我国多泥沙河流水电站水轮机磨蚀状态检修系统.doc

我国多泥沙河流水电站水轮机磨蚀状态检修系统

我国多泥沙河流水电站水轮机磨蚀状态检修系统
陈德新, 任　岩
(华北水利水电学院动力系, 河南郑州　450008)
【摘要】我国水电站的检修体制存在着检修科学依据不足、维修不足、维修过剩等缺点, 而状态检修的推行可以克服上述缺点。为此, 提出了多泥沙河流水电站水轮机磨蚀状态检修策略, 并以三门峡水电站的水轮机磨蚀为例, 分析了水轮机的磨蚀规律及对水轮机性能的影响程度, 并以此提出了三门峡水电站水轮机磨蚀检修决策系统, 为我国多泥沙河流水电站水轮机的检修提供了理论基础和技术参考。
【关键字】多泥沙河流; 水轮机磨蚀; 状态检修; 三门峡水电站
中图分类号: TV737 (261) 　　　　文献标识码: B　　　　文章编号: 100020860 (2006) 0920061204
Cond ition2ba sed ma in tenance system for hydraulic turbine under abra sion and corrosion in
hydropower sta tion on sed imen t2laden r iver in Ch ina
CHEN De2xin, REN Yan(North China University ofWater Conservancy and Electric Power, Zhengzhou　450008, Henan, China)Abstract: The conventionalmaintenance system for hydropower station in China has some shortcomings such as lack of scientificbasis, lack ofmaintenance, over2maintenance etc1, forwhich the shortcomings given above can be overcome with the system ofcondition2based maintenance1 Therefore, a condition2based maintenance system for hydraulic turbine under abrasion and corro2
sion on sediment2laden river is established1The law and the effect from the abrasion and corrosion concerned are inspected withit, and then the abrasion and corrosion maintenance decision2making system for the hydraulic turbines in Sanmenxia HydropowerStation is put forward herein aswell; bywhich both the theoretical basis and technical reference are p rovided for the maintenanceof the hydraulic turbines under the abrasion and corrosion conditions in the hydropower stations on the sediment2laden rivers inChina1
Key words: sediment2laden river; abrasion and corrosion on hydraulic turbine;condition2basedmaintenance; Sanmenxia Hydro2power Station

1 　问题的提出
　　我国建国以来, 多泥沙河流水电站长期实行的检修体制是以事后维修、预防性计划检修为主的检修体
制。以故障维修、预防性计划检修为主的检修体制包括大修、小修、临时检修、定期维护等形式。这种传
统检修方式存在着如下的缺陷: (1)检修科学依据不足; (2)维修不足, 缩短机组寿命; ( 3)维修过剩,浪费人力物力。
　　近些年来, 我国推行状态检修[ 1 ] 。状态检修的推行, 可以提高检修及管理效率, 延长设备大修间隔, 降低小修频率, 杜绝不足维修和过剩维修, 减少重大事故的发生, 提高设备的可用系数, 从而降低企业经营成本。
2 　多泥沙河流水电站的水轮机磨蚀状态检修系统
　　多泥沙河流水电站的水轮机磨蚀状态检修系统见图1。

2.1　磨蚀状态参数的构成
　　评价水轮机磨蚀, 可以从过机泥沙、磨蚀的内特性、磨蚀的外特性三方面进行。过机泥沙含量及泥沙
级配、硬度是决定磨蚀强度的外因。磨蚀的内特性体现水轮机过流部件的磨蚀程度及所造成的水轮机流场
的变化, 而磨蚀的外特性是磨蚀所带来的外部效应,可以间接反映磨蚀所造成的过流部件损伤及由此造成的水轮机性能的变化。
　　(1)磨蚀的内特性: 叶片平均糙度、叶片磨蚀面积及占过流面积的比例, 磨蚀最大深度及平均深度,叶片失重量, 中环间隙, 导水叶密封间隙, 防护层脱落面积及比例。(2)磨蚀的外特性: 水轮机效率的降低, 导水叶漏水量及容积效率的降低, 空化强度, 机组振动振幅、机组利用系数。( 3)过机泥沙: 过机泥沙含量, 泥沙颗粒级配, 沙粒几何形状与硬度, 汛期运行时间。
2.2　水轮机磨蚀破坏的分级[ 2 ]
　　水轮机磨蚀可分为潜伏期、微损期、轻损期、中损期、重损期和失效期等若干个阶段。( 1 )潜伏期。新转轮或修复后的转论运行初期, 叶片表面光洁度高, 材料性能未受到影响, 磨蚀尚未形成材料实质性损失, 几乎没有金属失重。( 2 )微损期。长期的磨蚀作用下, 叶片表面光洁度与硬度开始降低, 表面材料开始出现微小划痕或坑点, 有轻微金属失重。(3)轻损期。磨蚀造成的材料损伤面明显,浅鱼鳞坑与浅沟槽显而易见。( 4 )中损期。磨蚀面积、深度增大, 有较深的鱼鳞坑与沟槽, 出现较大的金属失重。( 5 )重损期。磨蚀严重, 大面积的深鱼鳞坑与沟槽, 伴有金属块片脱落。( 6 )失效期。叶片大面积深度磨蚀, 大量金属脱落, 水轮机转轮已经越过使用有效期。
水轮机磨蚀的影响评价见表1。

2.3　检修决策系统
　　正确地进行磨蚀水轮机的检修决策, 是以磨蚀现状为依据, 通过磨蚀评价系统对照磨蚀规范进行分析, 并经过检修周期的技术经济评价而进行的。通过磨蚀状态检测系统所获得的数据资料存放在数据库中供随时调用, 用磨蚀评价系统对磨蚀状态数据进行分析与评价, 可以确定机组所处的磨蚀期及磨蚀的级别, 再用检修周期经济技术评价系统的分析, 可以对不同的检修周期进行优化, 最终确定最佳的检修周期与检修实施时间。
　　(1)磨蚀状态数据库: 过机泥沙数据, 磨蚀状态实时参数, 磨蚀状态历史数据, 机组状态变化趋势图。(2)磨蚀评价系统: 磨蚀专责工程师评价, 专家评价, 多目标综合评价。( 3)磨蚀规范: 磨蚀分级标准(1～6级) , 磨蚀期分期标准(1～6期) 。( 4)检修周期经济技术评价: 检修周期内经济效益计算, 机组寿命影响评价, 磨蚀多目标规划, 磨蚀综合评价。
2.4　磨蚀状态检测
　　磨蚀状态监测为磨蚀机组的状态检修提供基础数据, 包括过机泥沙监测、水轮机状态检测和磨蚀状态
检测。目前, 已有一些自动化设备可以辅助人们监测过机泥沙、机组运行状态, 但磨蚀状况的内特性的直
接监测, 还难于实现自动化, 通常是采取停机检查的方式, 测量磨蚀面积、深度, 计算失重量, 由此判断磨蚀的程度。通过机组外特性监测磨蚀状况是有效的方式, 但必须掌握磨蚀内特性与外特性的关系, 积累
数据与经验, 增加分析的准确性。
　　(1)过机泥沙监测: 水沙监测、过机泥沙含量监测、过机泥沙特性监测。( 2)水轮机状态检测: 效率监测、空化强度监测、振动监测。( 3 )磨蚀状况检测: 磨蚀面积、深度、失重量监测。( 4)计算机数据采集处理系统: 数据采集硬件系统、数据处理软件系统。
3 　三门峡水电站水轮机磨蚀的状态检修
3.1 　水轮机磨蚀规律的监测及对水轮机性能的影响程度分析
　　水轮机过流部件磨蚀程度及防护层脱落程度随着运行时间的延长而加剧, 当磨蚀到达一定程度后, 由
于过流表面的粗糙而加大了水力损失, 叶片材料剥落会降低水轮机的水力效率, 尤其是叶片与转轮室间隙
的增大, 使机组的容积效率下降, 最终导致水轮机效率的下降。
　　三门峡水电站第一台机(4号机)投运后运行2年半(约20 000 h) , 效率下降11%。磨蚀部位用环氧金刚砂涂层修复后, 效率可回升3% ～5%。当时,机组水轮机叶片材质较差, 磨蚀比较严重, 虽然采用环氧金刚砂涂层对磨蚀叶片进行了修复, 并用不锈钢板对叶片背面磨蚀部位进行了铺焊, 但汛期运行后,铺焊层脱落严重。第四次大修采用不锈钢焊条堆焊,机组的抗磨蚀能力有所提高。磨蚀程度及效率下降与运行时间的关系如图2所示。

　　由4号机效率过程可以说明下述5点结论: (1)磨蚀程度随运行时间的延长而加大, 由于磨蚀使水轮机的效率随运行时间的增加而降低。(2)用环氧金刚砂涂层进行了磨蚀部位的修复可使水轮机的效率得到回升, 回升幅度约为7%。(3)修复的涂层经过汛期发电后会较快脱落, 因此效率会迅速下降。采用涂层防护可以延缓磨蚀的强度, 减轻效率的下降, 但磨蚀造成的母材损伤特别是叶片的损伤不可能完全修复到原始状态, 水轮机效率下降不可避免。(4)转轮室间隙随运行时间的延长而扩大, 使水轮机效率过程线总体呈下降趋势, 如图3所示。(5) 效率过程线间接反映了磨蚀的规律, 为机组状态检修提供了强有力的依据, 如图4和图5所示

3.2　水轮机磨蚀状态检修决策系统
　　(1)过机泥沙实时监测。三门峡水电站在每台机组上装有水轮机过机泥沙实时监测装置, 从蜗壳中抽
取水样, 将泥沙含量转换为电量, 经单片机处理系统实时测定过机泥沙含量, 并上传到计算机监控系统。
水轮机过机泥沙的实时监测装置采用黄委会水科院研制的MDS51 - 103型含沙浓度测量仪。
　　(2)以水轮机磨蚀状态监测为基础决定机组大修周期。多泥沙电站机组的检修, 水轮机磨蚀损伤部件
的修复是检修的主要工作任务, 是检修周期的第一控制因素, 根据电站的泥沙特点及水轮机的磨蚀规律,可以确定机组大修的最佳周期。目前的水轮机母材表面防护层(环氧金刚砂砂浆涂层、抗磨不锈钢焊条堆焊层、碳化钨喷涂保护层)可以在3～5年期间有效保护水轮机不发生严重磨蚀[ 3 ] , 因此, 机组大修的周期以3～5年为宜, 由磨蚀造成的水轮机效率下降应不大于2% ～4%。如果大修周期过长, 水轮机磨蚀率增大, 而且, 叶片等复杂过流部件的严重损坏,使可修复性降低, 势必影响水轮机的寿命, 维修的成本也会加大, 是得不偿失的。
　　(3)提倡状态检修与经济维护的检修策略, 区别对待不同机组, 水平低下的老机组要经济维修, 制造精良的新机组要密集检修、叶片保型修复。针对不同类型的电站、机组, 制定不同的检修策略。对于大型机组、制造精良的机组和中小型机组制造水平一般或低下的机组, 其检修策略是有重大区别的。老电站、旧国产机组的制造水平一般不高, 机组运行多年, 磨蚀及反复修复所造成的叶片变形已经较严重,过流表面伤痕累累, 精密修复已经不可能, 也不经济, 一般采取较经济的修复材料与工艺, 检修的策略是在计划性检修的基础上结合状态检修来安排, 但检修周期的确定要科学, 根据电站的泥沙特点及磨蚀规律, 通过观测, 绘制磨蚀强度与运行时间的曲线, 掌握磨蚀规律, 确定最佳检修时间。例如三门峡水电站的旧机组, 就是采取定期检修和经济修复的方法,3～4 年为一个大修周期, 表面保护采取环氧金刚砂涂层、不锈钢堆焊的一般材料与工艺。对于新电厂,尤其是设备水平较高的机组, 则应积极采用状态检修方式, 并采取精密修复的原则。例如三门峡水电站改造后的1号机就采用了密集检修、叶片保型修复的精密修复方法, 每年的汛前、汛后均进行小修, 及时补焊磨蚀坑, 修补损伤的表面防护层, 甚至采用碳化钨现场喷涂的方法, 进行叶片、中环的修复, 使叶片等主要过流部件保持在设计状态。
　　(4)要进行机组检修的质量监控, 坚持应修必修、修必修好的原则。这是多泥沙电站机组磨蚀部件修复的基本原则, 是减轻磨蚀损失和延长机组寿命的基础。对于大中型水电机组的经济合理大修周期, 过流部件产生磨蚀后, 磨损与空化的联合作用将更加突出, 加剧磨蚀的恶性发展, 应及时结合中小修, 把刮痕、麻点及时补平, 并打磨光滑, 延缓破坏强度, 减少磨损积累。水轮机磨蚀修复中, 叶片修复既是关键又是难点, 磨蚀严重的叶片, 往往出现大面积母材损伤, 焊接中的变形很大, 如果不进行控制, 就会使修复后的叶片与原叶片有很大误差, 出现翘角、扭曲变形等, 有的机组焊接后扭曲变形量达30～50 mm, 矫正非常困难。因此, 合理的焊接工艺流程、温度控制、样板矫正、表面打磨等都是非常重要的。影响磨蚀修复水平的因素包括磨蚀检测技术、检修策略、检修工具与设备、检修人员技术水平、检修管理系统等。成立检修专门组织、建立专业检修机构是必要的。
　　(5)采用新技术、新工艺、新设备是提高磨蚀修复效率与水平的重要措施。例如, 采用WC - HVOF(超音速火焰碳化钨喷涂)修复过流部件涂层、机器人焊接修复、叶片三维测量等技术与设备, 可以使磨损修复的效率与精度大大提高。解决水轮机检修中的疑难问题。三门峡电站采用活动裙边是值得推广的经验, 是解决叶片外缘、裙边的磨蚀及修复的成功方法。碳化钨现场喷涂技术的成功实施具有重要意义。2006年1号机叶片与中环的碳化钨涂层修复第一次采用现场修复, 这对于解决脱落硬涂层的修复起关键作用。若能将喷涂设备小型化, 将更加有利于热喷涂技术的推广。
4 　结　语
　　水电站的状态检修在我国刚刚起步, 它需要新的技术和新的管理理念作支撑。多泥沙河流水电站的状态检修比一般电站更加复杂, 实施状态检修首先要更新观念, 用先进的管理理论指导状态检修的推广。需
要综合运用水力机械理论、计算机监测技术、新材料、新工艺, 建立有效的技术支持系统, 有效利用成熟的技术, 把运行、管理、维护作为一个系统工程,才能把状态检修从概念走向实际。
参考文献:
[ 1 ] 　黄雅罗, 黄树红1发电设备状态检修[M ]1北京: 中国电力出版社, 20001
[ 2 ] 　陈德新, 杨建设1多泥沙河流水轮机的抗磨蚀对策[ J ] 1人民黄河, 2003, 25 (5) : 432451
[ 3 ] 　王青贤1三门峡水电站水轮机防磨蚀材料试验[ J ] 1水电站机电技术, 2001, (1) : 292331
(责任编辑　林雁庆)