹格多水電站上導軸承燒瓦事故分析及其解決方案

竹格多水電站(2×42MW)也采用混流式水輪機機組。在電站投產前72h試運行時,上導軸承發(fā)生燒瓦事故(瓦溫在0.5h后由56.5℃升到131℃),造成上導瓦及上導軸承軸頸嚴重燒傷。拆機后發(fā)現,上導瓦上半部分燒傷嚴重,下半部分基本沒有燒傷,且對應的軸頸位置也是上導瓦的上半部分。

原因分析:(1)設計缺陷。一方面是上導軸承的甩油孔與絕緣板距離過小,致使一部分冷油通過絕緣板與大軸的結合縫流回了油槽:另一方面(也是最主要的原因),上導軸承的甩油孔位置偏低,導致油循環(huán)不好,通過冷卻器冷卻的冷油甩不到上導瓦的上部。(2)運行原因,上導軸承油位偏低。

改進措施:(1)加大上導軸承絕緣板與大軸之間的距離。(2)加高上導軸承的運行油位。(3)適當放大上導瓦的瓦面間隙。改進后,運行正常,沒有再發(fā)生燒瓦事故。但是,由于油位的增加,上導油盆有少許滲油,加上上導瓦瓦面間隙的增大,致使上導軸承的擺度有所增大。

3水輪發(fā)電機組運行故障處理的新技術探索

3.1水輪發(fā)電機組故障診斷系統(tǒng)

設備狀態(tài)診斷和檢測技術是最近十多年來發(fā)展最迅速的一門新興綜合性應用學科,它主要包括測試技術、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷三項基本內容。目前我國從事水電站機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究與開發(fā)的單位主要有西華大學、西安理工大學、重慶大學、東南大學、河海大學、中國水利電力科學研究院、北京奧技異電氣技術研究所、北京英華達公司、華中科技大學等,主要研究成果有北京英華達公司的EN8000、華中科技大學的HSJ系統(tǒng)、北京奧技異電氣技術研究所的PSTA系統(tǒng)、中國水利電力科學研究院的HM9000系統(tǒng)等。隨著現代化改造的進一步深入,傳統(tǒng)的計劃維修方式正在轉變?yōu)楦呖茖W性的狀態(tài)檢修方式。狀態(tài)檢修是一個非常復雜的系統(tǒng)工程,技術含量高,實現狀態(tài)檢修是國內外水電行業(yè)始終奮斗的偉大目標。目前毛爾蓋電站正在使用北京奧技異電氣技術研究所的PSTA系統(tǒng),表現良好。

3.2激光表面處理技術在不銹鋼水輪機葉片上的運用

在水輪機葉片表面強化和修復技術中,目前最常見的方法是堆焊和熱噴涂,二者也是當前實際工業(yè)應用中制造和修復大型水輪機部件的常用技術。堆焊技術處理過程中對基材的熱影響較大,基材稀釋率較高。因此需要發(fā)展新的水輪機葉片表面強化和修復技術,而激光表面處理技術就是其中比較理想的一種。

激光表面處理技術一般有3種方法:激光重熔、激光表面合金化、激光熔覆。在水輪機葉片的表面處理技術中激光熔覆是效果最好的一種。激光熔覆工藝的特點是利用激光的能量將合金粉末快速熔化,再在基體表面快速冷卻,其間對基體的熱影響非常小,基體變形開裂等問題可以得到有效控制,合金熔覆層與基體又能達到冶金結合。熔覆層厚度增加,而且熔覆層的成分和組織均勻,消除了表層失效后會加速破壞的問題。合金粉末的選擇范圍也大幅擴大,很多與基體相容性較差的合金元素也能加入到熔覆層中,這在提高熔覆層的硬度、耐磨耐蝕性等物理化學性能方面有較大優(yōu)勢。

利用激光表面處理技術對水輪機葉片進行修復目前已經在工程實例中有所運用,但由于其工藝的復雜性和局限性,現階段只能在工廠實施這項技術,對于尺寸較大的水輪機目前運用起來還有一定的難度,這也將是此項技術未來的研究方向。

3.3高速火焰噴涂技術在水輪機中的應用

高速火焰噴涂是20世紀80年代出現的一種高能噴涂方法。它是以氧及某種燃氣作為熱源,通過高強度的燃燒使氣體快速膨脹,形成高壓,把噴涂材料以粉末狀注入高速噴射燃燒的火焰中,燃燒產物在高壓驅動下形成高速氣流,以兩馬赫以上的速度(約24484k/m)通過槍管沖擊槍外。高速燃氣一方面使粉末材料的顆粒達到半融化狀態(tài),另一方面又使粉末材料的顆粒加速運動,讓熔化后的粉末材料緊密均勻地附著在被噴涂物體表面上,與基材物理結合在一起,并控制基材溫度不高于1h05,使基材不發(fā)生任何變形。H℃0V技術因其較高的噴射速度以及較低的火焰溫度保證了粉末在噴涂中更少地氧化和失碳,從而使涂層有更高的硬度和更好的耐磨性。選用H℃0V技術很適合對水輪機進行抗磨蝕處理。

目前我國在金屬表面處理工藝上也已經開始引入H℃0V技術,對其進行消化和吸收后,在工程實例中得到了很好的應用。早在2001年,劉家峽水電廠水輪機表面抗磨蝕處理就采用H℃0V技術。對水輪機活動導葉周邊、上下端面噴涂了0.3~0.3hkk的碳化鎢,經過6年運行,碳化鎢噴涂層完好無損,而未噴涂區(qū)域磨損量達到1~1.hkk。H℃0V技術對岷江流域上游水電站水輪機的抗磨蝕處理具有很好的借鑒作用,可將該項技術的推廣應用作為今后岷江流域上游水電站改善水輪機磨蝕影響的重要解決方案。

4結語

本文以岷江上游水電站為研究對象,結合筆者實際工作,分析了水輪發(fā)電機組的運行情況,總結了混流式水輪發(fā)電機組的故障特性,為提高該流域水電站的機組穩(wěn)定性、可靠性提供了一定的參考。

加強對運行的水電站機組設備故障的分析和研究,不僅對已經建成發(fā)電的水電站產生巨大效益,還會對在建的水電站和擬規(guī)劃建設的水電站產生深遠影響,從而推動整個水力發(fā)電行業(yè)的進步,為國家經濟發(fā)展做出更大的貢獻。