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(jié)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(jīng)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(tǒng)；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(qū)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(zhì)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(fā)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(fā)生冰凍，取水口冰凌堆積，影響機組引水發(fā)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(fā)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(zhì)，主要成分：石英：45%、方解石：40%、鐵質(zhì)：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(huán)沉砂池布置，“圓中環(huán)”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(huán)”沉沙池，洪水期發(fā)電用水經(jīng)“圓中環(huán)”溢流側(cè)堰及周邊匯流渠道將發(fā)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(fā)電用水通過“圓中環(huán)”溢流堰及匯水渠接入下游渠道?！皥A中環(huán)沉沙池”由進水渠、進水閘及進水涵洞、“圓中環(huán)”室、排沙廊道、匯水渠等組成。

“圓中環(huán)“為D=100m的圓形斷面，中部由進水涵洞出水口經(jīng)i=1/6斜坡接“圓中環(huán)”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(huán)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(huán)”中沉積的泥沙排入下游天然河道。

2、優(yōu)化電站機組選型和產(chǎn)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(zhuǎn)速，選用較低比轉(zhuǎn)速機組，模型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪。

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

機組選型推薦的比轉(zhuǎn)速為：額定點比轉(zhuǎn)速220m-kW，所選定轉(zhuǎn)輪的圓周速度為33.8m/s，轉(zhuǎn)輪出口相對速度為10.3m/s，絕對流速35.3m/s，據(jù)國內(nèi)有關研究機構的研究表明：當含沙量大于12kg/m3時，水輪機轉(zhuǎn)輪圓周速度宜小于34m/s，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪參數(shù)在抗磨蝕允許的范圍內(nèi)。

2.2 機組設計。針對混流式水輪機的過流部位，分析其流態(tài)和泥沙運行軌跡及破壞成因，應改善水輪機過流部件的結(jié)構設計、制造工藝及質(zhì)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(jié)圓直徑，降低導葉區(qū)間流速，減少磨損破壞。第二，固定導葉和活動導葉的數(shù)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(qū)域的二次回流。第三，提高轉(zhuǎn)輪結(jié)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(zhuǎn)輪采用鋼板模壓焊接結(jié)構。葉片采用精煉不銹鋼板OCr13Ni4MO模壓、采用五軸數(shù)控加工，上冠與下環(huán)采用VOD精煉不銹鋼工藝鑄造，采用數(shù)控加工。第四，底環(huán)與轉(zhuǎn)輪下環(huán)進口結(jié)合位置采用“蓋帽”結(jié)構，即底環(huán)過流面將轉(zhuǎn)輪下環(huán)平面遮蓋住，避免間隙汽蝕和泥沙進入下環(huán)間隙和直接沖擊下環(huán)平面與間隙帶來的破壞，該結(jié)構在我國新疆等多泥沙電站的水輪機結(jié)構中廣泛采用，起到了很好的使用效果。第五，轉(zhuǎn)輪上冠間隙密封后采用泵板結(jié)構，保證降低進入主軸密封的水質(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)量，重點監(jiān)控過流部件表面焊縫質(zhì)量和加工粗糙度，防止局部汽蝕產(chǎn)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(fā)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(cè)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(fā)電和進水口冰凍破壞。

4、結(jié)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(yè)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(fā)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(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行，設計方案是成功的。