【摘要】新疆塔尕克一級(jí)水電站位于新疆天山腳下，受氣候、地理?xiàng)l件影響，新建電站雨季面臨大量沖刷水流攜帶的泥沙破壞，冬季引水渠道結(jié)冰面臨冰凌的破壞，本文主要從土建設(shè)計(jì)、機(jī)組選型、等角度介紹了這方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】塔尕克一級(jí)水電站；水輪機(jī)；泥沙；沉沙池；機(jī)組選型；輔機(jī)系統(tǒng)；排冰閘及撈冰機(jī)

引言

本電站雖然裝機(jī)容量不大，但由于工程所在的阿克蘇地區(qū)位于新疆南疆，位于天山腳下，氣候四季分明，電站為長(zhǎng)距離引水式電站，汛期由于雨水大面積沖刷，加以庫(kù)瑪拉克河兩岸植被較差，故河水水質(zhì)較差，泥沙含量高，河水中小草雜物多，渠前實(shí)測(cè)含沙量達(dá)到20kg/m3，電站汛期運(yùn)行必須減少過(guò)機(jī)含沙量，否則無(wú)法保證電站機(jī)組的安全運(yùn)行，所以需考慮機(jī)組發(fā)電用水的沉沙處理，冬季庫(kù)瑪拉克河冰凌多，進(jìn)入引水渠后，渠道發(fā)生冰凍，取水口冰凌堆積，影響機(jī)組引水發(fā)電且形成重大安全隱患，故電站取水口要考慮撈冰和排冰問題。如何解決以上問題也是本工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1、渠首設(shè)置沉沙池，降低機(jī)組過(guò)機(jī)含沙量，解決汛期機(jī)組運(yùn)行問題

汛期電站發(fā)電用水過(guò)機(jī)含沙量較高，渠首實(shí)測(cè)最大含沙量達(dá)20kg/m3且含有大量推移質(zhì)，主要成分：石英：45%、方解石：40%、鐵質(zhì)：3-5%，綠泥石：2%，故本工程在引水渠進(jìn)口處修建沉沙池進(jìn)行沉沙處理，減少電站機(jī)組過(guò)機(jī)含沙量，減少機(jī)組磨損破壞。

本電站采用圓中環(huán)沉砂池布置，“圓中環(huán)”沉沙池軸線與總干渠軸線夾角為0°，從總干渠樁號(hào)4+000后引水至“圓中環(huán)”沉沙池，洪水期發(fā)電用水經(jīng)“圓中環(huán)”溢流側(cè)堰及周邊匯流渠道將發(fā)電用水引入下游渠道，泥沙由排沙廊道排入天然河道，沉砂池沖洗時(shí)部分發(fā)電用水通過(guò)“圓中環(huán)”溢流堰及匯水渠接入下游渠道。“圓中環(huán)沉沙池”由進(jìn)水渠、進(jìn)水閘及進(jìn)水涵洞、“圓中環(huán)”室、排沙廊道、匯水渠等組成。

“圓中環(huán)“為D=100m的圓形斷面，中部由進(jìn)水涵洞出水口經(jīng)i=1/6斜坡接“圓中環(huán)”周邊的排沙渠，排沙渠底寬8m，采用i=1/72的底坡接排沙閘，排沙閘位于環(huán)流出水閘下部，排沙閘孔口尺寸8×4m（寬×高），閘長(zhǎng)3.0m。排沙廊道接排沙閘，斷面尺寸8×4m（寬×高），可將“圓中環(huán)”中沉積的泥沙排入下游天然河道。

2、優(yōu)化電站機(jī)組選型和產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)組選型。在電站機(jī)組選型比較中考慮了泥沙含量較高的因素，力爭(zhēng)保證機(jī)組效率不低于同水平機(jī)組，保證良好的氣蝕性能的前提下，適當(dāng)降低機(jī)組轉(zhuǎn)速，選用較低比轉(zhuǎn)速機(jī)組，模型轉(zhuǎn)輪選用哈電為公伯峽電站機(jī)組設(shè)計(jì)且真機(jī)運(yùn)行抗磨效果良好的的A801模型轉(zhuǎn)輪。

按國(guó)內(nèi)不同比轉(zhuǎn)速計(jì)算公式計(jì)算出塔尕克一級(jí)水電站水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns在213.3-249.4m-kW之間，相應(yīng)的比速系數(shù)K=1835-2145。

機(jī)組選型推薦的比轉(zhuǎn)速為：額定點(diǎn)比轉(zhuǎn)速220m-kW，所選定轉(zhuǎn)輪的圓周速度為33.8m/s，轉(zhuǎn)輪出口相對(duì)速度為10.3m/s，絕對(duì)流速35.3m/s，據(jù)國(guó)內(nèi)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)的研究表明：當(dāng)含沙量大于12kg/m3時(shí)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪圓周速度宜小于34m/s，轉(zhuǎn)輪相對(duì)流速宜小于12m/s，葉片出口絕對(duì)流速宜小于36m/s，本電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪參數(shù)在抗磨蝕允許的范圍內(nèi)。

2.2 機(jī)組設(shè)計(jì)。針對(duì)混流式水輪機(jī)的過(guò)流部位，分析其流態(tài)和泥沙運(yùn)行軌跡及破壞成因，應(yīng)改善水輪機(jī)過(guò)流部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝及質(zhì)量、材料選用，提高抗泥沙磨損的能力，主要采取以下措施：第一，適當(dāng)增大導(dǎo)葉節(jié)圓直徑，降低導(dǎo)葉區(qū)間流速，減少磨損破壞。第二，固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉的數(shù)量及相互位置進(jìn)行合理的匹配，大范圍適應(yīng)和減小水流對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉表面的沖擊，防止這一區(qū)域的二次回流。第三，提高轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料適應(yīng)檔次，保證核心部件的抗磨水平。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用鋼板模壓焊接結(jié)構(gòu)。葉片采用精煉不銹鋼板OCr13Ni4MO模壓、采用五軸數(shù)控加工，上冠與下環(huán)采用VOD精煉不銹鋼工藝鑄造，采用數(shù)控加工。第四，底環(huán)與轉(zhuǎn)輪下環(huán)進(jìn)口結(jié)合位置采用“蓋帽”結(jié)構(gòu)，即底環(huán)過(guò)流面將轉(zhuǎn)輪下環(huán)平面遮蓋住，避免間隙汽蝕和泥沙進(jìn)入下環(huán)間隙和直接沖擊下環(huán)平面與間隙帶來(lái)的破壞，該結(jié)構(gòu)在我國(guó)新疆等多泥沙電站的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)中廣泛采用，起到了很好的使用效果。第五，轉(zhuǎn)輪上冠間隙密封后采用泵板結(jié)構(gòu)，保證降低進(jìn)入主軸密封的水質(zhì)含沙量和漏水量，做到正常運(yùn)行基本無(wú)漏水，且為在密封位置的主軸設(shè)置不銹鋼護(hù)套，可做到對(duì)主軸和密封沒有破壞；對(duì)頂蓋應(yīng)用有限元分析，確保頂蓋剛度，保證導(dǎo)葉端面間隙可靠，以減小間隙汽蝕破壞和泥沙磨損。第六，在機(jī)組過(guò)流部件選材方面，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、抗磨板等主要過(guò)流部件采用抗氣蝕、磨損性能好和焊接性能好的OCr13Ni4MO不銹鋼制做，活動(dòng)導(dǎo)葉端面及密封面鋪焊OCr13Ni4MO不銹鋼。第七，提高制造工藝質(zhì)量，重點(diǎn)監(jiān)控過(guò)流部件表面焊縫質(zhì)量和加工粗糙度，防止局部汽蝕產(chǎn)生，減少磨損破壞。

3、電站取水口設(shè)置排冰閘及撈冰機(jī)，保證電站冬季正常發(fā)電安全運(yùn)行

冬季大量冰凌進(jìn)入電站取水口，電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)安裝撈冰機(jī)進(jìn)行撈冰處理，電站進(jìn)水口左側(cè)設(shè)計(jì)排冰閘進(jìn)行排冰處理，防止電站進(jìn)水口冰凍淤積，影響機(jī)組發(fā)電和進(jìn)水口冰凍破壞。

4、結(jié)論

塔尕克一級(jí)水電站兩臺(tái)機(jī)組分別于2008年3月31日和4月8日投入商業(yè)運(yùn)行至今已運(yùn)行近7年，以上技術(shù)設(shè)計(jì)方案解決了大量泥沙和冰凌進(jìn)入水輪發(fā)電機(jī)組的問題，從而減少了泥沙和冰凌對(duì)機(jī)組的破壞，保證了水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)方案是成功的。