蘇艷意

摘? 要：我國(guó)河流泥沙較多，并且汛期泥沙泛濫，泥沙問(wèn)題對(duì)于水電站來(lái)說(shuō)十分普遍，它會(huì)對(duì)電站設(shè)備造成損害，腐蝕水輪機(jī)關(guān)鍵部件，大大降低了工作效率，對(duì)電站的平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重威脅。所以這便需要工作人員對(duì)機(jī)組構(gòu)件抗泥沙磨損運(yùn)行的安全性、可靠性等進(jìn)行全面分析，合理選擇水輪機(jī)的型號(hào)及參數(shù)，并采取有效的治理措施?；诖?，本文對(duì)多泥沙水電站水輪機(jī)的選型和水力設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并提出了相關(guān)選擇方案和水力設(shè)計(jì)措施，希望可以為相關(guān)行業(yè)工作者提供借鑒。

關(guān)鍵詞：泥沙? 水輪機(jī)? 選型? 水力設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TV738 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2020）07（a）-0096-03

Abstract： There is a lot of sediment in rivers of our country， and the sediment overflows in flood season. The sediment problem is very common for hydropower stations. It will cause damage to the power station equipment， corrode the key parts of hydraulic turbines， greatly reduce the working efficiency， and pose a serious threat to the stable operation of the power station. Therefore， it is necessary for the staff to conduct a comprehensive analysis on the safety and reliability of the anti sediment wear operation of the unit components， reasonably select the model and parameters of the turbine， and take effective control measures. Based on this， this paper analyzes the type selection and hydraulic design of the water turbine of the multi sediment hydropower station， and puts forward the relevant selection scheme and hydraulic design measures， hoping to provide reference for the relevant industry workers.

Key Words： Sediment; Water turbine; Model selection; Water conservancy design

泥沙致使水輪機(jī)過(guò)流構(gòu)件受到嚴(yán)重的損害，大大影響了機(jī)組的工作效率、可利用率和穩(wěn)定性，不僅造成了電能的損失又增加了維修維護(hù)的成本，對(duì)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重的影響。近些年來(lái)。因?yàn)楦髁饔蛏嫌嗡恋谋３譅顩r得到了較大的改善，并且相關(guān)部門對(duì)于水輪機(jī)防腐蝕的重視度和研究也在不斷加強(qiáng)，水輪機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理水平都得到了穩(wěn)步提升。但是磨蝕機(jī)理具有一定的復(fù)雜性，并且短期內(nèi)我國(guó)河流泥沙治理工作得不到突破性進(jìn)展，電站的穩(wěn)步發(fā)展受到了嚴(yán)重阻礙。并且設(shè)計(jì)人員對(duì)于水輪機(jī)抗泥沙的設(shè)計(jì)規(guī)范性不足，致使水輪機(jī)泥沙磨蝕問(wèn)題仍然普遍存在[1]。基于此，本文從水輪機(jī)選型和水力設(shè)計(jì)出發(fā)，提出相關(guān)可行性措施。

1? 水輪機(jī)選型

1.1 基本要求

對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行選擇前首先要對(duì)水電站的特點(diǎn)進(jìn)行分析，主要分析內(nèi)容有水能特點(diǎn)、水文條件、地質(zhì)條件、工程地質(zhì)、電力系統(tǒng)、樞紐設(shè)置等，在幾個(gè)可能實(shí)施的方案中選擇最優(yōu)方案[2]。第一，要確保在設(shè)計(jì)水頭下水輪機(jī)能夠發(fā)出額定出力，如果低于設(shè)計(jì)水頭時(shí)機(jī)組的受阻容量盡量要小。第二，應(yīng)與水電站水頭的變化情況及電站運(yùn)行方法相結(jié)合，進(jìn)而選擇最為適合機(jī)型和參數(shù)，有效提高電站的運(yùn)行效率。第三，要確保水輪機(jī)的構(gòu)造和性能與電站水質(zhì)的要求相符，運(yùn)行要具有穩(wěn)定性和靈活性，并且具備一定的抗空化性能。對(duì)于多泥沙河流上的水電站，水輪機(jī)的參數(shù)和過(guò)流構(gòu)件的質(zhì)量應(yīng)確保其具有較好的抗輻射性能。第四，要確保機(jī)組結(jié)構(gòu)的合理性，一些容易磨損的構(gòu)件可以更換，并且要確保更換的便利性，為維修維護(hù)提供便捷。第五，落實(shí)好機(jī)組生產(chǎn)供貨工作，并且技術(shù)水平應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和生產(chǎn)水平。第六，要對(duì)機(jī)組大型、重型構(gòu)件的運(yùn)輸進(jìn)行全面考慮。第七，選擇多泥沙高水頭電站水輪機(jī)，應(yīng)對(duì)泥沙特性等因素進(jìn)行分析，科學(xué)選擇水輪機(jī)的型號(hào)和工作參數(shù)，以有效減少泥沙磨損帶來(lái)的損害。

1.2 機(jī)型

通常情況下，水輪機(jī)構(gòu)件的磨蝕量越大，那么其含沙水流相對(duì)速度的三次方便更高，二者呈正相關(guān)關(guān)系。為了有效降低腐蝕程度，在多泥沙電站水輪機(jī)的選擇環(huán)節(jié)應(yīng)盡量選擇相對(duì)速度較低的類型。例如燈泡貫流式水輪機(jī)的最大應(yīng)用水頭在25m以上，在部分電站的最大應(yīng)用水頭僅在13～15m，但應(yīng)對(duì)機(jī)組停機(jī)狀況進(jìn)行考慮，濃度較高的含沙水中的泥沙可能會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)輪形成堵塞，所以選擇了軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組。三門峽電站的最大水頭為52m，工程前期使用了軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組，電站飽受泥沙的危害。但是在擴(kuò)機(jī)工程中選擇了P045型混流式水輪機(jī)，效果得到了顯著提升。一般情況下，水頭>300～400m的多泥沙電站應(yīng)該使用腐蝕相對(duì)較輕、維修便利的水斗式水輪機(jī)，雖然可能一次性投資成本較大，但是其具有較長(zhǎng)的腐蝕壽命，并且維修維護(hù)相對(duì)便利，具有較高的低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)效率，如果考慮長(zhǎng)期運(yùn)行是優(yōu)先選擇[3]。

1.3 額定轉(zhuǎn)速

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的最大相對(duì)流速與其額定轉(zhuǎn)速關(guān)系密切，后者對(duì)前者具有決定性作用。多泥沙電站對(duì)于額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇的過(guò)程中，首先要對(duì)轉(zhuǎn)輪口位置的圓周速度進(jìn)行考慮，要求其小于38～30m/s。導(dǎo)葉位置的相對(duì)速度不受到額定速度的影響，所以額定轉(zhuǎn)速對(duì)于高水頭混流式水輪機(jī)有效降低轉(zhuǎn)輪出口流速并沒(méi)有任何作用，導(dǎo)葉位置才是腐蝕的關(guān)鍵。

1.4 比轉(zhuǎn)速

多泥沙電站選擇水輪機(jī)時(shí)，應(yīng)該選擇比轉(zhuǎn)速相對(duì)較低的水輪機(jī)，不僅能夠有效減緩相對(duì)速度，還能夠在一定意義上增加水輪機(jī)的尺寸，進(jìn)而有效增強(qiáng)構(gòu)件的耐磨性能。某電站的最高應(yīng)用水頭為65m，其比轉(zhuǎn)速為182mkW，比轉(zhuǎn)系數(shù)k為1354.5，另外某電站的最高應(yīng)用水頭為142m，比轉(zhuǎn)速為161.3mkW，比轉(zhuǎn)系數(shù)k為1718.4。相較于水頭相同的清水電站，這兩個(gè)電站水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速明顯更低，但是運(yùn)行效果確切，獲得效益更大。

1.5 吸出高度

我國(guó)目前在混水試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)進(jìn)行了多項(xiàng)關(guān)于水輪機(jī)清、混水性能的比較實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知水輪機(jī)的運(yùn)行效率、運(yùn)轉(zhuǎn)情況和壓力脈動(dòng)幾乎不會(huì)受到挾沙水流的任何影響，但是其對(duì)初生空化有一定影響，二者呈正相關(guān)關(guān)系。挾沙含量的增加會(huì)導(dǎo)致初生空化系數(shù)的不斷加大。所以，在對(duì)多泥沙電站吸出高度進(jìn)行確定時(shí)應(yīng)保持相對(duì)安全裕度。通常情況下水電站水輪機(jī)的初生空化安全系數(shù)可以選擇1.00～1.05，多泥沙電站應(yīng)適當(dāng)增加至1.10～1.15。

2? 水力設(shè)計(jì)

2.1 水力設(shè)計(jì)幾何參數(shù)選擇

2.1.1 蝸殼

蝸殼內(nèi)流速較低，通常腐蝕并不明顯，所以無(wú)需選擇大尺寸。但是應(yīng)保證蝸殼內(nèi)焊縫和尾部尺寸的平整，防止凹凸不平造成局部腐蝕。

2.1.2 導(dǎo)葉

轉(zhuǎn)輪外部的雙環(huán)列葉柵由導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉組成，這一位置水流相對(duì)速度等于絕對(duì)速度，并且從入口處逐層增加，在出口處達(dá)到最高值，如果流速過(guò)高則會(huì)對(duì)該位置造成腐蝕。所以應(yīng)放大導(dǎo)葉布置圓直徑，增加導(dǎo)葉相對(duì)高度，使用負(fù)曲率翼型。選擇較多的導(dǎo)葉數(shù)，確保固定導(dǎo)葉和導(dǎo)葉數(shù)量相同，這樣便可以確保水流均勻穩(wěn)定，并且過(guò)多的導(dǎo)葉能夠有效降低流速。

2.1.3 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵構(gòu)件，如果磨損嚴(yán)重勢(shì)必會(huì)對(duì)水輪機(jī)的使用性能造成影響。應(yīng)根據(jù)選擇的額定轉(zhuǎn)速和比轉(zhuǎn)速，對(duì)單位轉(zhuǎn)速和單位流量進(jìn)行合理組合。逐漸改變轉(zhuǎn)輪流道斷面面積，增加葉片數(shù)或者可以將流速平穩(wěn)的副葉片應(yīng)用于高水頭混流式轉(zhuǎn)輪上。增大葉片包角、葉片長(zhǎng)度和葉片面積，確保葉片型線的平直。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行全面分析，確保流道內(nèi)速度場(chǎng)的均勻平穩(wěn)穩(wěn)步，最大化降低混流式轉(zhuǎn)輪下的流速和葉片之間的渦流。

2.2 水力性能優(yōu)化

第一，對(duì)葉片進(jìn)口空化性能進(jìn)行改善。第二，多泥沙河流的泥沙、水庫(kù)放水沖沙、排沙多出現(xiàn)于汛期。為了提高防洪庫(kù)容，延長(zhǎng)水庫(kù)的應(yīng)用時(shí)間，汛期可將庫(kù)水位降至最低高程附近運(yùn)轉(zhuǎn)。這時(shí)河流流量較大，水輪機(jī)需要在低水頭、流量較大的區(qū)域工作。所以進(jìn)行水力設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)水流的流態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，將渦流和二次流降至最低。

3? 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)多泥沙水電站水輪機(jī)的選型和水力設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。對(duì)于多泥沙水電站來(lái)說(shuō)，選擇合適的水輪機(jī)對(duì)于防泥沙磨損具有重要作用，所以在進(jìn)行選擇時(shí)應(yīng)對(duì)其空蝕性能和運(yùn)行情況進(jìn)行詳細(xì)分析。在選型過(guò)程中，選擇模型轉(zhuǎn)輪應(yīng)保證水力性能，水流過(guò)機(jī)的相對(duì)流速較低，這樣才能有效降低泥沙對(duì)水輪機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件造成的損害。并且通過(guò)水力設(shè)計(jì)能夠有效減少腐蝕帶來(lái)的損害，延長(zhǎng)水輪機(jī)的使用壽命，確保水輪機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。

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