映秀灣水電站發(fā)電水體的泥沙特性和含量研究

倪 亮，羅勇鋼，劉冠軍，謝 凱

(南瑞集團(國網(wǎng)電力科學研究院)有限公司，南京 211106)

0 引 言

映秀灣水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內(nèi)的岷江上游左岸，電站無水庫儲水，來水經(jīng)三級攔污柵(第一級柵距為10 cm，第二和第三級柵距為5 cm)和引水涵洞進入水輪機組。由于映秀灣水電站所處岷江河段為山區(qū)河流，當遭遇暴雨時，河流中會出現(xiàn)大量泥沙進入發(fā)電水體，造成水輪機過流部件磨損破壞，嚴重影響了水電機組的正常運行和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

造成水輪機磨蝕的機理包括空蝕、泥沙磨損以及二者的聯(lián)合作用[1-3]。水輪機過流部件的磨蝕主要受過流部件材質(zhì)、泥沙的顆粒特性、水沙條件等因素的影響[4,5]。其中，泥沙的顆粒特性包括泥沙的成分、沙粒的大小和形狀等，水沙條件包括水流的含沙量和水流的流速等。對泥沙特性進行研究，實現(xiàn)泥沙含量的實時監(jiān)測，一方面可以為電站水輪機的磨蝕防護和定期檢修提供必要的參考依據(jù)，另一方面可為電站的調(diào)度運行提供決策支持[6-8]。本文利用材料表征的方法和濁度測量的原理，對映秀灣水電站發(fā)電水體的泥沙展開了研究，同時根據(jù)現(xiàn)場的水質(zhì)條件和濁度測量特征設計了一套泥沙含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，成功應用于水電站閘首取水口發(fā)電水體濁度和泥沙含量的實時監(jiān)測。

1 泥沙特性研究

1.1 粒度分析

電站閘首取水口采集水樣，進行激光粒度分析實驗，其粒度分布結(jié)果如圖1所示。圖1顯示取水口水樣所含泥沙的粒度分布在0.1 mm以下，主要集中在0.01～0.05 mm之間，中值粒徑約為0.031 mm。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)得出泥沙的顆粒質(zhì)量分布為：0～0.01 mm占比16.67%，0.01～0.02 mm占比13.3%，0.02～0.05 mm占比48.83%，0.05～0.1 mm占比21.2%。

圖1 泥沙粒度分布圖Fig.1 Particle size distribution of the sample

粒徑/mm0.0100.0200.0500.100小于某粒徑的沙重含量/%16.6729.9778.80100

1.2 成分分析

X射線衍射(XRD)是測定固體物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要方法。通過分析衍射圖譜中的特征峰位置，半高寬和強度，可以得知材料的相組成、晶格常數(shù)和結(jié)晶強度。電站閘首取水口采集的水樣經(jīng)0.22 μm濾網(wǎng)分離提取泥沙樣品，經(jīng)烘干研磨后進行實驗。本文中使用的X射線衍射儀的型號為ULTIMA-3，測試條件：Cu靶，掃描速率3 °/min，掃描區(qū)間5°～70°，步長0.01 °/s，工作電壓40 kV，工作電流40 mA。對實驗所獲得的衍射數(shù)據(jù)用MDI Jade 6.0軟件做圖像處理和礦物相分析，并以《礦物X射線粉晶鑒定手冊》和粉末衍射卡片(PDF，Power diffraction file)為參考[9]，從XRD圖譜(圖2)與標準卡片的對比得出，樣品中含有的成分主要有石英、鉀長石、鈉長石、普通輝石、白云母、高嶺石、角閃石等。由于成分的特征峰強度受樣品中含量的影響，因此對圖譜放大后進行分析，圖3為XRD圖譜的局部放大圖，其中C/S、Ms、Hbl、C/K、Qtz、Mc、Ab、Cal、Aug分別對應綠泥石/蒙脫石混層、白云母、角閃石、綠泥石/高嶺石、石英、鉀長石(斜微長石)、鈉長石、方解石、普通輝石的特征峰。圖2、圖3的結(jié)果顯示映秀灣水電站發(fā)電水體中的泥沙成分與專家劉文基于岷江流域的分析結(jié)果基本一致[10]。

圖2 泥沙樣品的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of the sediment sample

圖3 泥沙樣品XRD圖譜局部放大圖Fig.3 Partial enlarged detail of XRD pattern of the sediment sample

2 泥沙含量監(jiān)測

2.1 系統(tǒng)設計

水電站在汛期時主要通過人工觀測的方法判斷是否停機，主要依據(jù)為柵壓差和水體渾濁度，因此有必要通過在線監(jiān)測的方式為電站的調(diào)度運行提供實時可靠的依據(jù)。

濁度是指水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度，是反映水體中懸浮物含量的代替參數(shù)，在工程實踐中常利用濁度與泥沙含量的相關關系，采用濁度傳感器來間接測定泥沙含量[11-13]。濁度法觀測泥沙含量具有操作簡便，自動化程度高等優(yōu)勢，可以消除人工觀察的不利因素，因此可通過在電站閘首位置建立泥沙含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測發(fā)電水體的濁度和泥沙含量。

泥沙含量在線監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感層、采集傳輸層及高級應用層三層結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)濁度和泥沙含量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、匯總、分析等功能，并可通過計算機實現(xiàn)遠程控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

圖4 泥沙含量在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of on-line monitoring system for sediment concentration

2.2 系統(tǒng)的率定

在系統(tǒng)安裝前，需要對濁度傳感器進行率定，建立濁度測值與泥沙含量的對應關系，確保濁度傳感器的測量準確性。系統(tǒng)的率定實驗如下：用超純水和泥沙試樣配制不同泥沙含量的濁水，通過攪拌等方法使其分散均勻后進行濁度測定，然后將采集到的濁度測值和已知的泥沙含量建立對應的數(shù)據(jù)關系。由于映秀灣水電站上游河流含沙量較大，輸沙量主要集中在5-10月的汛期，流域多年平均泥沙含量為0.72 kg/m3，多年平均過機含沙量為0.33～0.37 kg/m3[14]。對每一含沙量的濁水連續(xù)測定6次，取平均值，對實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，濁度測值與泥沙含量的對應關系為：

Y=0.002 8X-0.011 2

(1)

式中：X為濁度測值；Y為的泥沙含量，其相關系數(shù)R2達到0.998。將上述線性關系作為參數(shù)輸入，泥沙含量在線監(jiān)測系統(tǒng)即可同時輸出濁度測值和泥沙含量值。

圖5 濁度與泥沙含量率定關系Fig.5 Calibration relationship between turbidity and sediment concentration

2.3 系統(tǒng)的安裝

在映秀灣水電站閘首取水口位置進行泥沙含量在線監(jiān)測系統(tǒng)的安裝，系統(tǒng)由濁度傳感器、固定防護裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和控制端組成，如圖6所示。濁度傳感器的安裝高度根據(jù)電站取水口的實際情況確定，由于其閘前正常運行水位高程為943.5～945 m，取水口最低運行水位高程為941.5 m[15]，因此濁度傳感器安裝在942.5 m處，一方面使?jié)岫葌鞲衅骺稍谒w中實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，另一方面保證測量點距離水面的高度至少為1 m，以減弱外界光對濁度測量的影響。針對到岷江的水質(zhì)條件，本系統(tǒng)設計了一套固定防護裝置，通過限位裝置減緩水流對傳感器的沖擊，同時通過鋼索連接傳感器，便于系統(tǒng)的安裝和維護。

圖6 泥沙含量在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝示意圖(單位：m)Fig.6 Installation schematic of on-line monitoring system for sediment concentration

圖7 濁度傳感器安裝示意圖Fig.7 Installation schematic of turbidity sensor

2.4 系統(tǒng)的應用

在系統(tǒng)投入使用后即對發(fā)電水體的泥沙含量進行實時監(jiān)測，系統(tǒng)每5 min采集一次濁度和泥沙含量數(shù)據(jù)，定時發(fā)送至控制端。為評估系統(tǒng)的應用效果，每隔數(shù)天取水樣，經(jīng)實驗室分析后與系統(tǒng)測得的泥沙含量數(shù)據(jù)進行對比，其結(jié)果如圖8所示。濁度傳感器的測值與實驗室分析的結(jié)果趨勢一致，說明濁度傳感器的測值可以較好地反映流動水體的泥沙含量變化趨勢。考慮到人工取樣的位置易受水流影響而難以與傳感器安裝點位保持完全一致，導致實驗室分析結(jié)果與系統(tǒng)測值容易存

圖8 泥沙含量在線監(jiān)測系統(tǒng)與實驗室方法對比實驗Fig.8 Contrast experiment between on-line monitoring system of sediment concentration and laboratory method

在誤差，但是分析兩者測值，泥沙含量在線監(jiān)測系統(tǒng)測值與實驗室分析結(jié)果的誤差在可接受范圍內(nèi)，表明系統(tǒng)具有較高的應用可靠性。

3 結(jié) 論

本文通過材料表征的方法對映秀灣水電站發(fā)電水體的泥沙特性進行了研究，確定了泥沙的成分組成及粒度分布，為水輪機組的防磨蝕和維護提供了一定的參考依據(jù)。采用濁度測量的原理設計并建立了泥沙含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，并通過率定建立了濁度和泥沙含量的對應關系。系統(tǒng)在映秀灣水電站的應用結(jié)果表明，其運行情況良好，能夠較好的反映流動水體的泥沙含量變化趨勢，對電站的調(diào)度決策具有較高的參考價值。此外，由于采樣方式的差異、率定公式應用環(huán)境變化等因素的限制，導致實驗室分析結(jié)果與系統(tǒng)泥沙含量測值有所差異，后期仍需對泥沙含量在線監(jiān)測系統(tǒng)不斷觀測并加以完善，使其更好地為水電站服務。

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