洪振國

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 云南 昆明 650021)

1 研究背景

我國對(duì)水輪機(jī)泥沙磨蝕問題的研究已有50多年歷史，早在20世紀(jì)50年代，在修建北京官廳水庫和黃河三門峽等水利樞紐工程以及1956年編制國家12年科技發(fā)展規(guī)劃時(shí)，就提出水輪機(jī)泥沙磨損的問題[1-2]。經(jīng)過幾代科技工作者研究與實(shí)踐，目前已經(jīng)在減緩水輪機(jī)泥沙磨損方面取得了不少成果，但是影響水輪機(jī)泥沙磨損的重要因素泥沙最小危害粒徑選擇十分復(fù)雜，尚未取得突破性進(jìn)展，泥沙最小危害粒徑選擇標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)沒有強(qiáng)制規(guī)定，所以關(guān)于泥沙最小危害粒徑選擇的許多問題還有待深入研究。本文先對(duì)影響水輪機(jī)磨損的主要因素全面系統(tǒng)分析，說明目前國內(nèi)水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇方法不夠準(zhǔn)確，在補(bǔ)充設(shè)計(jì)水頭、水中泥沙含量、水流相對(duì)流速等水沙因子綜合因素修正基礎(chǔ)上，通過各種泥沙最小危害粒徑的沉沙池投資和水輪機(jī)磨損維修費(fèi)分析，進(jìn)行泥沙最小危害粒徑選擇，論述此方法選擇泥沙最小危害粒徑的合理性。并通過麻子河一級(jí)水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇應(yīng)用，進(jìn)一步論述充補(bǔ)水沙因子綜合因素修正選擇泥沙最小危害粒徑方法具有經(jīng)濟(jì)合理特點(diǎn)。

2 影響水輪機(jī)磨損的主要因素

2.1 河流含沙量與水輪機(jī)磨損的關(guān)系

將黃河鹽鍋峽與江西柘林水電進(jìn)行比較，這二個(gè)電站均裝置HL-123-LH-410型低水頭轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)，但是處于不同的含沙量河流上，運(yùn)行數(shù)年后，表現(xiàn)出水輪機(jī)破壞特征明顯不同。鹽鍋峽1#水輪機(jī)通過二年半后運(yùn)行，葉片表面發(fā)現(xiàn)大量的溝槽、魚鱗坑、蜂窩[3]，水輪機(jī)效率降低約2%～5%，每?jī)赡晷枰笮抟淮危看魏挠貌讳P鋼條約1 t;而江西柘林水電站雖與鹽鍋峽水電站水輪機(jī)型相同，但是該水電站位于低含沙量河流上，水輪機(jī)破極其輕微，1#機(jī)運(yùn)行兩年半后檢查時(shí)，僅發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪有兩個(gè)葉片下部靠出水邊外海錦狀氣蝕破壞，蝕坑深僅3 mm。這表明：相同型號(hào)水輪機(jī)在不同的含沙量下運(yùn)行時(shí)，其破壞特征差異很大，含沙量大則水輪機(jī)磨損較為嚴(yán)重，而含沙量小則水輪機(jī)僅發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

2.2 泥沙粒徑與磨損關(guān)系

文獻(xiàn)[4]資料表明：當(dāng)泥沙粒徑d在0．1～0．5 mm之間時(shí)， 水輪機(jī)磨損強(qiáng)度極大，當(dāng)泥沙粒徑d在0.05～0.1 mm之間時(shí)，水輪機(jī)磨損強(qiáng)度較大，泥沙粒徑d<0.05 mm時(shí)，水輪機(jī)磨損強(qiáng)度較小。這說明：不同的泥沙粒徑下在同一水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過較小泥沙粒徑水輪機(jī)磨損較小，較大泥沙粒徑對(duì)水輪機(jī)磨損較為嚴(yán)重。

2.3 設(shè)計(jì)水頭與磨損關(guān)系

同樣處于黃河上游的相同含沙量水流條件，劉家峽電站由于設(shè)計(jì)水頭較高，水輪機(jī)因磨損與氣蝕的相互作用，使導(dǎo)葉出水邊嚴(yán)重缺損呈鋸齒狀，上下抗磨板破壞處可深達(dá)20 mm左右，并多次發(fā)生漏水而無法開啟工作閘門；而相比之下，八盤峽、青銅峽水電站由于設(shè)計(jì)水頭較低，雖然轉(zhuǎn)輪區(qū)域已遭嚴(yán)重破壞，但導(dǎo)葉破壞卻相對(duì)輕微。這表明:在相同含沙量水流條件下，設(shè)計(jì)水頭越高、磨損破壞越嚴(yán)重。

2.4 水輪機(jī)制造工藝水平與磨損關(guān)系

黃河八盤峽水電站同時(shí)安裝瑞士進(jìn)口機(jī)輪機(jī)及國產(chǎn)水機(jī)輪機(jī)兩種。運(yùn)行十幾年來，兩種水輪機(jī)的磨損情況不同，瑞士水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪底環(huán)、葉片、轉(zhuǎn)輪室由不銹鋼整鑄制造，葉片翼型的制造誤差很小，表面光潔度很高，運(yùn)行4年多尚未進(jìn)行過大修，而國產(chǎn)水輪機(jī)運(yùn)行7 709 h后停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)葉片背面有些部位破壞深度平均達(dá)到5 mm左右，局部破壞深度達(dá)到10 mm，4#機(jī)葉片背面進(jìn)水邊有一凹，竟深達(dá)15.5 mm。因此當(dāng)水輪機(jī)部件的制造水平和材料質(zhì)量較好時(shí), 水輪機(jī)磨損較少。

2.5 水流相對(duì)流速與磨損關(guān)系

泥沙設(shè)計(jì)手冊(cè)[4]中水流相對(duì)流速與磨損量的關(guān)系式為：

W=KV3Sd0.65T

(1)

式中：K為0．558×10-9；W為磨損量，cm；V為水流相對(duì)流速，m/s；Sd為水流含沙量，kg/m3；T為磨損歷時(shí),h。

這表明: 在相同含沙量、磨損歷時(shí)條件下，水流相對(duì)流速越大, 水輪機(jī)磨損破壞越嚴(yán)重。

3 國內(nèi)水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇

國內(nèi)《水利水電工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑根據(jù)水電站設(shè)計(jì)水頭確定，水電站設(shè)計(jì)水頭在300～600 m之間時(shí)，泥沙最小危害粒徑取0.1 mm；水電站設(shè)計(jì)水頭在100～400 m之間時(shí)，泥沙最小危害粒徑取0.25 mm；當(dāng)水電站設(shè)計(jì)水頭小于100 m時(shí)，泥沙最小危害粒徑取0.35 mm。

在文獻(xiàn)[4]等資料中的泥沙危害粒徑選取標(biāo)準(zhǔn)：特高水頭水電站泥沙最小危害粒徑d=0.05～0.1 mm；中水頭水電站泥沙最小危害粒徑d=0.2～0.4 mm；低水頭水電站泥沙最小危害粒徑d=0.4～0.5 mm。

4 水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇修正

4.1 水沙因子綜合因素對(duì)泥沙最小危害粒徑選擇修正

在分析影響水輪機(jī)磨損的主要因素基礎(chǔ)上，目前國內(nèi)水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇僅與設(shè)計(jì)水頭有關(guān)理論是不夠準(zhǔn)確，需要進(jìn)行水沙因子綜合因素修正。根據(jù)國內(nèi)外試驗(yàn)研究，水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇與通過水輪機(jī)平均含沙量和水流相對(duì)流速、水輪機(jī)制造材料的耐磨系數(shù)和磨損量、水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間等因素有關(guān)，采用如下公式表示[6-8]：

(2)

式中:β與泥沙粒徑大小等因素有關(guān)磨損能力綜合系數(shù)；δ為輪機(jī)的磨損量，即水輪機(jī)過流部位的平均磨損深度，mm；s為通過水輪機(jī)水流的平均含沙量，kg/m3；ε與水輪機(jī)材質(zhì)、加工光潔度、磨損量大小等因素有關(guān)的材料耐磨系數(shù)；t為水輪機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，h；w為通過水輪機(jī)水流相對(duì)流速，m/s。

4.2 水輪機(jī)磨損維修費(fèi)用對(duì)泥沙最小危害粒徑選擇修正

水電站沉沙池的泥沙最小危害粒徑選擇在考慮水沙因子綜合因素基礎(chǔ)上，根據(jù)水電站運(yùn)行和地質(zhì)地形等條件選定沉沙池結(jié)構(gòu)布置，按沉沙池結(jié)構(gòu)布置計(jì)算得到沉沙池工程量和投資，參考已建大量運(yùn)行的水電站各種泥沙最小危害粒徑水輪機(jī)磨損維修費(fèi)情況，推導(dǎo)出泥沙最小危害粒徑的水輪機(jī)磨損維修費(fèi)，然后根據(jù)沉沙池投資和水輪機(jī)磨損維修費(fèi)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較后確定泥沙最小危害粒徑。

5 水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇應(yīng)用

5.1 工程概況

麻子河一級(jí)水電站位于云南省金平縣紅河南岸一級(jí)支流麻子河河段，電站引水口設(shè)在麻子河與沙依坡河交匯處下游約4.5 km處，經(jīng)1 457.504 m長(zhǎng)的引水隧洞和約265.5 m長(zhǎng)的壓力引水管道引至沙依坡河右岸地面廠房，是以發(fā)電為單一任務(wù)、徑流式開發(fā)的低水頭電站。

麻子河一級(jí)水電站裝機(jī)容量2×3.6 MW，設(shè)計(jì)引用流量6.24 m3/s，設(shè)計(jì)水頭137.1 m。主要建筑物由取水口、沉沙池、引水隧洞、調(diào)壓井、管道、廠房組成，主要建筑物按5級(jí)設(shè)計(jì)，次要建筑物按5級(jí)設(shè)計(jì)[9-12]。沉沙池為定期沖沙沉沙池，總長(zhǎng)70 m，由上游聯(lián)接段、工作段、下游聯(lián)接段3個(gè)部分構(gòu)成[12-15]。沉沙池首部為上游聯(lián)接段，長(zhǎng)7 m(樁號(hào)為0+000～0+007.00 m)，寬度由2 m漸變到5.4 m，深4.7～5.7 m，邊墻厚度為500 mm，底板厚800 mm，底板高程由917.50 m降至916.50 m，池頂高程922.20 m，底坡i=14%。沉沙池工作段長(zhǎng)56.50 m(樁號(hào)0+007.000～0+063.500 m)，長(zhǎng)56.50 m，寬5.4 m，深5.05～6.18 m，邊墻厚度為500 mm，底板厚800 mm，池頂高程921.55 m，底坡為2%，以便將沉積在池底的泥沙引入沖沙廊道沖沙。下游聯(lián)接段樁號(hào)為0+063.50～0+070.000 m，正向沖沙，正向進(jìn)水，沖沙底板高程915.37 m。沖沙廊道斷面尺寸為1 m×1 m，設(shè)一道1 m×1 m平板沖沙閘門，沖沙廊道底坡i=1%。

5.2 以水沙因子綜合因素選擇泥沙最小危害粒徑

水電站的沉沙池泥沙危害最小粒徑選擇考慮水沙因子綜合因素，包括水電站設(shè)計(jì)水頭、通過水輪機(jī)含沙量和水流相對(duì)流速、水輪機(jī)的磨損量等因素[16-18]，每一個(gè)水電站的沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇都不可能與另一個(gè)水電站完全相同，但是可以通過大量水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑的對(duì)比分析，判斷麻子河一級(jí)水電站的沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇的合理性。

表1為白濟(jì)汛、綠電溏、吉岔、格登、六和、燕子崖等12個(gè)水電站水沙因子綜合因素。

從水電站泥沙水沙因子綜合因素表1可知：白濟(jì)汛、綠電溏、吉岔、格登、六和、燕子崖等12個(gè)水電站的設(shè)計(jì)水頭范圍為86～950 m，含沙量范圍0.0074～1.59 kg/m3，水流相對(duì)流速范圍2.517～5.77 0m/s ,泥沙最小危害粒徑范圍0.01～0.35 mm。由于麻子河一級(jí)水電站設(shè)計(jì)水頭為137.1 m，含沙量0.12 kg/m3，水流相對(duì)流速3.9 m/s，泥沙最小危害最小粒徑0.25 m等水沙因子綜合因素在白濟(jì)汛、綠電溏、吉岔、格登、六和、燕子崖等12個(gè)水電站范圍內(nèi)，因此說明沉沙池泥沙危最小害粒徑選擇是合理的。

5.3 以綜合費(fèi)用選擇泥沙最小危害粒徑

泥沙危害最小粒徑0.25 mm時(shí)，泥沙沉降速度取0.0244 m/s，通過計(jì)算沉沙池工作段長(zhǎng)56.5 m，上游聯(lián)接段寬度由2 m漸變到5.4m，工作段寬度5 mm。泥沙危害最小粒徑0.1 mm時(shí)，泥沙沉降速度取0.00612 m/s，通過計(jì)算沉沙池總長(zhǎng)178 m，上游聯(lián)接段寬度由2 m漸變到5.4 m，工作段寬度5.4 mm。泥沙危害最小粒徑0.2 mm時(shí)，泥沙沉降速度取0.0179 m/s，通過計(jì)算沉沙池總長(zhǎng)75 m，上游聯(lián)接段寬度由2 m漸變到5.4 m，工作段寬度5.4 mm。泥沙危害最小粒徑0.3 mm時(shí)，泥沙沉降速度取0.0308 m/s，通過計(jì)算沉沙池工作段長(zhǎng)45 m，上游聯(lián)接段寬度由2 m漸變到5.4 m，工作段寬度5.4 mm。危害最小粒徑0.35 mm時(shí)，泥沙沉降速度取0.045 m/s，通過計(jì)算沉沙池工作段長(zhǎng)31 m，上游聯(lián)接段寬度由2 m漸變到5.4 m，工作段寬度5.4 mm。根據(jù)上述的各種泥沙最小危害粒徑相應(yīng)的沉沙池結(jié)構(gòu)尺寸，得到各種泥沙最小危害粒徑沉沙池工程量見表2 。

表1 水電站水沙因子綜合因素

表2 不同泥沙最小危害粒徑沉沙池工程量

由表2可知，當(dāng)泥沙最小危害粒徑為0.1 mm時(shí)，沉沙池工程最大；泥沙最小危害粒徑為0.35 mm時(shí)，沉沙池工程最小。泥沙最小危害粒徑越小沉沙池工程量越大。

根據(jù)各種泥沙最小危害粒徑沉沙池工程量計(jì)算得到相應(yīng)的沉沙池投資，參考已建大量運(yùn)行的水電站各種泥沙最小危害粒徑水輪機(jī)磨損維修費(fèi)情況，推導(dǎo)出泥沙最小危害粒徑的水輪機(jī)磨損維修費(fèi)，各種泥沙最小危害粒徑沉沙池投資和水輪機(jī)磨損維修費(fèi)見表3，根據(jù)各種泥沙最小危害粒徑的沉沙池投資和水輪機(jī)磨損維修費(fèi)表3繪制圖1～2。

表3 各種泥沙最小危害粒徑沉沙池投資

圖1 沉沙池投資與泥沙最小危害粒徑關(guān)系 圖2 水輪機(jī)磨損維修費(fèi)與最小危害粒徑關(guān)系

從上表3可知：泥沙最小危害粒徑越小沉沙池投資越大，水輪機(jī)磨損維修費(fèi)越小，泥沙最小危害粒徑0.25 mm沉沙池時(shí)，沉沙池投資與水輪機(jī)磨損維修費(fèi)合計(jì)費(fèi)用僅為517.0×104元，費(fèi)用最少；沉沙池投資與泥沙最小危害粒徑關(guān)系圖1中泥沙最小危害粒徑0.25～0.35 mm曲線平緩，斜率較小，沉沙池投資變化率不大，泥沙最小危害粒徑0.1～0.25 mm曲線較陡，斜率較大，沉沙池投資變化率較大，當(dāng)泥沙最小危害粒徑0.25 mm時(shí)，沉沙池投資變化率出現(xiàn)拐點(diǎn)；水輪機(jī)磨損維修費(fèi)與泥沙最小危害粒徑關(guān)系圖2中0.1～0.25 mm曲線平緩，斜率較小，水輪機(jī)磨損維修費(fèi)變化率不大，泥沙最小危害粒徑0.25～0.35 mm曲線較陡，斜率較大，水輪機(jī)磨損維修費(fèi)變化率較大，當(dāng)泥沙最小危害粒徑為0.25 mm時(shí)，水輪機(jī)磨損維修費(fèi)變化率出現(xiàn)拐點(diǎn)。因此沉沙池泥沙最小危害粒選擇0.25 mm是合理的，補(bǔ)充水沙因子綜合因素修正選擇泥沙最小危害粒徑方法可行的。

6 結(jié) 論

(1)通過影響水輪機(jī)磨損的主要因素分析，得知水電站沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇與通過水輪機(jī)水流的平均含沙量和相對(duì)流速、水輪機(jī)制造材料的耐磨系數(shù)和磨損量、水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間等因素有關(guān)。

(2)由于麻子河一級(jí)水電站的設(shè)計(jì)水頭、水中泥沙含量、水流相對(duì)流速等水沙因子綜合因素在合理的范圍內(nèi)，因此說明泥沙危最小害粒徑選擇是合理的。

(3)根據(jù)不同泥沙最小危害粒徑的沉沙池工程量計(jì)算比較，得到最小危害粒徑越小沉沙池工程量越大，同時(shí)通過不同泥沙最小危害粒徑相對(duì)應(yīng)的沉沙池投資和水輪機(jī)磨損維修費(fèi)分析，結(jié)果表明泥沙最小危害粒徑越小沉沙池投資越大，水輪機(jī)磨損維修費(fèi)越小，當(dāng)泥沙最小危害粒徑選擇0.25 mm時(shí)，沉沙池投資與水輪機(jī)磨損維修費(fèi)合計(jì)費(fèi)用僅為517.0×104元，費(fèi)用最少。因此沉沙池泥沙最小危害粒徑選擇0.25 mm是合理的，充補(bǔ)水沙因子綜合因素修正選擇泥沙最小危害粒徑的方法可行。

(4)通過麻子河一級(jí)水電站十多年運(yùn)行，水輪機(jī)磨損極其輕微，沒有進(jìn)行過一次較大檢修，減少了水輪機(jī)磨損維修費(fèi)，因此在補(bǔ)充設(shè)計(jì)水頭、水流泥沙含量、水流相對(duì)流速等水沙因子綜合因素修正基礎(chǔ)上，通過不同泥沙最小危害粒徑的沉沙池投資和水輪機(jī)磨損維修費(fèi)分析，進(jìn)行泥沙最小危害粒徑選擇的方法具有經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)點(diǎn)，此方法進(jìn)一步推廣應(yīng)用，將會(huì)取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。