文曉涵

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 概 述

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

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，加權平均水頭48.15m?？傃b機容量50 MW，保證出力4.23 MW，設計多年平均發(fā)電量1.693 9億kW·h，年利用小時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配、懸移質(zhì)泥沙樣本顆粒級配和礦物成分見表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%，對水庫防沙及機組磨蝕極為不利。因此采取可行的泥沙解決方案對本水電站工程至關重要。

2 泥沙問題解決方案

泥沙問題大致分為兩個大的方面，一是從源頭上采取工程措施，減少過機泥沙；二是機組采取一定的抗磨蝕措施，延長運行時間。

從源頭解決泥沙問題大致分為兩個大的方面，一是減少入庫的泥沙；二是在機組進水口設防沙排沙措施。

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

3 抗磨蝕措施

3.1 磨蝕原理

根據(jù)經(jīng)驗研究，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) （與泥沙級配、形狀、硬度有關）；

ρ——過機平均含沙量（kg/m3）；

n——含沙量系數(shù)（n=0.4～1.0）；

W——水流相對速度（m/s）；

T——運行時間（h）；

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

以上公式表明：磨損與水流相對流速的2～3次方成正比。

在泥沙磨損中，大量試驗表明，泥沙顆粒對過流部件的影響，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重。對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°角時顆粒的切削作用最大。綜上所述，水輪機過流部件抗磨蝕應綜合考慮泥沙粒徑、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以外，還應盡量選擇合適的水流角度以避免水流的垂直沖擊，并且盡量避免機組在泥沙高峰期運行；另外還需要盡量降低過流斷面的相對流速，按多泥沙河流水電站設計規(guī)范，水輪機相對流速應不大于45m/s。

3.2 水輪機選型

3.2.1 選型原則

鑒于該電站所在河流泥沙含量大，水輪機應選用空化性能優(yōu)秀、穩(wěn)定性高的轉輪；不追求過高的能量指標，適當降低轉速，采用大比尺的水輪機設計方案，以降低水輪機過流部件中的水流速度，減小泥沙對水輪機過流部件的損害；選擇適當?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應大于1.6倍，使電站在任何可能的運行工況下都不發(fā)生空化現(xiàn)象，考慮到該電站泥沙情況嚴峻，因此選K1=1.8。同時應保證水輪機盡量在較優(yōu)的工況區(qū)運行，以改善流態(tài)，減輕磨蝕。

3.2.2 初設水輪機參數(shù)選擇

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

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

表4 水輪機參數(shù)對比表

目前，國內(nèi)水頭相近的幾個電站參數(shù)見表5。

表5 同類電站參數(shù)統(tǒng)計表

塔日勒嘎水電站按常規(guī)清水條件下，轉輪直徑可為1.95m，額定轉速為272.7 r/min，額定工況比轉速272m.kW，比速系數(shù)1 807，接近皂市電站的參數(shù)水平。考慮到該水電站所在河流上已建電站水輪機過流部件磨蝕嚴重的情況，水輪機參數(shù)選擇時應進一步降低比轉速，以降低轉輪葉片表面的相對流速，而選擇方案Ⅲ。此方案參數(shù)略低于喀什一級電站水輪機參數(shù)。

3.2.3 最終水輪機參數(shù)的確定

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

對于塔日勒嘎水電站，主機廠家計算真機工況如表6。表中H——凈水頭；

Q110——單位流量；

Q——過機流量；

η——水輪機原型效率；

Nr——水輪機出力；

σm——模型空化系數(shù)；

W——轉輪葉片表面相對流速。

表6 HLA1015-LJ-235各工況計算表

計算數(shù)據(jù)表明，轉輪葉片表面相對流速最大值為6.526m/s，遠小于45m/s的要求。

3.3 機組安裝高程的確定

由于空蝕與泥沙磨損有著不同的機理，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行電站的實際情況，確定機組的安裝高程為2 196.00 m，實際吸出高度為-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）過流部件結構優(yōu)化。

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

（2）水輪機過流部件選擇抗磨蝕性能優(yōu)良的材料。

轉輪（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完全相似，并利于保證轉輪組裝的精度和質(zhì)量；導葉采用不銹鋼材料，如06Cr16Ni5Mo，采用電渣熔焊鑄造，同時保證導葉翼型與模型機導葉翼型完全一致；底環(huán)、頂蓋上的抗磨板，止漏環(huán)采用不銹鋼材料。

（3）水輪機過流部件噴涂。

對轉輪止漏環(huán)、轉輪進、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，以減緩泥沙對水輪機過流部件的磨蝕。我們對新疆地區(qū)電站考察，水輪機過流部件采取噴涂措施加水工方面設置排沙漏斗，水輪機的使用壽命由（3 000～4 000）h提高到（7 000～9 000）h。

（4）提高水輪機過流部件的加工精度。

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

（5）增加水輪機過流部件的備品備件。

除常規(guī)的備品備件外，本電站另配備一臺套水輪機轉輪和導水機構 （不包括控制環(huán)）、底環(huán)抗磨板、頂蓋抗磨板、活動導葉等，在結構上應保證備品備件的通用性。

4 結 語

塔日勒嘎水電站是湖南省水利水電勘測設計研究總院首次介入多泥沙河流水電站項目的設計，因此從技術上進行了大量細致的工作，以期有效地減少泥沙對機組的磨蝕損壞。但多泥沙問題對于水電站建設來說是仍一個世界性的難題，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，電站機組已安裝完畢，即將于7月底發(fā)電運行，機組的抗磨蝕性能將在實際投運過程中得到驗證。

[1]劉光宇，吳偉章.水輪機磨蝕的綜合治理[A].水機磨蝕研究與實踐50年[C].中國水利水電出版社，2005：105-116.

[2]郭中興，張祿勛，王志高，我國水利機械抗泥沙磨損的試驗研究[A].水機磨蝕研究與實踐50年[C].中國水利水電出版社，2005：89-104.

[3]嚴秉丁，J.P.Sungauer.萬家寨水電站水輪機抗磨措施[A].水機磨蝕研究與實踐50年[C].中國水利水電出版社，2005：522-529.

[4]上官永紅，湯永明，劉會閏.新疆紅山嘴一級水電站水輪機抗泥沙磨損研究 [A].水輪機抗磨蝕技術研討會論文集[C].甘肅省水力發(fā)電工程學會，2006.

[5]余江成，吳劍.HVOF涂層材料的抗磨蝕特性與應用分析[A].水機磨蝕研究與實踐50年[C].中國水利水電出版社，2005：446-451.