白俊嶺，丁兆亮

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222）

某引水式電站位于我國(guó)西北地區(qū)， 水電站由攔河引水樞紐、引水渠道、壓力前池、壓力管道、電站廠房、 尾水渠等組成。 設(shè)計(jì)引水流量140m3/s， 水頭100.8m，裝機(jī)容量124MW，屬于Ⅲ等中型工程，地震設(shè)防烈度7度。

1 電站概況

水電站位于托什干河左岸， 電站總裝機(jī)容量124MW，單機(jī)容量31MW，設(shè)計(jì)引水流量140m3/s，年利用小時(shí)數(shù)4022h。

1.1 電站水頭

最大凈水頭105.8m；最小凈水頭100.8m；加權(quán)平均凈水頭101.8m；額定水頭100.8m；裝機(jī)臺(tái)數(shù)4臺(tái)。

1.2 水輪機(jī)參數(shù)

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑2.05m；額定轉(zhuǎn)速333.3r/min；額定流量Qr；34.65m3/s；額定出力31.8MW；額定工況點(diǎn)效率93.6%；額定點(diǎn)比轉(zhuǎn)速186.2m-kW；額定點(diǎn)比速系數(shù)1869；空化安全系數(shù)K=1.4。

2 河道泥沙情況

取水河道為多泥沙河流，汛期河水渾濁，含沙量較大，統(tǒng)計(jì)50年實(shí)測(cè)輸沙量資料，干流河道多年平均輸沙量689.74萬(wàn)t，最大年輸沙量2391萬(wàn)t。 多年平均含沙量2.46kg/m3， 年平均含沙量最大6.2kg/m3。6～8三個(gè)月水量占年水量的61%， 沙量占年沙量的77%。 日平均最大含沙量17.7kg/m3。

據(jù)沙樣顆分成果，懸移質(zhì)泥沙中值粒徑為0.023mm， 顆粒級(jí)配如表1。

表1 懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配

3 沉沙池效果

水電站機(jī)組的正常運(yùn)行， 盡量減輕和緩解泥沙對(duì)機(jī)組的磨蝕，根據(jù)DL/T 5107—1999《水電水利工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范》 及引水含沙量和泥沙粒徑情況需設(shè)置沉沙池。 水電站沉沙池形式為曲線形沉沙池，選定最小沉降粒徑為0.25mm，沉降率為80%～85%。 經(jīng)沉沙池沉淀后，出池水流年平均含沙量為1.72kg/m3，泥沙顆粒中值粒徑小于0.01mm。 出池泥沙懸移質(zhì)級(jí)配如表2。 出池月均含沙量如表3。

表2 出池泥沙懸移質(zhì)級(jí)配

表3 出池月平均含沙量表

續(xù)表3

電站經(jīng)半年運(yùn)行后， 在沉沙池排沙明渠出口和電站5#機(jī)壓力鋼管內(nèi)取沙樣4個(gè)。 因排沙明渠縱坡較大，渠內(nèi)無(wú)泥沙沉積。取樣位置在排沙明渠出口與排洪涵洞直交處的排洪涵洞上游側(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)察看表明，洞內(nèi)的淤積物為沉沙池排出的泥沙， 泥沙中較細(xì)顆粒隨水流排出，并未沉淀下來(lái)，淤積物偏粗。 泥沙沉淀的次序是先粗后細(xì)，受條件限制取樣位置為表層，偏細(xì)。 鋼管取樣為電站5#機(jī)壓力鋼管廠前水平段上、中、下游三個(gè)位置，均為表層沙樣。 各部位沙樣顆粒級(jí)配曲線如圖1。

圖1 沙樣顆粒級(jí)配曲線

4 過(guò)機(jī)泥沙對(duì)水輪機(jī)磨蝕的分析

電站安裝的是混流式水輪機(jī)， 該機(jī)型容易磨損的主要部件有轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉、底環(huán)抗磨板及下止漏環(huán)，其次是頂蓋抗磨板和主軸密封，磨損的關(guān)鍵部位是：①轉(zhuǎn)輪出水邊下部（正面）靠下環(huán)區(qū)、下環(huán)內(nèi)表面下部及葉片根部和下止漏環(huán)， 以及局部的葉片進(jìn)水邊下根部（背面）；②活動(dòng)導(dǎo)葉出水邊及導(dǎo)葉小頭下端面；③底環(huán)抗磨板，多在導(dǎo)葉運(yùn)行位置的大頭內(nèi)側(cè)及小頭下端面區(qū)。

參考我國(guó)一些水電站泥沙資料和水輪機(jī)磨蝕狀況，泥沙粒徑在d<0.05mm時(shí)的相對(duì)磨蝕強(qiáng)度比較小，當(dāng)d>0.05mm時(shí)水輪機(jī)磨蝕就急劇增加， 尤其是0.1～0.5mm粒徑泥沙磨損強(qiáng)度極大，中、高水頭電站應(yīng)排除0.05mm以上顆粒的泥沙， 才能防止水輪機(jī)不正常的磨蝕，電站樞紐的布置及運(yùn)用，應(yīng)考慮減少這種有害粒徑進(jìn)入機(jī)組。

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)多泥沙河流若干水電站水輪機(jī)泥沙磨損情況的統(tǒng)計(jì)分析， 水輪機(jī)磨損的嚴(yán)重程度與電站水頭 （H） 和過(guò)機(jī)泥沙粒徑大于0.05mm的含沙量（Sd）的乘積有關(guān)，當(dāng)HSd>7時(shí)，水輪機(jī)磨蝕較為嚴(yán)重；當(dāng)HSd<7時(shí)，水輪機(jī)磨蝕不嚴(yán)重。

對(duì)國(guó)內(nèi)已建部分電站水輪機(jī)磨損的研究和分析，采用下列經(jīng)驗(yàn)公式估算水輪機(jī)的磨損量。

W=KV3Sd0.65T

式中 W為磨損量（cm）；K為系數(shù)，取0.558×10-9；V為相對(duì)流速（m/s）；T為磨損歷時(shí)（h），取8000h。

估算轉(zhuǎn)輪進(jìn)口磨損量為2.3mm， 出口磨損量為3.5mm。

機(jī)組自3月份開(kāi)始運(yùn)行8個(gè)月停機(jī)檢修， 運(yùn)行時(shí)常約6000h，檢修發(fā)現(xiàn)底環(huán)抗磨板、轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊靠下環(huán)處及轉(zhuǎn)輪葉片背面外沿處、 頂蓋抗磨板局部氣蝕磨損痕跡明顯，局部形成氣蝕磨損坑點(diǎn)，最大深度約3mm，一般1～2mm，基本處于估算范圍，磨蝕情況如圖2，圖3。

圖2 4#機(jī)組葉片背面磨損

圖3 4#機(jī)組葉片進(jìn)水邊磨損

驗(yàn)證可知， 水輪機(jī)磨蝕部位和磨損量與設(shè)計(jì)估算值基本接近。按照現(xiàn)行規(guī)范要求，最小沉降粒徑控制為0.25mm。機(jī)組已完全經(jīng)過(guò)一個(gè)汛期的運(yùn)行，出力沒(méi)有明顯下降，運(yùn)行狀態(tài)良好，汛后并不需要大修，根據(jù)目前機(jī)組的氣蝕磨損和運(yùn)行情況分析， 機(jī)組大修周期可暫定為2～3年。合理安排大修時(shí)間可以保證機(jī)組運(yùn)行安全。

5 優(yōu)化沉沙池方案與水機(jī)抗磨方案的研究

減小水輪機(jī)磨蝕從理論上采用降低過(guò)機(jī)泥沙粒徑和增加水機(jī)抗磨措施、增加備品備件都是可行的，以下分列4個(gè)方案進(jìn)行定性研究。方案一采用優(yōu)化沉沙池，其他方案均不建沉沙池，調(diào)整調(diào)度運(yùn)用方式并增加抗磨措施。

5.1 方案一：優(yōu)化沉沙池方案

若從工程措施上進(jìn)一步降低磨蝕量，按小于7控制，則需要最小沉降粒徑小于0.075mm，沉降率大于85%。

經(jīng)比較，采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、運(yùn)行管理便利的定期沖洗式沉沙池。沉沙池工作段池長(zhǎng)550m，寬200m，工作水深7m，縱坡0.2%，進(jìn)口池深8.3m，出口池深9.4m，池頂寬度231.6 m，進(jìn)口底寬202.5 m，出口底寬200.6 m。 沉沙池共分6廂， 左右堤側(cè)分廂寬度32m，中間分廂寬度34m。進(jìn)口段長(zhǎng)195m，設(shè)進(jìn)口閘一座，進(jìn)口閘共分2孔，每孔凈寬5m。 出口段長(zhǎng)109m，設(shè)出口閘一座，出口段前設(shè)溢流堰一道。沉沙池工作段下游設(shè)沖沙槽一道，沖沙槽穿堤處設(shè)5m×5m沖沙洞。

每次沖洗之前，首先關(guān)閉2孔進(jìn)口閘，打開(kāi)沖沙閘，將沉沙池內(nèi)水位降至廂隔墻以下。

整池共分兩次沖洗，每次同時(shí)沖洗3廂，沖沙流量為40m3/s，一側(cè)3廂沖洗完畢后關(guān)閉進(jìn)口閘門，再打開(kāi)另一道閘門沖洗另外3廂。 單側(cè)沖洗歷時(shí)為28.7h，整池全部沖洗時(shí)間為57.4h，年平均沖洗5～6。 沖洗時(shí)段選在非洪峰過(guò)程泥沙含量相對(duì)較小時(shí)期， 這樣可減少泥沙對(duì)水輪機(jī)的磨損。

該方案一次性投資增加6175萬(wàn)元， 不產(chǎn)生運(yùn)行費(fèi)，效率不降低，不損失電量。

5.2 方案二：2年大修10年更換方案

備品備件包括一個(gè)轉(zhuǎn)輪（包括抗磨涂層）、一套活動(dòng)導(dǎo)葉、一套抗磨板。 措施為轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉均采用碳化鎢抗磨涂層。 運(yùn)行方式：汛期不停機(jī)，大修為2a，第5次大修換轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉、頂蓋及底環(huán)抗磨板。 運(yùn)行期內(nèi)水輪機(jī)因泥沙磨損，降低效率1.5%。

該方案一次性投入520萬(wàn)元， 年運(yùn)行費(fèi)增加448萬(wàn)元，降效損失電量1240萬(wàn)kW·h，無(wú)停機(jī)損失。

5.3 方案三：3年大修15年更換方案

備品備件為一個(gè)轉(zhuǎn)輪（包括抗磨涂層）、一套活動(dòng)導(dǎo)葉、一套抗磨板。 措施為轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉均采用碳化鎢抗磨涂層。 運(yùn)行方式：汛期停機(jī)7d，大修周期為3a，第5次大修換轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉、頂蓋及底環(huán)抗磨板。

該方案一次性投入520萬(wàn)元， 年運(yùn)行費(fèi)增加275萬(wàn)元，停機(jī)損失電量4032萬(wàn)kW·h。

5.4 方案四：2年大修4年更換方案

備品備件：一個(gè)轉(zhuǎn)輪（包括抗磨涂層）、一套活動(dòng)導(dǎo)葉、一套抗磨板。措施：轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉均采用碳化鎢抗磨涂層。 運(yùn)行方式：汛期不停機(jī)，大修周期縮短為2a，第2次大修換轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉及頂蓋抗磨板。 運(yùn)行期內(nèi)水輪機(jī)因泥沙磨損，降低效率1.5%。

該方案一次性投入520萬(wàn)元， 年運(yùn)行費(fèi)增加760萬(wàn)元，降效損失電量1240萬(wàn)kW·h，無(wú)停機(jī)損失。

5.5 方案比較

采取不同的運(yùn)行方案和原方案相比所增加的費(fèi)用如表4。

表4 不設(shè)沉沙四個(gè)方案增加費(fèi)用與設(shè)沉沙池費(fèi)用

由表4可知，定期沖洗式沉池費(fèi)用凈現(xiàn)值差值最小，方案二與方案一基本相當(dāng)，其他兩方案經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。 因方案三停機(jī)7d，損失電量4032萬(wàn)kW·h，按電站上網(wǎng)電價(jià)0.26元/kW·h計(jì)算， 可購(gòu)買3.5個(gè)轉(zhuǎn)輪，這就是目前許多電站汛期不停機(jī)， 汛后采取大修的原因。

根據(jù)上述方案比較及經(jīng)濟(jì)分析， 設(shè)置沉沙池可以基本解決過(guò)機(jī)泥沙的問(wèn)題， 其他方案沒(méi)有理論依據(jù)，均是分析運(yùn)管維護(hù)得出的結(jié)論，可能與實(shí)際上有一定差距。從水電站一個(gè)汛期的運(yùn)行驗(yàn)證來(lái)看，機(jī)組氣蝕磨損不算很嚴(yán)重， 盡管已出現(xiàn)1～3mm的氣蝕坑點(diǎn)，按照方案二運(yùn)行方式測(cè)算，費(fèi)用凈現(xiàn)值差值略有增加，合理確定大修時(shí)間可保證機(jī)組運(yùn)行安全。

6 水輪機(jī)磨蝕的應(yīng)對(duì)措施

應(yīng)對(duì)水輪機(jī)磨蝕一般從以下幾個(gè)方面考慮。

（1）經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后設(shè)置防排沙設(shè)施，盡量減小過(guò)機(jī)泥沙粒徑。

（2）在機(jī)組選型中，通過(guò)機(jī)組參數(shù)選擇比較和優(yōu)化，在控制適當(dāng)?shù)乃啓C(jī)轉(zhuǎn)輪出口流速條件下，合理確定水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)。

（3）合理確定裝機(jī)高程并留有適當(dāng)裕度（在選定的電站裝機(jī)高程再下降1m左右），避免機(jī)組投入運(yùn)行后因空化和磨損聯(lián)合作用而加速水輪機(jī)的磨蝕。

（4）與機(jī)組制造廠家研究相關(guān)優(yōu)化措施，如采用材料并進(jìn)行工藝上的強(qiáng)化處理或涂層保護(hù)， 提高水輪機(jī)過(guò)流部件的加工精度等。

（5）合理確定大修周期，及時(shí)檢修磨蝕部件。

7 結(jié)語(yǔ)

在多泥沙的河流上， 由于空蝕與磨損的聯(lián)合作用，使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及通流部件的損傷都十分嚴(yán)重，往往成為控制水電站檢修周期的一個(gè)重要因素。 如何降低泥沙對(duì)水輪機(jī)的磨蝕并合理確定檢修周期對(duì)電站安全運(yùn)行和增加效益至關(guān)重要。 本文從工程實(shí)例出發(fā)， 從設(shè)計(jì)計(jì)算到運(yùn)行驗(yàn)證闡述了水輪機(jī)磨蝕的影響，為類似工程積累了一定經(jīng)驗(yàn)。目前對(duì)通過(guò)水輪機(jī)泥沙粒徑的限制看法不盡一致， 研究工作也不十分充分，有待于在日后的工作中不斷完善發(fā)展。