新疆塔尕克水電站減少泥沙、冰凌對水輪機破壞方案設計

【摘要】新疆塔尕克一級水電站位于新疆天山腳下，受氣候、地理條件影響，新建電站雨季面臨大量沖刷水流攜帶的泥沙破壞，冬季引水渠道結冰面臨冰凌的破壞，本文主要從土建設計、機組選型、等角度介紹了這方面的設計經驗。

【關鍵詞】塔尕克一級水電站；水輪機；泥沙；沉沙池；機組選型；輔機系統；排冰閘及撈冰機

引言

本電站雖然裝機容量不大，但由于工程所在的阿克蘇地區位于新疆南疆，位于天山腳下，氣候四季分明，電站為長距離引水式電站，汛期由于雨水大面積沖刷，加以庫瑪拉克河兩岸植被較差，故河水水質較差，泥沙含量高，河水中小草雜物多，渠前實測含沙量達到20kg/m3，電站汛期運行必須減少過機含沙量，否則無法保證電站機組的安全運行，所以需考慮機組發電用水的沉沙處理，冬季庫瑪拉克河冰凌多，進入引水渠后，渠道發生冰凍，取水口冰凌堆積，影響機組引水發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和難點。

1、渠首設置沉沙池，降低機組過機含沙量，解決汛期機組運行問題

汛期電站發電用水過機含沙量較高，渠首實測最大含沙量達20kg/m3且含有大量推移質，主要成分：石英：45%、方解石：40%、鐵質：3-5%，綠泥石：2%，故本工程在引水渠進口處修建沉沙池進行沉沙處理，減少電站機組過機含沙量，減少機組磨損破壞。

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

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

2、優化電站機組選型和產品設計

2.1 機組選型。在電站機組選型比較中考慮了泥沙含量較高的因素，力爭保證機組效率不低于同水平機組，保證良好的氣蝕性能的前提下，適當降低機組轉速，選用較低比轉速機組，模型轉輪選用哈電為公伯峽電站機組設計且真機運行抗磨效果良好的的A801模型轉輪。

按國內不同比轉速計算公式計算出塔尕克一級水電站水輪機比轉速ns在213.3-249.4m-kW之間，相應的比速系數K=1835-2145。

機組選型推薦的比轉速為：額定點比轉速220m-kW，所選定轉輪的圓周速度為33.8m/s，轉輪出口相對速度為10.3m/s，絕對流速35.3m/s，據國內有關研究機構的研究表明：當含沙量大于12kg/m3時，水輪機轉輪圓周速度宜小于34m/s，轉輪相對流速宜小于12m/s，葉片出口絕對流速宜小于36m/s，本電站機組轉輪參數在抗磨蝕允許的范圍內。

2.2 機組設計。針對混流式水輪機的過流部位，分析其流態和泥沙運行軌跡及破壞成因，應改善水輪機過流部件的結構設計、制造工藝及質量、材料選用，提高抗泥沙磨損的能力，主要采取以下措施：第一，適當增大導葉節圓直徑，降低導葉區間流速，減少磨損破壞。第二，固定導葉和活動導葉的數量及相互位置進行合理的匹配，大范圍適應和減小水流對活動導葉表面的沖擊，防止這一區域的二次回流。第三，提高轉輪結構設計和材料適應檔次，保證核心部件的抗磨水平。水輪機轉輪采用鋼板模壓焊接結構。葉片采用精煉不銹鋼板OCr13Ni4MO模壓、采用五軸數控加工，上冠與下環采用VOD精煉不銹鋼工藝鑄造，采用數控加工。第四，底環與轉輪下環進口結合位置采用“蓋帽”結構，即底環過流面將轉輪下環平面遮蓋住，避免間隙汽蝕和泥沙進入下環間隙和直接沖擊下環平面與間隙帶來的破壞，該結構在我國新疆等多泥沙電站的水輪機結構中廣泛采用，起到了很好的使用效果。第五，轉輪上冠間隙密封后采用泵板結構，保證降低進入主軸密封的水質含沙量和漏水量，做到正常運行基本無漏水，且為在密封位置的主軸設置不銹鋼護套，可做到對主軸和密封沒有破壞；對頂蓋應用有限元分析，確保頂蓋剛度，保證導葉端面間隙可靠，以減小間隙汽蝕破壞和泥沙磨損。第六，在機組過流部件選材方面，水輪機轉輪、抗磨板等主要過流部件采用抗氣蝕、磨損性能好和焊接性能好的OCr13Ni4MO不銹鋼制做，活動導葉端面及密封面鋪焊OCr13Ni4MO不銹鋼。第七，提高制造工藝質量，重點監控過流部件表面焊縫質量和加工粗糙度，防止局部汽蝕產生，減少磨損破壞。

3、電站取水口設置排冰閘及撈冰機，保證電站冬季正常發電安全運行

冬季大量冰凌進入電站取水口，電站進水口設計安裝撈冰機進行撈冰處理，電站進水口左側設計排冰閘進行排冰處理，防止電站進水口冰凍淤積，影響機組發電和進水口冰凍破壞。

4、結論

塔尕克一級水電站兩臺機組分別于2008年3月31日和4月8日投入商業運行至今已運行近7年，以上技術設計方案解決了大量泥沙和冰凌進入水輪發電機組的問題，從而減少了泥沙和冰凌對機組的破壞，保證了水輪發電機組的安全穩定運行，設計方案是成功的。