黄河浑水发电

摘要摘要：本文通过对三门峡水利枢纽实施浑水发电艰难探索历程的科学总结，分析了浑水发电创造的巨大效益及对国内外多泥沙河流充分利用水力资源提供的有益借鉴。

摘要：黄河三门峡水利枢纽浑水发电攻关

“黄河斗水，泥居其七”，要实现黄河浑水发电，是具有世界性挑战的难题！然而在三门峡水利枢纽被攻克了！从1989年始，三门峡枢纽局实施浑水发电科技攻关至今，已历时13年，走过了一条艰难探索而又光辉灿烂的道路，浑水发电的实施为黄河乃至国内外多泥沙河流提供了有益借鉴，为宝贵的水力资源充分发挥发电效益做出了巨大贡献。

一、独特的“蓄清排浑”运用方式演绎出“清水发电”和“浑水发电”

三门峡水利枢纽工程是新中国建立后，于1957年在万里黄河上动工兴建的第一座大型水利枢纽。控制黄河流域面积的91.5％、控制黄河来水量的89％及来沙量的98％，自1960年9月下闸蓄水运用后，采用“蓄水拦沙”的方式运用，滚滚黄河水，每年携带十几亿t的泥沙涌向三门峡，到1964年10月，短短的几年内库区淤积泥沙50多亿t。为此，水库被迫转为“滞洪排沙”运用。从1964年国家决定，对三门峡枢纽进行二次改建，增大泄洪排沙规模，并于1973年起成功的探索出水库独特的“蓄清排浑”运用方式。之后，陆续安装了国产5万kw的5台发电机组，实现了低水头径流发电。

至此，在黄河上具有非凡位置的三门峡工程，真正投入正常运用并发挥出防洪、防凌、浇灌、供水、发电等巨大的综合效益。

工程探索出的独特的“蓄清排浑”运用方式摘要：即当年11月至翌年6月的非汛期，水库蓄水运用，泥沙沉积库内，待到汛期通过洪水泄下去；7至10月的黄河汛期，利用洪水挟沙能力强，采用低水位运用，使浑浊泥沙能够畅通排出水库，使整个库区泥沙年内进出平衡。对于发电来说，就出现了非汛期的“清水发电”和汛期的“浑水发电”两个运行时段。这一“蓄清排浑”的运用方式还为黄河小浪底、万家寨及长江三峡等工程的兴建提供了有益的借鉴。

二、六年浑水发电试验成果达到国际先进水平

从1973年底第一台机组投运到1980年，三门峡水利枢纽一直实行全年发电运行，汛期根据水情间断发电。但由于三门峡处多泥沙河段，年平均含沙量为37.6kg/m3，最高达911kg/m3，多年平均输泥量为16亿t。（假如用载重4吨的卡车运送，需要天天出动110万辆拉一年）泥沙气蚀对机组水轮机过流部件磨损严重，被迫于1980年汛期停止发电运行，从此黄河汛期浑水发电被视为“禁区”。这使水利枢纽每年相当于3亿kw·h的发电水能不能利用，而白白流失。

1989年，三门峡枢纽局从国家的经济建设和黄河治理开发的迫切需要出发，经过大量的科研预备和认真分析，作出了利用即将退役的水轮机叶片开展汛期发电攻关试验的决定。得到了国家水利部的批准和有关科研单位的支持。随即，三门峡枢纽局自筹资金，自立项目，精选科研人员，明确攻关课题，成立科研攻关领导小组，进行强力攻关。

第一次实验，是通过四号机组从7月21日开始并网发电，主要布置了水轮机过流部件气蚀磨蚀情况观测、叶片根部裂纹发展情况观测、水情及泥沙资料观测、拦污栅运用情况观测等项目，至10月19日停机，经历一个全汛期发电运行，累计运行1883个小时。试验的叶片从头部、背面、外缘端面均被泥沙气蚀磨损得裂纹道道，伤痕累累。破坏深度最严重处达40mm，堆焊在叶片背面的抗磨材料荡然无存，严重的现实，使科技攻关人员感到肩头责任重大。

但也正是通过实验使他们把握了当时条件下的水轮机气蚀、磨损破坏规律，找到了要解决的新问题症结在于选择好抗磨材料和堆焊工艺。同时，作为过机含沙量这一关键因素和水库调度关系密切，还要作好水库优化调度的文章。

从1990年汛期开始，试验不断增加项目，注重汛期浑水发电的水库优化调度及水文泥沙探究分析，运用电脑泥沙检测仪对过机泥沙含量进行实时检测，对汛期水库排沙泄洪运用方式和发电时段选择进行探索。

许多参加试验探究的科研单位也针对黄河泥沙对抗磨材料气蚀磨损情况，及时总结经验教训，不断完善抗磨材料的性能，提高堆焊工艺水平。

三门峡浑水发电试验得到了全国各级水电水利系统领导和专家的关注，也吸取了全国各方面科技专家的聪明。

1992年8月，水利部在三门峡召开了“三门峡汛期发电及抗磨机组科技攻关研讨会”，来自国务院重大技术装备办公室、设计单位、制造单位、科研单位、大专院校及水利系统的70余名专家，通过实地考察，分析探究，总结研讨，积极献计献策，使攻关工作得到有力的推动。

1993年底，水利部再次在三门峡召开会议，并将三门峡浑水发电试验列为国家“八五”重点科研项目攻关计划。

三门峡枢纽局又陆续对五号、一号、三号机组进行了38种金属和非金属材料试验，从中筛选出四种性能较好的抗磨防护材料。并通过刻苦钻研，反复实验，首先解决了小块试验板防护工艺和小面积试验，最终创造性的解决了水轮机大面积直接施焊工艺，通过1993年、1994年两年汛期真机试验，被防护的水轮机严重磨损破坏区基本完好。从而总结出了三门峡水轮机过流部件表面防护方案，同时根据汛期浑水发电需要，对水库的泄洪排沙、设备检修、水草处理等技术难题进行系统观测和积极探索，在减少泥沙气蚀磨蚀，寻求汛期发电优化时段等关键试验项目中取得了重大突破，使泥沙气蚀对叶片磨损深度由1989年的10至20mm减少到1.5至2mm，对机组中环磨损深度由原来的5至8mm减少到1至1.5mm。

从1989年到1994年，六年试验投入运行机组7台次，总计运行时间409天，累计8335小时，投入试验资金1500万元。

六年攻关，取得了一系列泥沙水文资料，为水库优化调度提供了科学依据，把握了水轮机过流部件磨蚀破坏分布规律及强度特征，对抗磨材料的研制取得了突破性进展，从而为选择水轮机过流部件防护方案和水轮机改型设计提供了科学依据，总结出一整套汛期浑水发电运行管理办法，为多泥沙河流水力发电管理运用提供了宝贵的经验。六年浑水发电直接经济效益达2200万元，其试验成果可以运用于对原5台机组增容和技改。

1995年2月，水利部在三门峡召开汛期浑水发电试验总结鉴定会，鉴定浑水发电试验探究取得了重要科研成果，经济效益和社会效益显著，有推广应用价值，达到了国际先进水平。

三、一号机组技改成功使浑水发电水平全面提高

世纪初年，随着黄河三门峡水利枢纽一号机组技改成功，使黄河浑水发电科技水平又上了一个新台阶，为充分利用宝贵的黄河水资源作出新贡献。

技改后的一号机组容纳了国内国外先进技术，容量由5万kw增至6万kw。且机组运行的稳定性、自动化程度都有较大提高。

六年浑水发电试验成果为今后的浑水发电生产打下了坚实的基础。自1995年，三门峡水利枢纽边试验边生产，使黄河水资源得到了充分利用，产生出巨大的经效益和社会效益。然而只有将试验成果应用于水轮机的设计制造，从根本上解决抗磨新问题和叶片根部裂纹等新问题，也就是说，必须最终通过对机组技术改造才能全面实施浑水发电。

三门峡枢纽局在大力实施浑水发电试验的同时，努力进行着适合黄河三门峡浑水发电的机组技改预备。他们到北京水科院、清华大学、潘家口水利枢纽等十多家科研单位和水利枢纽进行大量的技术调研，并向多家国外水轮机制造公司发出技术咨询，根据三门峡水利枢纽具体情况和专家意见，提出了机组技改初步意见。1993年提出了合理技术参数和试验内容要求，并配合设计单位完成了“可研设计”。1994年和德国伏依特公司合作探究水轮机制造。无数次的辗转反侧，无数次的优化设计，三门峡一号机组技改报告终于通过了上级主管部门批准。

本次机组技改的关键是解决机组水轮机部分对黄河泥沙的抗磨蚀新问题，改造中既吸取了三门峡水电站多年探索达到国际先进水平的汛期浑水发电试验成果，又引进了国际上对水轮机抗磨处于领先地位的德国伏依特公司的先进技术。在真机设计前，结合三门峡水利枢纽多年抗磨经验进行了认真探究吸取，并通过水轮机模型实验，选出了最佳机型后，由德国伏依特公司及其配套的上海希科公司进行了真机设计制造，三门峡枢纽局进行了机组技改施工。

值得一提的是，1999年6月19日，前往三门峡枢纽视察的江总书记，见到正在大修的水轮机叶片时，关切地询问了机组抗磨新问题。

机组技改于1999年11月正式开工。由于三门峡水力发电含沙量大、技术要求高，采用当今国内外先进的科学技术，具有一定的挑战性。在机组技改过程中，碰到了一些前所未有的难题。例如，新制造的机组转轮，结构独特，技术要求苛刻，转轮室为全球形上下分瓣结构，目前为国内首例，在技术要求方面，转轮和转轮室间隙仅3至4mm；原座环手工打磨精度要求在全长20m范围内误差不大于0.1mm，仅为一根头发丝的误差，难度之大,可想而知。又如，由于机组是部分改造，原有座环、尾水管、定子机架等不动，机组中心不变，因而在新旧部件连接、中心高程找正调整等方面，存在很多难题。

面对挑战和困难，参战的三门峡枢纽局一号机项目部、机电检修分公司、水利水电技术开发公司、黄河监理公司三门峡分公司等单位，迎着困难上，紧紧抓住技术质量、施工部署、人员组织等关键环节，充分发挥技术人员和生产骨干的中坚力量，对施工中的难点和技术难题，进行反复的方案论证和模拟试验，全力组织技术攻关，并在施工中进行了精心组织,科学管理，终于攻克了一个个难关，专心血和汗水赢来了一号机技改的成功，从而使黄河浑水发电上了一个新台阶，进一步为黄河乃至国内外多泥沙河流水力发电提供了宝贵的经验，实现了良好的社会效益和经济效益，为国家的经济建设和黄河的治理开发谱写了新的篇章。