1、我國多泥沙河流水電站水輪機(jī)磨蝕狀態(tài)檢修系統(tǒng)【摘要】我國水電站的檢修體制存在著檢修科學(xué)依據(jù)不足、維修不足、維修過剩等缺點, 而狀態(tài)檢修的推行可以克服上述缺點。為此, 提出了多泥沙河流水電站水輪機(jī)磨蝕狀態(tài)檢修策略, 并以三門峽水電站的水輪機(jī)磨蝕為例, 分析了水輪機(jī)的磨蝕規(guī)律及對水輪機(jī)性能的影響程度, 并以此提出了三門峽水電站水輪機(jī)磨蝕檢修決策系統(tǒng), 為我國多泥沙河流水電站水輪機(jī)的檢修提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考?！娟P(guān)鍵字】多泥沙河流; 水輪機(jī)磨蝕; 狀態(tài)檢修; 三門峽水電站1 問題的提出我國建國以來, 多泥沙河流水電站長期實行的檢修體制是以事后維修、預(yù)防性計劃檢修為主的檢修體制。以故障維修、預(yù)防性計劃

2、檢修為主的檢修體制包括大修、小修、臨時檢修、定期維護(hù)等形式。這種傳統(tǒng)檢修方式存在著如下的缺陷: (1)檢修科學(xué)依據(jù)不足; (2)維修不足, 縮短機(jī)組壽命; ( 3)維修過剩,浪費人力物力。近些年來, 我國推行狀態(tài)檢修 1 。狀態(tài)檢修的推行, 可以提高檢修及管理效率, 延長設(shè)備大修間隔, 降低小修頻率, 杜絕不足維修和過剩維修, 減少重大事故的發(fā)生, 提高設(shè)備的可用系數(shù), 從而降低企業(yè)經(jīng)營成本。2 多泥沙河流水電站的水輪機(jī)磨蝕狀態(tài)檢修系統(tǒng)多泥沙河流水電站的水輪機(jī)磨蝕狀態(tài)檢修系統(tǒng)見圖1。2.1磨蝕狀態(tài)參數(shù)的構(gòu)成評價水輪機(jī)磨蝕, 可以從過機(jī)泥沙、磨蝕的內(nèi)特性、磨蝕的外特性三方面進(jìn)行。過機(jī)泥沙含量及泥

3、沙級配、硬度是決定磨蝕強(qiáng)度的外因。磨蝕的內(nèi)特性體現(xiàn)水輪機(jī)過流部件的磨蝕程度及所造成的水輪機(jī)流場的變化, 而磨蝕的外特性是磨蝕所帶來的外部效應(yīng),可以間接反映磨蝕所造成的過流部件損傷及由此造成的水輪機(jī)性能的變化。(1)磨蝕的內(nèi)特性: 葉片平均糙度、葉片磨蝕面積及占過流面積的比例, 磨蝕最大深度及平均深度,葉片失重量, 中環(huán)間隙, 導(dǎo)水葉密封間隙, 防護(hù)層脫落面積及比例。(2)磨蝕的外特性: 水輪機(jī)效率的降低, 導(dǎo)水葉漏水量及容積效率的降低, 空化強(qiáng)度, 機(jī)組振動振幅、機(jī)組利用系數(shù)。( 3)過機(jī)泥沙: 過機(jī)泥沙含量, 泥沙顆粒級配, 沙粒幾何形狀與硬度, 汛期運行時間。2.2水輪機(jī)磨蝕破壞的分級 2

4、 水輪機(jī)磨蝕可分為潛伏期、微損期、輕損期、中損期、重?fù)p期和失效期等若干個階段。( 1 )潛伏期。新轉(zhuǎn)輪或修復(fù)后的轉(zhuǎn)論運行初期, 葉片表面光潔度高, 材料性能未受到影響, 磨蝕尚未形成材料實質(zhì)性損失, 幾乎沒有金屬失重。( 2 )微損期。長期的磨蝕作用下, 葉片表面光潔度與硬度開始降低, 表面材料開始出現(xiàn)微小劃痕或坑點, 有輕微金屬失重。(3)輕損期。磨蝕造成的材料損傷面明顯,淺魚鱗坑與淺溝槽顯而易見。( 4 )中損期。磨蝕面積、深度增大, 有較深的魚鱗坑與溝槽, 出現(xiàn)較大的金屬失重。( 5 )重?fù)p期。磨蝕嚴(yán)重, 大面積的深魚鱗坑與溝槽, 伴有金屬塊片脫落。( 6 )失效期。葉片大面積深度磨蝕,

5、 大量金屬脫落, 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪已經(jīng)越過使用有效期。水輪機(jī)磨蝕的影響評價見表1。2.3檢修決策系統(tǒng)正確地進(jìn)行磨蝕水輪機(jī)的檢修決策, 是以磨蝕現(xiàn)狀為依據(jù), 通過磨蝕評價系統(tǒng)對照磨蝕規(guī)范進(jìn)行分析, 并經(jīng)過檢修周期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價而進(jìn)行的。通過磨蝕狀態(tài)檢測系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)資料存放在數(shù)據(jù)庫中供隨時調(diào)用, 用磨蝕評價系統(tǒng)對磨蝕狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與評價, 可以確定機(jī)組所處的磨蝕期及磨蝕的級別, 再用檢修周期經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價系統(tǒng)的分析, 可以對不同的檢修周期進(jìn)行優(yōu)化, 最終確定最佳的檢修周期與檢修實施時間。(1)磨蝕狀態(tài)數(shù)據(jù)庫: 過機(jī)泥沙數(shù)據(jù), 磨蝕狀態(tài)實時參數(shù), 磨蝕狀態(tài)歷史數(shù)據(jù), 機(jī)組狀態(tài)變化趨勢圖。(2)磨蝕評價

6、系統(tǒng): 磨蝕專責(zé)工程師評價, 專家評價, 多目標(biāo)綜合評價。( 3)磨蝕規(guī)范: 磨蝕分級標(biāo)準(zhǔn)(16級) , 磨蝕期分期標(biāo)準(zhǔn)(16期) 。( 4)檢修周期經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價: 檢修周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益計算, 機(jī)組壽命影響評價, 磨蝕多目標(biāo)規(guī)劃, 磨蝕綜合評價。2.4磨蝕狀態(tài)檢測磨蝕狀態(tài)監(jiān)測為磨蝕機(jī)組的狀態(tài)檢修提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 包括過機(jī)泥沙監(jiān)測、水輪機(jī)狀態(tài)檢測和磨蝕狀態(tài)檢測。目前, 已有一些自動化設(shè)備可以輔助人們監(jiān)測過機(jī)泥沙、機(jī)組運行狀態(tài), 但磨蝕狀況的內(nèi)特性的直接監(jiān)測, 還難于實現(xiàn)自動化, 通常是采取停機(jī)檢查的方式, 測量磨蝕面積、深度, 計算失重量, 由此判斷磨蝕的程度。通過機(jī)組外特性監(jiān)測磨蝕狀況是有效的方式

7、, 但必須掌握磨蝕內(nèi)特性與外特性的關(guān)系, 積累數(shù)據(jù)與經(jīng)驗, 增加分析的準(zhǔn)確性。(1)過機(jī)泥沙監(jiān)測: 水沙監(jiān)測、過機(jī)泥沙含量監(jiān)測、過機(jī)泥沙特性監(jiān)測。( 2)水輪機(jī)狀態(tài)檢測: 效率監(jiān)測、空化強(qiáng)度監(jiān)測、振動監(jiān)測。( 3 )磨蝕狀況檢測: 磨蝕面積、深度、失重量監(jiān)測。( 4)計算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng): 數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)。3 三門峽水電站水輪機(jī)磨蝕的狀態(tài)檢修3.1 水輪機(jī)磨蝕規(guī)律的監(jiān)測及對水輪機(jī)性能的影響程度分析水輪機(jī)過流部件磨蝕程度及防護(hù)層脫落程度隨著運行時間的延長而加劇, 當(dāng)磨蝕到達(dá)一定程度后, 由于過流表面的粗糙而加大了水力損失, 葉片材料剝落會降低水輪機(jī)的水力效率, 尤其是葉片與

8、轉(zhuǎn)輪室間隙的增大, 使機(jī)組的容積效率下降, 最終導(dǎo)致水輪機(jī)效率的下降。三門峽水電站第一臺機(jī)(4號機(jī))投運后運行2年半(約20 000 h) , 效率下降11%。磨蝕部位用環(huán)氧金剛砂涂層修復(fù)后, 效率可回升3% 5%。當(dāng)時,機(jī)組水輪機(jī)葉片材質(zhì)較差, 磨蝕比較嚴(yán)重, 雖然采用環(huán)氧金剛砂涂層對磨蝕葉片進(jìn)行了修復(fù), 并用不銹鋼板對葉片背面磨蝕部位進(jìn)行了鋪焊, 但汛期運行后,鋪焊層脫落嚴(yán)重。第四次大修采用不銹鋼焊條堆焊,機(jī)組的抗磨蝕能力有所提高。磨蝕程度及效率下降與運行時間的關(guān)系如圖2所示。由4號機(jī)效率過程可以說明下述5點結(jié)論: (1)磨蝕程度隨運行時間的延長而加大, 由于磨蝕使水輪機(jī)的效率隨運行時間的

9、增加而降低。(2)用環(huán)氧金剛砂涂層進(jìn)行了磨蝕部位的修復(fù)可使水輪機(jī)的效率得到回升, 回升幅度約為7%。(3)修復(fù)的涂層經(jīng)過汛期發(fā)電后會較快脫落, 因此效率會迅速下降。采用涂層防護(hù)可以延緩磨蝕的強(qiáng)度, 減輕效率的下降, 但磨蝕造成的母材損傷特別是葉片的損傷不可能完全修復(fù)到原始狀態(tài), 水輪機(jī)效率下降不可避免。(4)轉(zhuǎn)輪室間隙隨運行時間的延長而擴(kuò)大, 使水輪機(jī)效率過程線總體呈下降趨勢, 如圖3所示。(5) 效率過程線間接反映了磨蝕的規(guī)律, 為機(jī)組狀態(tài)檢修提供了強(qiáng)有力的依據(jù), 如圖4和圖5所示。3.2水輪機(jī)磨蝕狀態(tài)檢修決策系統(tǒng)(1)過機(jī)泥沙實時監(jiān)測。三門峽水電站在每臺機(jī)組上裝有水輪機(jī)過機(jī)泥沙實時監(jiān)測裝置

10、, 從蝸殼中抽取水樣, 將泥沙含量轉(zhuǎn)換為電量, 經(jīng)單片機(jī)處理系統(tǒng)實時測定過機(jī)泥沙含量, 并上傳到計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。水輪機(jī)過機(jī)泥沙的實時監(jiān)測裝置采用黃委會水科院研制的MDS51 - 103型含沙濃度測量儀。(2)以水輪機(jī)磨蝕狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)決定機(jī)組大修周期。多泥沙電站機(jī)組的檢修, 水輪機(jī)磨蝕損傷部件的修復(fù)是檢修的主要工作任務(wù), 是檢修周期的第一控制因素, 根據(jù)電站的泥沙特點及水輪機(jī)的磨蝕規(guī)律,可以確定機(jī)組大修的最佳周期。目前的水輪機(jī)母材表面防護(hù)層(環(huán)氧金剛砂砂漿涂層、抗磨不銹鋼焊條堆焊層、碳化鎢噴涂保護(hù)層)可以在35年期間有效保護(hù)水輪機(jī)不發(fā)生嚴(yán)重磨蝕 3 , 因此, 機(jī)組大修的周期以35年為宜, 由

11、磨蝕造成的水輪機(jī)效率下降應(yīng)不大于2% 4%。如果大修周期過長, 水輪機(jī)磨蝕率增大, 而且, 葉片等復(fù)雜過流部件的嚴(yán)重?fù)p壞,使可修復(fù)性降低, 勢必影響水輪機(jī)的壽命, 維修的成本也會加大, 是得不償失的。(3)提倡狀態(tài)檢修與經(jīng)濟(jì)維護(hù)的檢修策略, 區(qū)別對待不同機(jī)組, 水平低下的老機(jī)組要經(jīng)濟(jì)維修, 制造精良的新機(jī)組要密集檢修、葉片保型修復(fù)。針對不同類型的電站、機(jī)組, 制定不同的檢修策略。對于大型機(jī)組、制造精良的機(jī)組和中小型機(jī)組、制造水平一般或低下的機(jī)組, 其檢修策略是有重大區(qū)別的。老電站、舊國產(chǎn)機(jī)組的制造水平一般不高, 機(jī)組運行多年, 磨蝕及反復(fù)修復(fù)所造成的葉片變形已經(jīng)較嚴(yán)重,過流表面?zhèn)劾劾? 精密

12、修復(fù)已經(jīng)不可能, 也不經(jīng)濟(jì), 一般采取較經(jīng)濟(jì)的修復(fù)材料與工藝, 檢修的策略是在計劃性檢修的基礎(chǔ)上結(jié)合狀態(tài)檢修來安排, 但檢修周期的確定要科學(xué), 根據(jù)電站的泥沙特點及磨蝕規(guī)律, 通過觀測, 繪制磨蝕強(qiáng)度與運行時間的曲線, 掌握磨蝕規(guī)律, 確定最佳檢修時間。例如三門峽水電站的舊機(jī)組, 就是采取定期檢修和經(jīng)濟(jì)修復(fù)的方法,34 年為一個大修周期, 表面保護(hù)采取環(huán)氧金剛砂涂層、不銹鋼堆焊的一般材料與工藝。對于新電廠,尤其是設(shè)備水平較高的機(jī)組, 則應(yīng)積極采用狀態(tài)檢修方式, 并采取精密修復(fù)的原則。例如三門峽水電站改造后的1號機(jī)就采用了密集檢修、葉片保型修復(fù)的精密修復(fù)方法, 每年的汛前、汛后均進(jìn)行小修, 及時

13、補(bǔ)焊磨蝕坑, 修補(bǔ)損傷的表面防護(hù)層, 甚至采用碳化鎢現(xiàn)場噴涂的方法, 進(jìn)行葉片、中環(huán)的修復(fù), 使葉片等主要過流部件保持在設(shè)計狀態(tài)。(4)要進(jìn)行機(jī)組檢修的質(zhì)量監(jiān)控, 堅持應(yīng)修必修、修必修好的原則。這是多泥沙電站機(jī)組磨蝕部件修復(fù)的基本原則, 是減輕磨蝕損失和延長機(jī)組壽命的基礎(chǔ)。對于大中型水電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)合理大修周期, 過流部件產(chǎn)生磨蝕后, 磨損與空化的聯(lián)合作用將更加突出, 加劇磨蝕的惡性發(fā)展, 應(yīng)及時結(jié)合中小修, 把刮痕、麻點及時補(bǔ)平, 并打磨光滑, 延緩破壞強(qiáng)度, 減少磨損積累。水輪機(jī)磨蝕修復(fù)中, 葉片修復(fù)既是關(guān)鍵又是難點, 磨蝕嚴(yán)重的葉片, 往往出現(xiàn)大面積母材損傷, 焊接中的變形很大, 如果不進(jìn)

14、行控制, 就會使修復(fù)后的葉片與原葉片有很大誤差, 出現(xiàn)翹角、扭曲變形等, 有的機(jī)組焊接后扭曲變形量達(dá)3050 mm, 矯正非常困難。因此, 合理的焊接工藝流程、溫度控制、樣板矯正、表面打磨等都是非常重要的。影響磨蝕修復(fù)水平的因素包括磨蝕檢測技術(shù)、檢修策略、檢修工具與設(shè)備、檢修人員技術(shù)水平、檢修管理系統(tǒng)等。成立檢修專門組織、建立專業(yè)檢修機(jī)構(gòu)是必要的。(5)采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備是提高磨蝕修復(fù)效率與水平的重要措施。例如, 采用WC - HVOF(超音速火焰碳化鎢噴涂)修復(fù)過流部件涂層、機(jī)器人焊接修復(fù)、葉片三維測量等技術(shù)與設(shè)備, 可以使磨損修復(fù)的效率與精度大大提高。解決水輪機(jī)檢修中的疑難問題。三門峽電站采用活動裙邊是值得推廣的經(jīng)驗, 是解決葉片外緣、裙邊的磨蝕及修復(fù)的成功方法。碳化鎢現(xiàn)場噴涂技術(shù)的成功實施具有重要意義。2006年1號機(jī)葉片與中環(huán)的碳化鎢涂層修復(fù)第一次采用現(xiàn)場修復(fù), 這對于解決脫落硬涂層的修復(fù)起關(guān)鍵作用。若能將噴涂設(shè)備小型化, 將更加有利于熱噴涂技術(shù)的推廣。4 結(jié)語水電站的狀態(tài)檢修在我國剛剛起步, 它需要新的技術(shù)和新的管理理念作支撐。多泥沙河流水電站的狀態(tài)檢修比一般電站更加復(fù)雜, 實施狀態(tài)檢修首先要更新觀念, 用先進(jìn)的管理理論指導(dǎo)狀態(tài)檢修的推廣。需要綜合運用水力機(jī)械