上海勘测设计研究院有限公司
摘要：在多泥沙含量电站中，水轮机磨损会导致效率的降低，发电频率的不稳定，以及检修期间的被动断电。本文结合高泥沙含量地区尼泊尔的KGG水电站，对水斗式水轮机和卡普兰水轮机两种不同机型的泥沙磨损程度进行了计算，对大修周期进行了比较计算，结果表明，KGG水电站中采用水斗式水轮机具有维修较简便，喷涂容易，直径小、转速高，机组造价和土建造价均较小等优点。
1.工程概况
KGG水电站采用低坝长引水式开发，电站主要由首部枢纽、输水建筑物、地面厂房及开关站等组成。发电厂房为岸边式地面厂房，布置在卡利甘达基河谷左岸的噶帕村，距离坝址约7km。厂内安装4台单机容量45MW的水斗式水轮发电机组。
1.1电站基本参数
（1）上游水位
旱季正常蓄水位 1841.00 m
沉沙池运行控制水位 1833.50 m
（2）尾水位
设计最高尾水位 1344.65m
（3）流量
额定流量 45.9 m3/s
（4）动能参数
装机容量 180 MW
年利用小时数 4884 h
总发电量 879.18GW•h
（5）电站特征水头
最大毛水头 488.40m
加权平均水头 464.90m
额定水头 456m
最小净水头 455.60m
（6）泥沙
（7）电站特征水头
工程区地震基本烈度 Ⅷ度
2水轮机泥沙磨蚀计算公式
2.1泥沙对水轮机磨损程度计算公式
根据“IEC 62364：2013 Hydraulic machines - Guide for dealing with hydro-abrasive erosion in Kaplan，Francis，and Pelton turbines”，计算水轮机磨蚀深度由式（1）估算：
（1）
式中：
S：水轮机部件磨蚀深度（mm）；
W：部件过流流速（m/s）；
PL：含沙量载荷（kg×h/m3）；
Km：材料因素系数；
Kf：流量因素系数（kg×h×mα）；
RS：参考水轮机尺寸（m）；
P：指数。
（1）固定导叶W的值由式（2）确定：
（2）
式中：
Wgv：固定导叶流速（m/s）；
Q：水轮机流量（m3/s）；
a：导叶开度（m）；
Z0：导叶个数；
B0：导叶高度（m）。
（2）活动导叶W的值由式
（3）确定：
（3）
式中：
Wgv：活动导叶流速（m/s）；
g：重力加速度（m/s2）；
H：水头（m）。
（3）混流式、卡普兰式水轮机转轮在最优工况下的相对流速由式（4）确定：
（4）
式中：
Wrun：转轮相对流速（m/s）；
u2：圆周速度（m/s）；
c2：水流轴面速度（m/s）；
Q：水轮机流量（m3/s）；
D：转轮直径（m）。
（4）混流式、卡普兰式水轮机转轮和活动导叶的相对流速还可由式（5）、（6）估算：
（5）
（6）
式中：
Wrun：转轮相对流速（m/s）；
ns：水轮机比转速（m.kW）；
g：重力加速度（m/s2）；
H：水头（m）。
Wgv：活动导叶流速（m/s）；
（5）水斗式水轮机转轮和喷嘴的相对流速由式（7）、（8）确定：
（7）
（8）
式中：
Wrun：转轮相对流速（m/s）；
Winj：喷嘴的相对流速（m/s）；
g：重力加速度（m/s2）；
H：水头（m）。
（6）PL的值由式（9）确定：
（9）
式中：
C（t）：含沙量随时间变化数值（m3/s）；
Ksize（t）：沙粒大小随时间变化值；
Kshape（t）：沙粒形状随时间变化值；
Khardness（t）：沙粒硬度随时间变化值；
（7）Km的值如表1：
表1：不同材料Km取值表
（8）Kf和p的值如表2：
表2：不同材料Km取值表
（9）RS的值如下：
对于混流式水轮机：转轮出水边直径D2
对于水斗式水轮机：水斗宽度B
2.2 水轮机大修时间价格间隔（TBO）计算公式
水轮机大修时间间隔（TBO）采用式（10）计算：
（10）
式中：
TBO：水轮机大修时间间隔；
Target：目标水轮机；
Ref：参考水轮机；
Calc：计算值。
由式（11）进行计算。
（11）
式中：
Target：目标水轮机；
Ref：参考水轮机；
Calc：计算值。
2.3 KGG电站水轮机泥沙磨损程度计算
2.3.1 泥沙荷载（PL）计算
参考2017年7月13日到9月30号的实测数据。
根据式（1），PL的计算见表3。
表3：PL的计算表
2.3.2混流式水轮机
（1）转轮出口相对流速计算
根据3.1节的公式，转轮出口和迷宫密封的相对流速可采用计算公式（5），如下：
（12）
=45.34 r/min
（2）活动导叶流速计算
根据3.1节的公式，活动导叶、面板和转轮进口的流速可采用计算公式（6），如下：
=52.02 r/min
（3）水轮机部件的磨蚀深度计算见表4。
表4：水轮机部件的磨蚀深度表
由上表计算可知，经过汛期不到3个月的运行，水轮机过流部件的磨损很大，表明了水轮机的磨损程度与泥沙和运行时间的关系。
3 水轮机大修周期（TBO）计算
3.1 混流式水轮机
根据混流式水轮机的大修周期计算公式（10）计算得到，
式中：
表5给出了混流式水轮机的主要泥沙磨蚀参数
表5：混流式水轮机泥沙磨损参数
3.2水斗式水轮机
根据混流式水轮机的大修周期计算公式（10）计算得到，
式中
表6给出了水斗式水轮机的主要泥沙磨损参数。
表6：水斗式水轮机泥沙磨损参数
3.3对比分析
根据上述计算可得，混流式机组和水斗式机组的大修周期均小于两个月；混流式机组最大速度较小，但水斗式机组与最大速度相关的部件喷针和坐环较小，更容易喷涂；相比混流式机组，水斗式机组更易检修。
3.4结论
考虑到该电站泥沙含量较大，大修周期较短，若采用混流式机组，则检修困难，喷涂较困难，同时，能保证该电站稳定运行的混流式机型较少，在该水头段采用混流式机组的案例较少。
选择6碰嘴的水斗式机组具有维修较简便，喷涂容易，直径小、转速高，机组造价和土建造价均较小等优点。
综合所述，选择6喷嘴的水斗式机组为该电站机型。其主要参数如下表所示。
表7：KGG水斗式水轮机主要参数
论文作者:李彦浩,吴现
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/9/18
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