新疆克孜河流域塔日勒嘎水电站水轮机抗泥沙磨蚀解决方案

文晓涵

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 概 述

新疆克孜勒苏河中游河段水电梯级规划为2库6级开发方案。塔日勒嘎水电站为克孜河规划2库6级开发方案中的第二个梯级。

1.1 电站参数

塔日勒嘎水电站正常蓄水位2 250.00m，最大水头53m，最小水头40m，额定水头44m，加权平均水头48.15m。总装机容量50 MW，保证出力4.23 MW，设计多年平均发电量1.693 9亿kW·h，年利用小时3 388 h。

1.2 泥沙特性

克孜河在克语中为“红水河”的意思，塔日勒嘎坝址控制集雨面积10 381 km2，多年平均流量60 m3/s，多年平均悬移质含沙量6.2 kg/m3，多年平均悬移质输沙量1 174万t，多年平均推移质输沙量117.4 万 t。

塔日勒嘎水电站坝址多年平均悬移质输沙率、多年平均含沙量及泥沙颗粒级配、悬移质泥沙样本颗粒级配和矿物成分见表1～表3。

表1 坝址多年平均悬移质输沙率、多年平均含沙量 kg/m3

表2 泥沙颗粒级配

表3 泥沙矿物成分

由上表可知，克孜河多年平均含沙量非常大，泥沙硬度高、颗粒粒径大，棱角分明，石英质含量约为66.9%，对水库防沙及机组磨蚀极为不利。因此采取可行的泥沙解决方案对本水电站工程至关重要。

2 泥沙问题解决方案

泥沙问题大致分为两个大的方面，一是从源头上采取工程措施，减少过机泥沙；二是机组采取一定的抗磨蚀措施，延长运行时间。

从源头解决泥沙问题大致分为两个大的方面，一是减少入库的泥沙；二是在机组进水口设防沙排沙措施。

本电站通过在枢纽布置、水库调度等方案，并采取在发电洞前设置拦沙坎、冲沙廊道及透水导沙墙等措施，过机泥沙含量有所减少，发电洞泥沙颗粒级配有所降低，但仍不能完全解决过机泥沙含量大的问题，因此还需要从机组自身着手，并采取相应的抗磨措施，最大程度减少泥沙对水轮机过流部件的损害，延长机组运行年限。

3 抗磨蚀措施

3.1 磨蚀原理

根据经验研究，泥沙磨损量可以用以下公式表示：

式中 δ——磨损平均深度（mm）；

ξ——材料的耐磨系数；

κ——材料表面粗糙度影响系数；

β——泥沙磨损能力系数 （与泥沙级配、形状、硬度有关）；

ρ——过机平均含沙量（kg/m3）；

n——含沙量系数（n=0.4～1.0）；

W——水流相对速度（m/s）；

T——运行时间（h）；

m——磨损速度指数（平面磨损时m=2～2.32，冲击磨损时 m=2.3～3.0）。

以上公式表明：磨损与水流相对流速的2～3次方成正比。

在泥沙磨损中，大量试验表明，泥沙颗粒对过流部件的影响，可粗略确定粒径临界值为d＞0.025 mm，超过临界值粒径越大磨损越严重。对于泥沙颗粒打击角度，一般在垂直于过流部件表面的情况下打击力度最大，而在与过流部件表面成45°角时颗粒的切削作用最大。综上所述，水轮机过流部件抗磨蚀应综合考虑泥沙粒径、水流过流角度以及水流流速等因素。除了从源头上采取工程措施尽量减小粗沙过机以外，还应尽量选择合适的水流角度以避免水流的垂直冲击，并且尽量避免机组在泥沙高峰期运行；另外还需要尽量降低过流断面的相对流速，按多泥沙河流水电站设计规范，水轮机相对流速应不大于45m/s。

3.2 水轮机选型

3.2.1 选型原则

鉴于该电站所在河流泥沙含量大，水轮机应选用空化性能优秀、稳定性高的转轮；不追求过高的能量指标，适当降低转速，采用大比尺的水轮机设计方案，以降低水轮机过流部件中的水流速度，减小泥沙对水轮机过流部件的损害；选择适当的安装高程，确保足够的空化安全余量，电站装置空化系数与初生空化系数的比值K1应大于1.6倍，使电站在任何可能的运行工况下都不发生空化现象，考虑到该电站泥沙情况严峻，因此选K1=1.8。同时应保证水轮机尽量在较优的工况区运行，以改善流态，减轻磨蚀。

3.2.2 初设水轮机参数选择

该电站总装机容量50MW，经综合比较确定装机4台，单机容量12.5MW。根据电站水头选用混流式水轮机。

初设阶段，通过选用不同转轮直径及转速找出适合该电站的水轮机参数，将选用不同直径、不同额定转速方案的水轮机主要参数列于表4。

表4 水轮机参数对比表

目前，国内水头相近的几个电站参数见表5。

表5 同类电站参数统计表

塔日勒嘎水电站按常规清水条件下，转轮直径可为1.95m，额定转速为272.7 r/min，额定工况比转速272m.kW，比速系数1 807，接近皂市电站的参数水平。考虑到该水电站所在河流上已建电站水轮机过流部件磨蚀严重的情况，水轮机参数选择时应进一步降低比转速，以降低转轮叶片表面的相对流速，而选择方案Ⅲ。此方案参数略低于喀什一级电站水轮机参数。

3.2.3 最终水轮机参数的确定

在主机招投标阶段，经专家评审，最终选择了哈尔滨电机厂研发的HLA1015转轮，该转轮已成功运用于向家坝水电站，是专门针对多泥沙河流水电站开发的新型高效转轮；转轮参数为：水轮机转轮直径为2.35m，额定转速为214.3 r/min，额定工况比转速214m.kW，比速系数1 420。最终参数比初设方案更保守。

对于塔日勒嘎水电站，主机厂家计算真机工况如表6。表中H——净水头；

Q110——单位流量；

Q——过机流量；

η——水轮机原型效率；

Nr——水轮机出力；

σm——模型空化系数；

W——转轮叶片表面相对流速。

表6 HLA1015-LJ-235各工况计算表

计算数据表明，转轮叶片表面相对流速最大值为6.526m/s，远小于45m/s的要求。

3.3 机组安装高程的确定

由于空蚀与泥沙磨损有着不同的机理，在同一工况下含沙水流与清水相比有可能使空化提前，为避免空化与泥沙磨蚀的联合作用，结合厂家给出的最小吸出高度H s=1.8m，在参考同河流上已运行电站的实际情况，确定机组的安装高程为2 196.00 m，实际吸出高度为-0.2 m，具有足够的空化安全裕量。

3.4 过流部件抗磨蚀措施

（1）过流部件结构优化。

应考虑过流部件的水流更顺畅通过，经与主机厂讨论，决定蜗壳座环采用蝶形边结构并同时优化固定导叶及安放角；活动导叶上下端采用大圆盘结构，以减少导叶内外侧差压作用下的间隙流动；减小活动导叶端面间隙，并在导叶上、下轴增加一道Yx型密封圈。

（2）水轮机过流部件选择抗磨蚀性能优良的材料。

转轮（包括叶片、上冠、下环和泄水锥）采用不锈钢材料，如 06Cr16Ni5Mo，Cr16NiMo，经 VOD 精炼铸造，叶片叶型及坡口均在数控龙门铣上加工，从而保证叶片型线与模型机完全相似，并利于保证转轮组装的精度和质量；导叶采用不锈钢材料，如06Cr16Ni5Mo，采用电渣熔焊铸造，同时保证导叶翼型与模型机导叶翼型完全一致；底环、顶盖上的抗磨板，止漏环采用不锈钢材料。

（3）水轮机过流部件喷涂。

对转轮止漏环、转轮进、出水边，顶盖、底环止漏环内外表面，底环、顶盖上下抗磨板等部位采用超音速喷涂碳化钨等耐磨蚀材料，以减缓泥沙对水轮机过流部件的磨蚀。我们对新疆地区电站考察，水轮机过流部件采取喷涂措施加水工方面设置排沙漏斗，水轮机的使用寿命由（3 000～4 000）h提高到（7 000～9 000）h。

（4）提高水轮机过流部件的加工精度。

过流部件特别是转轮部件的光洁度也是提高抗磨蚀能力的有力武器，叶片、导叶均采用五坐标数控龙门铣床加工，确保型线和光洁度。

（5）增加水轮机过流部件的备品备件。

除常规的备品备件外，本电站另配备一台套水轮机转轮和导水机构 （不包括控制环）、底环抗磨板、顶盖抗磨板、活动导叶等，在结构上应保证备品备件的通用性。

4 结 语

塔日勒嘎水电站是湖南省水利水电勘测设计研究总院首次介入多泥沙河流水电站项目的设计，因此从技术上进行了大量细致的工作，以期有效地减少泥沙对机组的磨蚀损坏。但多泥沙问题对于水电站建设来说是仍一个世界性的难题，因此需要综合更多方面的因素，最终形成一套行之有效的方法，最大限度地解决泥沙磨损的问题。目前，电站机组已安装完毕，即将于7月底发电运行，机组的抗磨蚀性能将在实际投运过程中得到验证。

[1]刘光宇，吴伟章.水轮机磨蚀的综合治理[A].水机磨蚀研究与实践50年[C].中国水利水电出版社，2005：105-116.

[2]郭中兴，张禄勋，王志高，我国水利机械抗泥沙磨损的试验研究[A].水机磨蚀研究与实践50年[C].中国水利水电出版社，2005：89-104.

[3]严秉丁，J.P.Sungauer.万家寨水电站水轮机抗磨措施[A].水机磨蚀研究与实践50年[C].中国水利水电出版社，2005：522-529.

[4]上官永红，汤永明，刘会闰.新疆红山嘴一级水电站水轮机抗泥沙磨损研究 [A].水轮机抗磨蚀技术研讨会论文集[C].甘肃省水力发电工程学会，2006.

[5]余江成，吴剑.HVOF涂层材料的抗磨蚀特性与应用分析[A].水机磨蚀研究与实践50年[C].中国水利水电出版社，2005：446-451.