吾库沙克水电站前池改造

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吾库沙克水电站前池改造 赵学平   张旭 　　关键词　小型水电站　前池　技术改造　吾库沙克水电站 0　概况 　　吾库沙克水电站位于新疆疏附县，始建于1976年，是利用下游灌溉用水进行发电的径流式水电站，也是克孜河出山口梯级开发的第5级水电站。水电站引用流量为26 m³/s，设计水头H_p=14.5 m，单机设计流量Q_p=7.75 m³/s，安装3台水轮发电机组，单机容量为800 kW。
　　电站改造前，压力前池为正向进水，正向引水发电冲沙，侧向溢流排冰，单机单管供水方式，压力管进水口为常规，由快速闸门控制(见图1)。 图1　吾库沙克水电站前池布置(改造前) 　　由于该电站直接从克孜河引水发电，而克孜河为多泥沙河流，多年平均含沙量为6 kg/m³，最大含沙量88.4 kg/m³。泥沙大量进入前池后，底部两孔排沙孔口为直角矩形，只能排除少量泥沙，而大量泥沙随水进入压力管，造成水轮机过流部件的磨损严重，加重了汽蚀破坏，使大修周期一直在4 000～5 000 h，造成电站不能正常运行并使成本增加。同时，克孜河冬季行凌始于头年11月，终于来年3月，行凌期长达5个月，冬季冰块、冰凌随水流拥入前池，由于排冰堰设在侧向，对排冰不利，从而阻塞了流道，使电站不能正常发电。1995年冬，曾因冰块塞满压力管和前池，迫使电站停止发电，投入大量人力进行清冰。因冰冻使快速闸门被冻死，在事故情况下不能及时切断压力管内水流，造成事故扩大，给电站带来不应有的经济损失。鉴于以上原因，吾库沙克水电站自投产以来就不能够正常运行。为此，1996年疏附县电力公司委托我院对吾库沙克水电站前池进行改造。 1　改造项目 　　吾库沙克水电站因存在前池排冰排沙不利、快速闸门失效等问题，根据我院多年来对北方多泥沙河流上水电站设计的成功经验，对吾库沙克水电站作了以下改造。
1.1　改变前池底板坡度、进口形状及设挡沙悬板
　　将原前池底板坡度由1∶6.49改为1∶1坡，使前室有一段水平段，便于泥沙沉积于前室底部。两孔正向冲沙孔进口由原直角矩形改为喇叭形，以增加干扰面积。并在拦沙坎上部投挡沙悬板，以防在水流的扰动下，泥沙由拦沙坎进入压力管内。使沉积在前室的泥砂在底层冲沙水的作用下全部排入泄水道。
1.2　设排冰悬板并改变前池宽度
　　根据该电站前池布置形式为正向进水、正向引水发电和前池正向水流平稳、流速大的特点，在冬季前池最低水位以下400 mm处，在前室设正向排冰悬板，表层水流水位由设在排冰悬板上的舌板门进行控制。当需排冰时，放倒舌板门。由于前池底板倒坡改为1∶1，前池进口至悬板间距离较短，利用水流的惯性力将冰排入悬板后侧的排冰槽内，再排入侧向的泄水陡槽内排入大河。
　　前池排冰是否有效，与前池宽度有着密切的关系：前池过宽，水流进入前池后，由于断面增大而表层流速下降，低于输冰流速，冰块停滞在前池不能排泄；前池过窄，冰块不能顺利进入前池，阻塞在前池进口处和引水渠内，使引水渠被冰冻死。根据我们多年的实践研究，前池宽度应大于冬季引水渠水面宽度，但不应大于设计引水量时水面宽度。冰能顺利进入前池，渠道来水表面流速在瞬间不能降低，从而保证冰块从排冰悬板上排入泄水道，保证电站的正常运行。吾库沙克水电站引水渠冬季上游来水水面宽度为9.52 m，改造后的前池宽度为9.6 m，大于冬季来水水面宽度，从而保证了排冰效果。
1.3　压力管进水口由常规式改为虹吸式
　　常规式压力管进水口是利用快速闸门来控制水流，但由于杂草的阻塞和冬季冰冻而不能正常运行。长时间运行后，闸门止水失效，造成漏水，给停机后的机组产生无效磨损，给检修带来很多不便。将常规压力管进水口改为虹吸式进水口后，由于虹吸式进水口利用真空作用将前池水流引入压力管内，如需断水时，只要将虹吸管驼峰内的真空破坏后，便可切断压力管内的水流。虹吸管内抽真空采用真空泵强制抽气的方式。由于常规进水口室尺寸短，不便在驼峰堰下设充水管室，故需将尾水管出口淹没在水中，机组流道处于封闭状态，压力管内空气由真空泵直接抽取，使驼峰前的水面在负压的作用下上升，当高于驼峰堰顶时，自动翻堰向压力管内充水(此时水轮机导叶处于全关闭状态)，使压力管内充满水，保证机组正常开机发电。当需切断压力管内水流时，开启设在虹吸管驼峰顶板上的真空破坏阀，空气进入虹吸管内破坏了虹吸管内真空，驼峰前水位迅速下降，当水位下降到低于驼峰堰顶，便可达到断流。改造后的前池见图2。 图2　吾库沙克水电站前池布置(改造后) 　　由于一般常规式进水口的最小淹没深度和虹吸式进水口最小淹没深度的要求有所差别，已有的压力管进水口淹没深度是否能满足虹吸进水口要求，是常规进水口能否改为虹吸式进水口的关键问题。虹吸式进水口要求在前池最低水位时，机组突然增加负荷，压力前池末端出现落波后，虹吸管进口顶部还要有不小于2.0 m的淹没深度，以保证不产生吸气漏斗，使空气进入虹吸管内破坏内腔真空，造成自然断流。该水电站前池在最低运行水位时，1台机组负荷突然由零增至满负荷，落波高度Δh=0.46 m，仍有2.0 m的淹没深度，保证了虹吸管进水口在任何前池水位时均能满足其淹没深度。改造是可行的。 2　改造效果 　　1997年冬季该水电站前池改造完毕，投入运行后，引水渠大量冰凌冰块被顺利排入泄水道，没有冰在前池和引水渠内停留，压力管也没再发生冰阻现象。冲沙孔改造后，据电站工人们反映，过去进蜗壳，首先要清理沉积在蜗壳内的泥沙后才能对机组进行检查，现在多次进入蜗壳，均无泥沙，可直接进行机组检查和检修，说明泥沙均被排入泄水道，未能进入压力管。由于压力管进水口改为虹吸式进水口后，在实际运行中，强制性机械抽气只需15 min，如果工作泵和备用泵在第1次抽气时同时投入运行，则抽气时间更短。需断流时，在前池直接操作或厂房远距离操作真空破坏阀开启，只需5 s便可有效断流。具有断流净、断流时间短的特点。由于驼峰堰顶高于前池最高水位，前池水无法进入压力管，停机或检修时，再无渗漏水对机组产生无效磨损和检修不便的问题。
　　通过对吾库沙克水电站的前池改造，为常规式前池改造开拓出了一条新路。说明解决北方多泥沙河流中水电站前池排冰、排沙问题和压力管进水口失控渗漏问题是可能的。 作者单位：赵学平　(喀什地区水利水电勘测设计院，新疆喀什，844000)