新疆克孜河流域塔日勒嘎水電站水輪機(jī)抗泥沙磨蝕解決方案

文曉涵

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

1 概 述

新疆克孜勒蘇河中游河段水電梯級(jí)規(guī)劃為2庫6級(jí)開發(fā)方案。塔日勒嘎水電站為克孜河規(guī)劃2庫6級(jí)開發(fā)方案中的第二個(gè)梯級(jí)。

1.1 電站參數(shù)

塔日勒嘎水電站正常蓄水位2 250.00m，最大水頭53m，最小水頭40m，額定水頭44m，加權(quán)平均水頭48.15m?？傃b機(jī)容量50 MW，保證出力4.23 MW，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量1.693 9億kW·h，年利用小時(shí)3 388 h。

1.2 泥沙特性

克孜河在克語中為“紅水河”的意思，塔日勒嘎壩址控制集雨面積10 381 km2，多年平均流量60 m3/s，多年平均懸移質(zhì)含沙量6.2 kg/m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙量1 174萬t，多年平均推移質(zhì)輸沙量117.4 萬 t。

塔日勒嘎水電站壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙率、多年平均含沙量及泥沙顆粒級(jí)配、懸移質(zhì)泥沙樣本顆粒級(jí)配和礦物成分見表1～表3。

表1 壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙率、多年平均含沙量 kg/m3

表2 泥沙顆粒級(jí)配

表3 泥沙礦物成分

由上表可知，克孜河多年平均含沙量非常大，泥沙硬度高、顆粒粒徑大，棱角分明，石英質(zhì)含量約為66.9%，對(duì)水庫防沙及機(jī)組磨蝕極為不利。因此采取可行的泥沙解決方案對(duì)本水電站工程至關(guān)重要。

2 泥沙問題解決方案

泥沙問題大致分為兩個(gè)大的方面，一是從源頭上采取工程措施，減少過機(jī)泥沙；二是機(jī)組采取一定的抗磨蝕措施，延長運(yùn)行時(shí)間。

從源頭解決泥沙問題大致分為兩個(gè)大的方面，一是減少入庫的泥沙；二是在機(jī)組進(jìn)水口設(shè)防沙排沙措施。

本電站通過在樞紐布置、水庫調(diào)度等方案，并采取在發(fā)電洞前設(shè)置攔沙坎、沖沙廊道及透水導(dǎo)沙墻等措施，過機(jī)泥沙含量有所減少，發(fā)電洞泥沙顆粒級(jí)配有所降低，但仍不能完全解決過機(jī)泥沙含量大的問題，因此還需要從機(jī)組自身著手，并采取相應(yīng)的抗磨措施，最大程度減少泥沙對(duì)水輪機(jī)過流部件的損害，延長機(jī)組運(yùn)行年限。

3 抗磨蝕措施

3.1 磨蝕原理

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)研究，泥沙磨損量可以用以下公式表示：

式中 δ——磨損平均深度（mm）；

ξ——材料的耐磨系數(shù)；

κ——材料表面粗糙度影響系數(shù)；

β——泥沙磨損能力系數(shù) （與泥沙級(jí)配、形狀、硬度有關(guān)）；

ρ——過機(jī)平均含沙量（kg/m3）；

n——含沙量系數(shù)（n=0.4～1.0）；

W——水流相對(duì)速度（m/s）；

T——運(yùn)行時(shí)間（h）；

m——磨損速度指數(shù)（平面磨損時(shí)m=2～2.32，沖擊磨損時(shí) m=2.3～3.0）。

以上公式表明：磨損與水流相對(duì)流速的2～3次方成正比。

在泥沙磨損中，大量試驗(yàn)表明，泥沙顆粒對(duì)過流部件的影響，可粗略確定粒徑臨界值為d＞0.025 mm，超過臨界值粒徑越大磨損越嚴(yán)重。對(duì)于泥沙顆粒打擊角度，一般在垂直于過流部件表面的情況下打擊力度最大，而在與過流部件表面成45°角時(shí)顆粒的切削作用最大。綜上所述，水輪機(jī)過流部件抗磨蝕應(yīng)綜合考慮泥沙粒徑、水流過流角度以及水流流速等因素。除了從源頭上采取工程措施盡量減小粗沙過機(jī)以外，還應(yīng)盡量選擇合適的水流角度以避免水流的垂直沖擊，并且盡量避免機(jī)組在泥沙高峰期運(yùn)行；另外還需要盡量降低過流斷面的相對(duì)流速，按多泥沙河流水電站設(shè)計(jì)規(guī)范，水輪機(jī)相對(duì)流速應(yīng)不大于45m/s。

3.2 水輪機(jī)選型

3.2.1 選型原則

鑒于該電站所在河流泥沙含量大，水輪機(jī)應(yīng)選用空化性能優(yōu)秀、穩(wěn)定性高的轉(zhuǎn)輪；不追求過高的能量指標(biāo)，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，采用大比尺的水輪機(jī)設(shè)計(jì)方案，以降低水輪機(jī)過流部件中的水流速度，減小泥沙對(duì)水輪機(jī)過流部件的損害；選擇適當(dāng)?shù)陌惭b高程，確保足夠的空化安全余量，電站裝置空化系數(shù)與初生空化系數(shù)的比值K1應(yīng)大于1.6倍，使電站在任何可能的運(yùn)行工況下都不發(fā)生空化現(xiàn)象，考慮到該電站泥沙情況嚴(yán)峻，因此選K1=1.8。同時(shí)應(yīng)保證水輪機(jī)盡量在較優(yōu)的工況區(qū)運(yùn)行，以改善流態(tài)，減輕磨蝕。

3.2.2 初設(shè)水輪機(jī)參數(shù)選擇

該電站總裝機(jī)容量50MW，經(jīng)綜合比較確定裝機(jī)4臺(tái)，單機(jī)容量12.5MW。根據(jù)電站水頭選用混流式水輪機(jī)。

初設(shè)階段，通過選用不同轉(zhuǎn)輪直徑及轉(zhuǎn)速找出適合該電站的水輪機(jī)參數(shù)，將選用不同直徑、不同額定轉(zhuǎn)速方案的水輪機(jī)主要參數(shù)列于表4。

表4 水輪機(jī)參數(shù)對(duì)比表

目前，國內(nèi)水頭相近的幾個(gè)電站參數(shù)見表5。

表5 同類電站參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

塔日勒嘎水電站按常規(guī)清水條件下，轉(zhuǎn)輪直徑可為1.95m，額定轉(zhuǎn)速為272.7 r/min，額定工況比轉(zhuǎn)速272m.kW，比速系數(shù)1 807，接近皂市電站的參數(shù)水平?？紤]到該水電站所在河流上已建電站水輪機(jī)過流部件磨蝕嚴(yán)重的情況，水輪機(jī)參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)進(jìn)一步降低比轉(zhuǎn)速，以降低轉(zhuǎn)輪葉片表面的相對(duì)流速，而選擇方案Ⅲ。此方案參數(shù)略低于喀什一級(jí)電站水輪機(jī)參數(shù)。

3.2.3 最終水輪機(jī)參數(shù)的確定

在主機(jī)招投標(biāo)階段，經(jīng)專家評(píng)審，最終選擇了哈爾濱電機(jī)廠研發(fā)的HLA1015轉(zhuǎn)輪，該轉(zhuǎn)輪已成功運(yùn)用于向家壩水電站，是專門針對(duì)多泥沙河流水電站開發(fā)的新型高效轉(zhuǎn)輪；轉(zhuǎn)輪參數(shù)為：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為2.35m，額定轉(zhuǎn)速為214.3 r/min，額定工況比轉(zhuǎn)速214m.kW，比速系數(shù)1 420。最終參數(shù)比初設(shè)方案更保守。

對(duì)于塔日勒嘎水電站，主機(jī)廠家計(jì)算真機(jī)工況如表6。表中H——凈水頭；

Q110——單位流量；

Q——過機(jī)流量；

η——水輪機(jī)原型效率；

Nr——水輪機(jī)出力；

σm——模型空化系數(shù)；

W——轉(zhuǎn)輪葉片表面相對(duì)流速。

表6 HLA1015-LJ-235各工況計(jì)算表

計(jì)算數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)輪葉片表面相對(duì)流速最大值為6.526m/s，遠(yuǎn)小于45m/s的要求。

3.3 機(jī)組安裝高程的確定

由于空蝕與泥沙磨損有著不同的機(jī)理，在同一工況下含沙水流與清水相比有可能使空化提前，為避免空化與泥沙磨蝕的聯(lián)合作用，結(jié)合廠家給出的最小吸出高度H s=1.8m，在參考同河流上已運(yùn)行電站的實(shí)際情況，確定機(jī)組的安裝高程為2 196.00 m，實(shí)際吸出高度為-0.2 m，具有足夠的空化安全裕量。

3.4 過流部件抗磨蝕措施

（1）過流部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

應(yīng)考慮過流部件的水流更順暢通過，經(jīng)與主機(jī)廠討論，決定蝸殼座環(huán)采用蝶形邊結(jié)構(gòu)并同時(shí)優(yōu)化固定導(dǎo)葉及安放角；活動(dòng)導(dǎo)葉上下端采用大圓盤結(jié)構(gòu)，以減少導(dǎo)葉內(nèi)外側(cè)差壓作用下的間隙流動(dòng)；減小活動(dòng)導(dǎo)葉端面間隙，并在導(dǎo)葉上、下軸增加一道Yx型密封圈。

（2）水輪機(jī)過流部件選擇抗磨蝕性能優(yōu)良的材料。

轉(zhuǎn)輪（包括葉片、上冠、下環(huán)和泄水錐）采用不銹鋼材料，如 06Cr16Ni5Mo，Cr16NiMo，經(jīng) VOD 精煉鑄造，葉片葉型及坡口均在數(shù)控龍門銑上加工，從而保證葉片型線與模型機(jī)完全相似，并利于保證轉(zhuǎn)輪組裝的精度和質(zhì)量；導(dǎo)葉采用不銹鋼材料，如06Cr16Ni5Mo，采用電渣熔焊鑄造，同時(shí)保證導(dǎo)葉翼型與模型機(jī)導(dǎo)葉翼型完全一致；底環(huán)、頂蓋上的抗磨板，止漏環(huán)采用不銹鋼材料。

（3）水輪機(jī)過流部件噴涂。

對(duì)轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)、轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出水邊，頂蓋、底環(huán)止漏環(huán)內(nèi)外表面，底環(huán)、頂蓋上下抗磨板等部位采用超音速噴涂碳化鎢等耐磨蝕材料，以減緩泥沙對(duì)水輪機(jī)過流部件的磨蝕。我們對(duì)新疆地區(qū)電站考察，水輪機(jī)過流部件采取噴涂措施加水工方面設(shè)置排沙漏斗，水輪機(jī)的使用壽命由（3 000～4 000）h提高到（7 000～9 000）h。

（4）提高水輪機(jī)過流部件的加工精度。

過流部件特別是轉(zhuǎn)輪部件的光潔度也是提高抗磨蝕能力的有力武器，葉片、導(dǎo)葉均采用五坐標(biāo)數(shù)控龍門銑床加工，確保型線和光潔度。

（5）增加水輪機(jī)過流部件的備品備件。

除常規(guī)的備品備件外，本電站另配備一臺(tái)套水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機(jī)構(gòu) （不包括控制環(huán)）、底環(huán)抗磨板、頂蓋抗磨板、活動(dòng)導(dǎo)葉等，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)保證備品備件的通用性。

4 結(jié) 語

塔日勒嘎水電站是湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院首次介入多泥沙河流水電站項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，因此從技術(shù)上進(jìn)行了大量細(xì)致的工作，以期有效地減少泥沙對(duì)機(jī)組的磨蝕損壞。但多泥沙問題對(duì)于水電站建設(shè)來說是仍一個(gè)世界性的難題，因此需要綜合更多方面的因素，最終形成一套行之有效的方法，最大限度地解決泥沙磨損的問題。目前，電站機(jī)組已安裝完畢，即將于7月底發(fā)電運(yùn)行，機(jī)組的抗磨蝕性能將在實(shí)際投運(yùn)過程中得到驗(yàn)證。

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