楊旭 劉利 張士杰

1 工程概況

蘇基-克納里水電站（以下簡稱SK電站）位于巴基斯坦西北部開伯爾－普赫圖赫瓦?。↘PK）曼瑟拉（Mansehra）地區(qū)的Kunhar河上。工程主要由大壩、引水隧洞、地下廠房和開關站等部分組成。水庫正常水位以下原始庫容為1 037萬m3，原始死庫容為520萬m3，原始調節(jié)庫容為517萬m3。電站為引水式地下廠房，引水隧洞長約22.6 km，設計引水流量114.6 m3/s，最大引水流量為126.06 m3/s。電站總裝機容量884 MW，多年平均發(fā)電量為3 212 GW·h，安裝4臺立軸沖擊式水輪發(fā)電機組。工程任務為發(fā)電，在電力系統(tǒng)中擔任調峰運行。

2 水電站基本參數(shù)

（1）水庫水位：水庫調節(jié)方式為日調節(jié)；水庫最高水位為2 233 m；最低水位為2 223 m。

（2）下游水位：發(fā)電最高尾水位為1 304 m。

（3）電站凈水頭：最大水頭為922.7 m；最小水頭為845.8 m；額定水頭為859.2 m。

（4）發(fā)電引水系統(tǒng)：引水隧洞長約22.6 km，洞徑為6 m，引水隧洞后接調壓井；調壓井后接2條3.5 m直徑的壓力豎井，然后一管兩機進入水輪機。

（5）泥沙情況：電站多年平均入庫含沙量0.18 kg/m3。利用水庫自然沉沙情況下，水庫運行20年時多年平均過機含沙量為55 g/m3，對應的中值粒徑d50約為0.005 2 mm；30年時，多年平均過機含沙量為90 g/m3，對應的中值粒徑d50約為0.009 mm；40年時，多年平均過機含沙量為150 g/m3，對應的中值粒徑d50約為0.014 mm。

中水北方勘測設計研究有限責任公司于2016年在壩址處河流左岸取的河床質沙樣，將泥沙粒徑分級為0.08 mm以下、0.08～0.5 mm以及以上兩級的混合物在中國地質大學進行壩址處河床沉積物樣品的礦物成分測試，成果見表1。由表1可見，砂樣的石英含量與其粒徑大小有關，如粒徑不大于0.08 mm時石英含量為25%，而粒徑大于0.08 mm且小于0.5 mm的砂樣石英含量為32%。

表1 壩址處河床沉積物樣品的礦物成分表 %

3 沖擊式機組泥沙磨損的主要危害

本電站為超高水頭電站，泥沙磨蝕對機組運行危害很大，會嚴重影響機組的發(fā)電效率，磨蝕很嚴重時甚至造成被迫停機。在多泥沙河流中，沖擊式水輪機最易磨損部件集中在噴針、口環(huán)磨損，其次為葉斗磨蝕損壞。以國內某梯級水電站為例，自上而下包括RZH電站、JW電站及DF電站，均裝設單機超過100 MW的沖擊式水輪機，轉輪、噴嘴為國外某公司設計、制造。由于第一級水庫具有年調節(jié)性能、水質較清，各梯級沖擊式水輪機在招標時明確均不噴涂抗磨涂層。實際運行中，JW電站和DF電站采用上級電站尾水為調節(jié)池主水源，并引入河道區(qū)間流量，因此，泥沙主要來源于汛期河道區(qū)間流量；且兩電站投產(chǎn)初期首級水庫并未形成，引用流量采用進水口底格攔柵防沙效果較差，汛期河水中夾雜有較多的泥沙，泥沙順流進入機組導致水斗及轉輪磨損。如圖1、2所示。

圖1 DF電站轉輪水斗磨損情況

4 本電站對泥沙顆粒直徑的敏感性范圍分析

圖2 JW2號機組水斗分水刃前尖端部斷裂圖

根據(jù)國內在黃河及南方多泥沙河流中高水頭水輪機的運行經(jīng)驗，認為泥沙粒徑小于0.05 mm時，泥沙的磨損能力較??；而粒徑大于0.05 mm的泥沙粒徑，尤其是0.1～0.5 mm粒徑的泥沙，磨損強度極大，必須排除；而當水頭很高時，即使顆粒直徑不小于0.05 mm的泥沙，對水輪機通流部件的磨蝕危害也很顯著。有關文獻曾指出，水輪機通流部件泥沙磨蝕嚴重程度與泥沙顆粒直徑大于0.05 mm的含沙量（Sd）及電站運行水頭（H）的乘積（H?Sd）密切相關，并建議以H·Sd≤7 000來控制。按照這一建議，SK電站對顆粒直徑不小于0.05 mm的泥沙含量限制約為8.28 g/m3。

SK電站經(jīng)水庫對泥沙的自然沉降，運行20年沖淤平衡后，出庫泥沙顆粒直徑不小于0.05 mm的泥沙含量見表2。

表2 泥沙顆粒直徑不小于0.05 mm的泥沙含量統(tǒng)計表

也就是說，水庫在運行30年后，必須做好水庫“敞泄排沙”以恢復水庫對泥沙的沉降作用，減少沙顆粒直徑不小于0.05 mm的過機泥沙。

5 本電站水輪機泥沙磨損估算

目前尚無統(tǒng)一的對沖擊式水輪機泥沙磨損的評估公式，這里參考國外某公司開發(fā)的用于不銹鋼轉輪（無抗磨噴涂）估計平均泥沙磨損率的經(jīng)驗公式。其中認為石英（莫氏硬度大于7）的含量和粒徑0.04～0.07 mm的泥沙起到關鍵作用。

式中δ——斗葉內表面平均泥沙磨損率，μm/h；

z0——噴嘴數(shù)；

p——經(jīng)驗常數(shù)，5×10-6；

q——泥沙石英比例莫氏硬度不小于7，%；

c——泥沙含量，g/L；

w——斗葉內的相對流速，m/s；

fd50——泥沙顆粒在0.04～0.07 mm，莫氏硬度不小于7的硬礦物質占總沙重的比例，%。

電站沖擊式水輪機斗葉內表面平均泥沙磨損率估算見表3。

表3 SK電站沖擊式水輪機斗葉內表面平均泥沙磨損率估算表

表3估算的泥沙磨損率只針對水輪機泥沙磨損進行估算，實際運行水輪機磨蝕為泥沙磨損和空蝕綜合作用的結果，情況會比單純磨損嚴重。

6 減輕泥沙磨蝕的措施

6.1 工程措施

經(jīng)論證，SK電站采用“壅水沉沙，敞泄排沙”的運用方式可防止推移質以及懸移質中的粗顆粒（d≥0.1 mm）泥沙進入進水口，使電站過機多年平均含沙量和多年平均粗粒徑含沙量均限定于允許值。

按照這一方式，水庫運行20年后，發(fā)電引水泥沙顆粒直徑在0.05 mm及以上的泥沙仍占有一定含量。電站樞紐采用“壅水沉沙、敞泄排沙”運行方式后，非汛期水庫進行日調節(jié)蓄水發(fā)電，汛期水庫一般在正常蓄水位發(fā)電，多余水量通過底孔排沙運行，當入庫流量大于200 m3/s進行敞泄排沙運行（1年敞泄排沙1 d，其他大于200 m3/s時間正常發(fā)電結合底孔棄水排沙），電站1年停止發(fā)電時間為1 d，以期降低過機含沙量，為水輪機運行創(chuàng)造盡可能好的條件。

6.2 過流部件材料

為解決電站空蝕和泥沙磨損帶來的危害，許多高水頭水電站采用0Cr13Ni4～6Mo以及0Cr16Ni5Mo型不銹鋼作為主要過流部件的母材。這幾種鋼材有很好的耐磨性和耐空蝕性能，以及良好的加工性能。幾種鋼材的化學成分和力學性能見表4、5。

表4 水輪機轉輪常用鋼材化學元素含量 %

表5 水輪機轉輪常用鋼材力學性能

SK水電站水輪機轉輪采用整鍛工藝，因鍛造溫度較難控制，選用的材料要適合大體積或厚鋼板的鍛造，本項目水輪機中標制造商安德里茨公司推薦轉輪、噴針、噴嘴口環(huán)等主要過流部件采用德標EN10088-2005馬氏體不銹鋼X3CrNiMo 13-4，化學成分及力學性能見表6、7。

表6 X3Cr NiMo 13-4不銹鋼化學元素含量 %

表7 水輪機轉輪常用鋼材力學性能

6.3 抗磨涂層

根據(jù)分析預期過機泥沙含量、粒徑、礦物成份和泥沙幾何形狀等因素，主機廠推薦不對轉輪水斗內表面噴涂抗磨層，只對噴針、口環(huán)進行噴涂。噴涂材料使用該公司專有的抗磨材料SXHTM80，涂料通過HVOF（超音速火焰噴涂），熱噴涂工藝沉積在部件表面，噴涂厚度約為0.3 mm。

根據(jù)安德里茨供貨的瑞士Zermatt電站對比，用SXHTM80噴涂的部件，按照不同流速、過機時間、泥沙含量和成分的不同，會比不噴涂的鋼制部件實際使用壽命增加2～7倍。

6.4 其他措施

（1）針對本電站水頭高、含泥沙等特點，機組設計選型時注意參數(shù)的選擇。合理選擇噴嘴比轉速，使水輪機運行在“無空化”區(qū)域。

（2）采用適當?shù)谋苌撤暹\行方式，在過機含沙量較大時停機，以減小對過流部件的磨損。

（3）沖擊式水輪機的轉輪水斗修復時間較長，約需1個月；其余過流部件如噴嘴、噴針、折向器等修復時間相對較短，約需1周。從縮短大修時間、減少發(fā)電量損失角度出發(fā)，可根據(jù)預估的轉輪大修周期，在機組設備采購時同期采購備用轉輪、噴針和口環(huán)。

（4）為了檢修方便，水輪機采用下拆結構。檢修頻率較高的水斗、口環(huán)、噴針等零部件，均可在不拆卸發(fā)電機的情況下，通過下拆進行檢修。下拆零部件通過專用小車和廠房上游側的吊物孔吊運到安裝場進行檢修。

7 結 語

巴基斯坦蘇基-克納里水電站具有超高水頭，過機含有沙量且汛期過機泥沙含量較大、沙質硬度較高等特點。在工程設計及招標過程中，對水輪機抗泥沙磨蝕措施進行了深入研究，從工程措施、過流部件材料選擇、采用抗磨涂層等多方面進行了考慮，為電站的長期高效、安全、穩(wěn)定運行創(chuàng)造了良好條件。