小浪底水利枢纽建设中的重要技术创新(1)程力(3)
2014-01-15 01:20
导读：八、水轮机抗磨蚀技术 小浪底水电站共装设6台混流式水轮发电机组，总装机容量180万KW。主要技术参数：运行水头68~141m，转轮直径6.356m，额定转速107.1r
八、水轮机抗磨蚀技术
小浪底水电站共装设6台混流式水轮发电机组，总装机容量180万KW。主要技术参数：运行水头68~141m，转轮直径6.356m，额定转速107.1rpm，额定水头112m，额定出力306MW。
小浪底水电站在电力系统中承担调峰、调频及负荷备用任务。基于黄河的水沙特点和水库运行要求，具有过机含沙量高和运行水头变幅大的特点，正常运用期汛期过机含沙量为68.6kg/m3，中值粒径d50为0.021mm。因而水轮机抗磨蚀问题成为小浪底水电站的关键性技术问题之一。
通过总结黄河干流已建水电站运行经验教训和长期的汛期运行试验及科研设计论证，采取了以下综合性技术措施，以期增强水轮机的抗磨蚀性能，保证汛期发电机组安全运行。
① 优化水工布置，减少过机沙量。
小浪底总库容126.5亿m3，其中予留拦沙库容75.5亿m3。水流中的粗粒径泥沙沉积库中，至坝前形成异重流。在发电引水洞下部布置了3条排沙洞，适时冲沙，可降低过机沙量30%~50%。在发电洞旁侧还布置了孔板泄洪洞，汛期可冲排进水口附近泥沙，从而大大改善水轮机汛期运行条件。
② 优化性能参数。
流道含沙水流相对流速是形成泥沙磨蚀的重要因素，为适当降低比转速，选用107.1rpm较低的额定转速，从而把比转速降至161m.kw，这样可控制转轮内流速不超过38m/s。为有效限制空蚀，适当降低吸出高程，尽量做到流道中流速均匀。考虑到汛期平均水头为95~107m，确定设计水头为110m。
③ 改善部件结构，减轻泥沙损害。
在设计中放大导叶分布圆直径和导叶高度以降低平均流速，装设筒阀以减少漏水冲磨等，从而尽可能减轻含沙水流对水轮机的磨损。
④ 采用优质材料。
整体转轮，上、下抗磨板，导叶等均使用抗空蚀性能良好的不锈钢制造；转轮叶片采用钢板热压成型、数控机床加工、工地组装整件出厂的制造工艺，大大提高了转轮叶片与模型的相似性；在安装中采用座环现场加工工艺
（科教范文网 fw.nseac.com编辑发布） ⑤ 涂敷防护材料。
在较低流速区，如座环和尾水锥管入口处，采用聚氨脂材料防护。表面硬度为90（肖氏硬度），表面光洁度为Ra3.2，材料耐磨指数2.27（不锈钢为1）。在高流速区，包括导叶、上下抗磨板、止漏环、转轮等部件，用碳化钨钴材料、高速火焰喷涂工艺（HVOF），在部件加工后进行，形成物理性结合。表面硬度70~75HRC，光洁度为Ra3.2~6.4，材料耐磨指数为5。
采用上述措施，制造厂承诺在运行8000h的保证期内，水轮机转轮磨蚀可控制在50kg以下，大修间隔三年。目前，小浪底首台机组已投入运行，水轮机各项防磨蚀措施正在受到检验。
九、金属结构设备新技术新材料的应用
小浪底水利枢纽工程金属结构设备主要分布在进水塔、孔板洞中闸室、排沙洞出口闸室、地下厂房、尾闸室、防淤闸和溢洪道等处，总工程量约3.26万吨。
小浪底工程金属结构设备数量大、品种多、承受水头高、结构型式多样、运行条件恶劣、操作程序复杂、质量要求严格，为满足枢纽安全运行的需要，在设计和制造上采用了很多国内国际领先的技术和新材料，部分设备的技术参数在国内处于领先地位。
① 孔板衬套材料
作为安装在孔板泄洪洞孔板环内圆锐缘处的金属防护体---孔板衬套，其材质要求具有较强的抗高速含沙水流磨蚀性能、抗杂物冲击性能及长期在水和潮湿环境中的抗腐蚀性能，以保证孔板环孔口尺寸的长期稳定。此设计选用抗磨白口铸铁（又名高铬铸铁，牌号KmTBCr26，GB8263-87），其铸态硬度HRC=50~58，并要求有一定的强度和韧性，衬套的铸造和加工难度很大。
② 大吨位高扬程卷扬启闭机的折线绳槽卷筒
孔板泄洪洞和明流洞事故闸门共安装了10台5000KN固定卷扬启闭机进行闸门的启闭。启闭机名义起升高度90米，单吊点，起升速度2米/秒，卷筒直径3.056米，是目前我国同类启闭机中卷筒容绳量、卷筒直径和启闭力均为最大的高扬程固定卷扬启闭机。
（转载自http://www.ＮＳＥＡＣ.com中国科教评价网）
由于受孔板泄洪洞一洞双孔的体形和水力学条件的限制，进水塔顶闸孔宽度较小（最小为3.5米），在启闭机的设计上采用了带有折线绳槽的同轴单联双卷筒双层缠绕的技术方案，并采用了阶梯型垫环代替传统的排绳机构。
排沙洞事故闸门6台2500KN固定卷扬启闭机和塔顶2台4000KN门机的卷筒也采用了折线绳槽结构。在同一工程中如此大规模地应用折线绳槽结构在国内尚属首次。其中5000KN固定卷扬启闭机由于设计技术先进、布置合理，在98年8月河南省机械电子工业厅主持的新产品鉴定会上，确认为"该产品在同类启闭机中达到了国际先进水平"。
③ 低合金高强钢闸门
小浪底工程共有三条导流洞，先后利用3扇平面闸门进行孔口的封堵。其中2#、3#导流洞封堵闸门孔口尺寸为12′14.5米，设计水头72.5米，门叶外形尺寸1.978′13.84′15.2米（厚′宽′高），闸门总重287.7吨，闸门总水压力128000KN，目前是国内平面闸门中承受总水压力最大的。
在高水头作用下，该闸门如果采用普通钢材制造，体积和重量将相当庞大，根本无法满足工程实际要求。由于受闸孔尺寸限制，为减小闸门结构尺寸，提高闸门的整体刚度和稳定性，在国内大型水工闸门的制造上首次采用了WH60D低合金高强钢。
④ 闸门可控止水型式
小浪底工程排沙洞和孔板洞事故闸门水头分别为100.17米和100米，高水头闸门的封水橡皮止水要求的压缩量很大，启闭过程中磨损也较大，加上小浪底水库多泥沙的影响，如采用一般的止水形式，目前国内止水材料的强度、弹性、耐磨性已不能满足工程运行要求。
经过综合对比和研究，并借鉴其它水利工程的经验，设计采用了一种短压板无伸缩间隙的"山"字型上游止水，在低水头情况下靠自身的预压量进行止水，在高水头情况下利用进水塔顶部清水池、调节泵阀和输水软管等清水循环系统通过闸门上的柱塞式换向充水阀在止水橡皮的背面形成压力腔，通过控制止水橡皮的膨胀以达到止水的目的。这种结构型式的止水在国内水利水电工程中尚属首次应用，同时也为在多泥沙河流上平面闸门采用充压式止水装置进行了尝试。
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为了确保闸门在高水头下的止水效果，在进水塔顶还增加了一套全自动增压系统，以消除温度变化、橡胶性能差异和止水尺寸偏差的影响。
⑤ 单个轮压最大的事故闸门定轮
小浪底工程所有事故闸门均采用了定轮式支承方式，共有定轮288套，定轮轮辋采用锻制合金钢材料42CrMo和34CrNi3Mo，经整体淬火后整体硬度HB390~HB410。定轮支承的最大特点是承载力大，阻力小，轨道受力均匀，符合小浪底工程多泥沙和高水头的特点，且结构简单，维修方便。其中2#明流洞事故闸门单个定轮单重3.4吨，直径1.00米，轮压为4130吨，是目前国内水利水电工程中采用的承载能力最大的定轮。
十、地下厂房大型岩壁吊车梁及桥机负荷试验
地下厂房岩壁吊车梁长220m，宽1.85m，高2.53m，采用两排15m长，500KN予应力错杆锚固在上下游岩壁上，其下部没有其他支撑。岩壁吊车梁设计承受两台500t桥机的吊重荷载，是目前我国承载能力最大的岩壁吊车梁。按技术规范要求，应进行桥机负荷试验，通过试验，正好也可检验岩壁吊车梁的施工质量。
试验于1998年12月中下旬进行。用予先制作的两个钢结构吊笼装钢锭作为荷载。试验包括空载、75%、100%、110%额定负荷的单、双机、静动载试验和其中一台机的125%额定负荷静载试验。最大双机静动荷载为1100t，最大单机静荷载为625t。是我国迄今为止对桥机进行的最大负荷试验。
试验测试结果如下：
桥机主梁最大挠度：24mm（
岩壁梁加载前后上下游收敛变形差值均<1mm（设计要求≤4mm）。
岩壁梁加载前后下沉值均<1mm（设计无要求）。
岩壁梁加载前后与岩面之间侧缝计读数之差，最大0.02mm（设计要求≤0.08mm）。
岩壁梁予应力锚杆测力计和钢筋计读数都远小于设计限值。
（科教论文网 lw.NsEac.com编辑整理） 不仅测值均较小，且桥机离开监测断面后，测值均基本复原，呈弹性变形趋势。
负荷试验有力地说明了小浪底地下厂房桥机性能良好，岩壁吊车梁施工质量优良，永久运行安全可靠。
十一、其他新技术、新方法、新材料的应用
除前面介绍的以外，小浪底工程施工中还采用了以下新技术、新方法、新材料：
① 隧洞裂缝及渗水处理中采用的新型灌浆材料和方法；
② 利用高压旋喷灌浆进行基础防渗和地基加固处理；
③ 利用GPS进行大坝变形测量；
④ 预埋FUKO灌浆管对压力钢管进行多次重复接触灌浆；
⑤ 中子无损检测技术检查压力钢管外侧回填混凝土脱空情况；
⑥ 70Mpa硅粉砼在泄洪排沙建筑物下游高流速区的普遍使用；
由于篇幅所限，本文不再一一作详细介绍。
注：本文中有关资料来源于黄委设计院、小浪底工程咨询有限公司和小浪底建管局的相关文件和资料。
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