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万家寨水电站水轮机抗磨蚀的主要措施

黄河光缆设备万家寨水利枢纽水电站共装有6台立轴混流式水轮发电机组单机容量为18万kW，总装机容量为108万kW，设计年发电量27.5亿kW.h。

万家寨水电站为多泥沙河流电站，其泥沙特征为：设计多年平均输沙量为1.49亿ｔ，设计多年平均含沙量6.6kg/ｍ3实测多年平均含沙量为5.7kg/ｍ3(其中直径大于0.05ｍｍ的有害颗粒含量为1.378kg/ｍ3，占其总量的24.2%)，实测最大含沙量河口镇水文站1955年9月1日为37.6kg/ｍ3；预测建库后排沙期时段平均过机含沙量为8～12kg/ｍ3建库后多年平均含沙量见表。

在排沙期，除了高含沙水流直接对水轮机进行磨损破坏外，还由于电站低水头运行，造成水轮机偏离设计工况，机组振动加大，从而使这样会造成很大的磨擦力过流部件的气蚀加重；即使在非汛期，由于万家寨水电站被山西电确定为第一调潮流电厂，机组参与潮流调节，同样使得机组经常在偏离设计工况的区域运行，振动加剧，产生气蚀破坏。根据黄河中下游多泥沙水电站尤其是三门峡水力发电厂运行的实际情况，万家寨水电站水轮机采取了优化水库泄流排沙设计、合理选择有关参数、优化水力设计和结构设计、采用优质母材和抗磨材料、避开机组振动区域运行等主要措施以增加水轮机的抗磨蚀性能。

二、优化水库泄流排沙设计，降低过机含沙量

1.利用泄洪底孔作为枢纽主要排沙建筑物

大坝左侧5～10号坝段的8个泄洪底孔进口底坎高程为915.0ｍ蓄水前坝前库底高程为899.0ｍ，比机组进水口低17ｍ，比引黄取水口低37ｍ，在库水位970ｍ水库最高洪水位时，单孔泄量为660ｍ3/ｓ。泄洪底孔能够排走水库中大量泥沙，有效控制泥沙主流，减少过机含沙量，维持有效库容。

2.设置5个电站坝段排沙孔

在大坝右侧13～17号坝段设置5个电站坝段排沙孔，其位置在机组进水口左下侧912.0ｍ高程处(其中5、6号机组共用1孔)，主要控制直径大于0.05ｍｍ的有害颗粒泥沙过机。在水库最低运用水位952.0ｍ高程时，其孔泄流量为60ｍ3/ｓ。排沙孔能将有害颗粒泥沙排至下游，减少运动护腕有害颗粒过机；同时也可以排走水库右侧大量泥沙，有效防止机组检修时进水口下部泥沙淤积。根据三门峡、龚嘴等电厂的运行经验，电站坝段排沙孔排走的有害颗粒泥沙应为机组的10倍左右，可大大改善水轮机的运行条件，减轻对水轮机的磨蚀。

三、合理选择水轮机参数，降低磨蚀的影响

1.合理选择转轮流道中的水流速度

转轮流道中含沙水流的相对速度是影响水轮机磨损强度的重要因素。根据黄河上多泥沙电站的水轮机运行情况和有关含沙水流磨蚀试验资料，结合本电站运行特点按照多泥沙河流适当降低水轮机参数水平的原则，参考已建电站的设计运行经验，确定万家寨水轮机将零件等各个部位涂上光滑油的比转速为220ｍ.kW并使得额定工况下转轮叶片出口相对流速小于38ｍ/ｓ，最小水头、导叶全开工况下，转轮叶片出口相对流速小于34ｍ/ｓ；高含沙量排沙期时段，导叶区最大流速小于20ｍ/ｓ，从而减轻高速含沙水流对水轮机部件的磨蚀。

2.合理选择水轮机的吸出高度和安装高程

在含沙水流条件下，气蚀往往提前发生，而且气蚀与磨损的联合作用又将进一步加重水轮机的磨蚀损坏程度。本电站按排沙期5台机组运行、1编码器台机组检修来选择水轮机最大吸出高度为－5.0ｍ即能满足各种可能的运行工况，这时水轮机安装铸铝件高程应该为895.0ｍ。而实际最终确定的水轮机安装高程为894.5ｍ，实际水轮机允许吸出高度为－3.58ｍ，真机装置气蚀系数与模型临界气蚀系数的比值在含沙水流条件下大于2，在清水条件下大于1.5，使得气蚀有较4、力的放大倍率：×1大的安全余量，保证水轮机能在高含沙水流条件下更有效地抗气蚀磨损，长期高效运行。

3.合理选择水轮机设计水头

水轮机运行工况直接影响着水轮机的磨蚀程度。合理选择水轮机设计水头，使水轮机在汛期也能有相对较好的运行工况，可以大大降低磨蚀对机组的影响。万家寨水利枢纽采用"蓄清排浑"的运用方式，电站每年8、9两个月为排沙期，水库从防洪限制水位966.0ｍ高程下降到957.0～952.0ｍ高程之间水轮机在低水头50～55ｍ、含沙水流条件下担任调峰运行；其余的水轮机正常运行时段，水轮机在较高水头68～75ｍ基本上是在清水条件下担任峰荷运行。兼顾上述两种运行工况，使水轮机尽可能少偏离最优工况区，既能多发电量，又可减轻磨损。经计算和比较，水轮机设计水头最终确定为68ｍ。

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