摘要摘要：本文通過對(duì)三門峽水利樞紐實(shí)施渾水發(fā)電艱難探索歷程的科學(xué)總結(jié)，分析了渾水發(fā)電創(chuàng)造的巨大效益及對(duì)國(guó)內(nèi)外多泥沙河流充分利用水力資源提供的有益借鑒。

摘要：黃河三門峽水利樞紐渾水發(fā)電攻關(guān)

“黃河斗水，泥居其七”，要實(shí)現(xiàn)黃河渾水發(fā)電，是具有世界性挑戰(zhàn)的難題！然而在三門峽水利樞紐被攻克了！從1989年始，三門峽樞紐局實(shí)施渾水發(fā)電科技攻關(guān)至今，已歷時(shí)13年，走過了一條艱難探索而又光輝燦爛的道路，渾水發(fā)電的實(shí)施為黃河乃至國(guó)內(nèi)外多泥沙河流提供了有益借鑒，為寶貴的水力資源充分發(fā)揮發(fā)電效益做出了巨大貢獻(xiàn)。

一、獨(dú)特的“蓄清排渾”運(yùn)用方式演繹出“清水發(fā)電”和“渾水發(fā)電”

三門峽水利樞紐工程是新中國(guó)建立后，于1957年在萬里黃河上動(dòng)工興建的第一座大型水利樞紐。控制黃河流域面積的91.5％、控制黃河來水量的89％及來沙量的98％，自1960年9月下閘蓄水運(yùn)用后，采用“蓄水?dāng)r沙”的方式運(yùn)用，滾滾黃河水，每年攜帶十幾億t的泥沙涌向三門峽，到1964年10月，短短的幾年內(nèi)庫區(qū)淤積泥沙50多億t。為此，水庫被迫轉(zhuǎn)為“滯洪排沙”運(yùn)用。從1964年國(guó)家決定，對(duì)三門峽樞紐進(jìn)行二次改建，增大泄洪排沙規(guī)模，并于1973年起成功的探索出水庫獨(dú)特的“蓄清排渾”運(yùn)用方式。之后，陸續(xù)安裝了國(guó)產(chǎn)5萬kw的5臺(tái)發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了低水頭徑流發(fā)電。

至此，在黃河上具有非凡位置的三門峽工程，真正投入正常運(yùn)用并發(fā)揮出防洪、防凌、澆灌、供水、發(fā)電等巨大的綜合效益。

工程探索出的獨(dú)特的“蓄清排渾”運(yùn)用方式摘要：即當(dāng)年11月至翌年6月的非汛期，水庫蓄水運(yùn)用，泥沙沉積庫內(nèi)，待到汛期通過洪水泄下去；7至10月的黃河汛期，利用洪水挾沙能力強(qiáng)，采用低水位運(yùn)用，使渾濁泥沙能夠暢通排出水庫，使整個(gè)庫區(qū)泥沙年內(nèi)進(jìn)出平衡。對(duì)于發(fā)電來說，就出現(xiàn)了非汛期的“清水發(fā)電”和汛期的“渾水發(fā)電”兩個(gè)運(yùn)行時(shí)段。這一“蓄清排渾”的運(yùn)用方式還為黃河小浪底、萬家寨及長(zhǎng)江三峽等工程的興建提供了有益的借鑒。

二、六年渾水發(fā)電試驗(yàn)成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平

從1973年底第一臺(tái)機(jī)組投運(yùn)到1980年，三門峽水利樞紐一直實(shí)行全年發(fā)電運(yùn)行，汛期根據(jù)水情間斷發(fā)電。但由于三門峽處多泥沙河段，年平均含沙量為37.6kg/m3，最高達(dá)911kg/m3，多年平均輸泥量為16億t。（假如用載重4噸的卡車運(yùn)送，需要天天出動(dòng)110萬輛拉一年）泥沙氣蝕對(duì)機(jī)組水輪機(jī)過流部件磨損嚴(yán)重，被迫于1980年汛期停止發(fā)電運(yùn)行，從此黃河汛期渾水發(fā)電被視為“禁區(qū)”。這使水利樞紐每年相當(dāng)于3億kw·h的發(fā)電水能不能利用，而白白流失。

1989年，三門峽樞紐局從國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和黃河治理開發(fā)的迫切需要出發(fā)，經(jīng)過大量的科研預(yù)備和認(rèn)真分析，作出了利用即將退役的水輪機(jī)葉片開展汛期發(fā)電攻關(guān)試驗(yàn)的決定。得到了國(guó)家水利部的批準(zhǔn)和有關(guān)科研單位的支持。隨即，三門峽樞紐局自籌資金，自立項(xiàng)目，精選科研人員，明確攻關(guān)課題，成立科研攻關(guān)領(lǐng)導(dǎo)小組，進(jìn)行強(qiáng)力攻關(guān)。

第一次實(shí)驗(yàn)，是通過四號(hào)機(jī)組從7月21日開始并網(wǎng)發(fā)電，主要布置了水輪機(jī)過流部件氣蝕磨蝕情況觀測(cè)、葉片根部裂紋發(fā)展情況觀測(cè)、水情及泥沙資料觀測(cè)、攔污柵運(yùn)用情況觀測(cè)等項(xiàng)目，至10月19日停機(jī)，經(jīng)歷一個(gè)全汛期發(fā)電運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行1883個(gè)小時(shí)。試驗(yàn)的葉片從頭部、背面、外緣端面均被泥沙氣蝕磨損得裂紋道道，傷痕累累。破壞深度最嚴(yán)重處達(dá)40mm，堆焊在葉片背面的抗磨材料蕩然無存，嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)，使科技攻關(guān)人員感到肩頭責(zé)任重大。

但也正是通過實(shí)驗(yàn)使他們把握了當(dāng)時(shí)條件下的水輪機(jī)氣蝕、磨損破壞規(guī)律，找到了要解決的新問題癥結(jié)在于選擇好抗磨材料和堆焊工藝。同時(shí)，作為過機(jī)含沙量這一關(guān)鍵因素和水庫調(diào)度關(guān)系密切，還要作好水庫優(yōu)化調(diào)度的文章。

從1990年汛期開始，試驗(yàn)不斷增加項(xiàng)目，注重汛期渾水發(fā)電的水庫優(yōu)化調(diào)度及水文泥沙探究分析，運(yùn)用電腦泥沙檢測(cè)儀對(duì)過機(jī)泥沙含量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)汛期水庫排沙泄洪運(yùn)用方式和發(fā)電時(shí)段選擇進(jìn)行探索。

許多參加試驗(yàn)探究的科研單位也針對(duì)黃河泥沙對(duì)抗磨材料氣蝕磨損情況，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷完善抗磨材料的性能，提高堆焊工藝水平。

三門峽渾水發(fā)電試驗(yàn)得到了全國(guó)各級(jí)水電水利系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)和專家的關(guān)注，也吸取了全國(guó)各方面科技專家的聰明。

1992年8月，水利部在三門峽召開了“三門峽汛期發(fā)電及抗磨機(jī)組科技攻關(guān)研討會(huì)”，來自國(guó)務(wù)院重大技術(shù)裝備辦公室、設(shè)計(jì)單位、制造單位、科研單位、大專院校及水利系統(tǒng)的70余名專家，通過實(shí)地考察，分析探究，總結(jié)研討，積極獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，使攻關(guān)工作得到有力的推動(dòng)。

1993年底，水利部再次在三門峽召開會(huì)議，并將三門峽渾水發(fā)電試驗(yàn)列為國(guó)家“八五”重點(diǎn)科研項(xiàng)目攻關(guān)計(jì)劃。

三門峽樞紐局又陸續(xù)對(duì)五號(hào)、一號(hào)、三號(hào)機(jī)組進(jìn)行了38種金屬和非金屬材料試驗(yàn)，從中篩選出四種性能較好的抗磨防護(hù)材料。并通過刻苦鉆研，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，首先解決了小塊試驗(yàn)板防護(hù)工藝和小面積試驗(yàn)，最終創(chuàng)造性的解決了水輪機(jī)大面積直接施焊工藝，通過1993年、1994年兩年汛期真機(jī)試驗(yàn)，被防護(hù)的水輪機(jī)嚴(yán)重磨損破壞區(qū)基本完好。從而總結(jié)出了三門峽水輪機(jī)過流部件表面防護(hù)方案，同時(shí)根據(jù)汛期渾水發(fā)電需要，對(duì)水庫的泄洪排沙、設(shè)備檢修、水草處理等技術(shù)難題進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)和積極探索，在減少泥沙氣蝕磨蝕，尋求汛期發(fā)電優(yōu)化時(shí)段等關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目中取得了重大突破，使泥沙氣蝕對(duì)葉片磨損深度由1989年的10至20mm減少到1.5至2mm，對(duì)機(jī)組中環(huán)磨損深度由原來的5至8mm減少到1至1.5mm。

從1989年到1994年，六年試驗(yàn)投入運(yùn)行機(jī)組7臺(tái)次，總計(jì)運(yùn)行時(shí)間409天，累計(jì)8335小時(shí)，投入試驗(yàn)資金1500萬元。

六年攻關(guān)，取得了一系列泥沙水文資料，為水庫優(yōu)化調(diào)度提供了科學(xué)依據(jù)，把握了水輪機(jī)過流部件磨蝕破壞分布規(guī)律及強(qiáng)度特征，對(duì)抗磨材料的研制取得了突破性進(jìn)展，從而為選擇水輪機(jī)過流部件防護(hù)方案和水輪機(jī)改型設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)，總結(jié)出一整套汛期渾水發(fā)電運(yùn)行管理辦法，為多泥沙河流水力發(fā)電管理運(yùn)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。六年渾水發(fā)電直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)2200萬元，其試驗(yàn)成果可以運(yùn)用于對(duì)原5臺(tái)機(jī)組增容和技改。

1995年2月，水利部在三門峽召開汛期渾水發(fā)電試驗(yàn)總結(jié)鑒定會(huì)，鑒定渾水發(fā)電試驗(yàn)探究取得了重要科研成果，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，有推廣應(yīng)用價(jià)值，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

三、一號(hào)機(jī)組技改成功使渾水發(fā)電水平全面提高

世紀(jì)初年，隨著黃河三門峽水利樞紐一號(hào)機(jī)組技改成功，使黃河渾水發(fā)電科技水平又上了一個(gè)新臺(tái)階，為充分利用寶貴的黃河水資源作出新貢獻(xiàn)。

技改后的一號(hào)機(jī)組容納了國(guó)內(nèi)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，容量由5萬kw增至6萬kw。且機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性、自動(dòng)化程度都有較大提高。

六年渾水發(fā)電試驗(yàn)成果為今后的渾水發(fā)電生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。自1995年，三門峽水利樞紐邊試驗(yàn)邊生產(chǎn)，使黃河水資源得到了充分利用，產(chǎn)生出巨大的經(jīng)效益和社會(huì)效益。然而只有將試驗(yàn)成果應(yīng)用于水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造，從根本上解決抗磨新問題和葉片根部裂紋等新問題，也就是說，必須最終通過對(duì)機(jī)組技術(shù)改造才能全面實(shí)施渾水發(fā)電。

三門峽樞紐局在大力實(shí)施渾水發(fā)電試驗(yàn)的同時(shí)，努力進(jìn)行著適合黃河三門峽渾水發(fā)電的機(jī)組技改預(yù)備。他們到北京水科院、清華大學(xué)、潘家口水利樞紐等十多家科研單位和水利樞紐進(jìn)行大量的技術(shù)調(diào)研，并向多家國(guó)外水輪機(jī)制造公司發(fā)出技術(shù)咨詢，根據(jù)三門峽水利樞紐具體情況和專家意見，提出了機(jī)組技改初步意見。1993年提出了合理技術(shù)參數(shù)和試驗(yàn)內(nèi)容要求，并配合設(shè)計(jì)單位完成了“可研設(shè)計(jì)”。1994年和德國(guó)伏依特公司合作探究水輪機(jī)制造。無數(shù)次的輾轉(zhuǎn)反側(cè)，無數(shù)次的優(yōu)化設(shè)計(jì)，三門峽一號(hào)機(jī)組技改報(bào)告終于通過了上級(jí)主管部門批準(zhǔn)。

本次機(jī)組技改的關(guān)鍵是解決機(jī)組水輪機(jī)部分對(duì)黃河泥沙的抗磨蝕新問題，改造中既吸取了三門峽水電站多年探索達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的汛期渾水發(fā)電試驗(yàn)成果，又引進(jìn)了國(guó)際上對(duì)水輪機(jī)抗磨處于領(lǐng)先地位的德國(guó)伏依特公司的先進(jìn)技術(shù)。在真機(jī)設(shè)計(jì)前，結(jié)合三門峽水利樞紐多年抗磨經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了認(rèn)真探究吸取，并通過水輪機(jī)模型實(shí)驗(yàn)，選出了最佳機(jī)型后，由德國(guó)伏依特公司及其配套的上海希科公司進(jìn)行了真機(jī)設(shè)計(jì)制造，三門峽樞紐局進(jìn)行了機(jī)組技改施工。

值得一提的是，1999年6月19日，前往三門峽樞紐視察的江總書記，見到正在大修的水輪機(jī)葉片時(shí)，關(guān)切地詢問了機(jī)組抗磨新問題。

機(jī)組技改于1999年11月正式開工。由于三門峽水力發(fā)電含沙量大、技術(shù)要求高，采用當(dāng)今國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，具有一定的挑戰(zhàn)性。在機(jī)組技改過程中，碰到了一些前所未有的難題。例如，新制造的機(jī)組轉(zhuǎn)輪，結(jié)構(gòu)獨(dú)特，技術(shù)要求苛刻，轉(zhuǎn)輪室為全球形上下分瓣結(jié)構(gòu)，目前為國(guó)內(nèi)首例，在技術(shù)要求方面，轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室間隙僅3至4mm；原座環(huán)手工打磨精度要求在全長(zhǎng)20m范圍內(nèi)誤差不大于0.1mm，僅為一根頭發(fā)絲的誤差，難度之大,可想而知。又如，由于機(jī)組是部分改造，原有座環(huán)、尾水管、定子機(jī)架等不動(dòng)，機(jī)組中心不變，因而在新舊部件連接、中心高程找正調(diào)整等方面，存在很多難題。

面對(duì)挑戰(zhàn)和困難，參戰(zhàn)的三門峽樞紐局一號(hào)機(jī)項(xiàng)目部、機(jī)電檢修分公司、水利水電技術(shù)開發(fā)公司、黃河監(jiān)理公司三門峽分公司等單位，迎著困難上，緊緊抓住技術(shù)質(zhì)量、施工部署、人員組織等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮技術(shù)人員和生產(chǎn)骨干的中堅(jiān)力量，對(duì)施工中的難點(diǎn)和技術(shù)難題，進(jìn)行反復(fù)的方案論證和模擬試驗(yàn)，全力組織技術(shù)攻關(guān)，并在施工中進(jìn)行了精心組織,科學(xué)管理，終于攻克了一個(gè)個(gè)難關(guān)，專心血和汗水贏來了一號(hào)機(jī)技改的成功，從而使黃河渾水發(fā)電上了一個(gè)新臺(tái)階，進(jìn)一步為黃河乃至國(guó)內(nèi)外多泥沙河流水力發(fā)電提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和黃河的治理開發(fā)譜寫了新的篇章。