摘要摘要：本文通過對三門峽水利樞紐實施渾水發(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)造的巨大效益及對國內(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，三門峽樞紐局實施渾水發(fā)電科技攻關(guān)至今，已歷時13年，走過了一條艱難探索而又光輝燦爛的道路，渾水發(fā)電的實施為黃河乃至國內(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、獨特的“蓄清排渾”運用方式演繹出“清水發(fā)電”和“渾水發(fā)電”

三門峽水利樞紐工程是新中國建立后，于1957年在萬里黃河上動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月下閘蓄水運用后，采用“蓄水?dāng)r沙”的方式運用，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”運用。從1964年國家決定，對三門峽樞紐進(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特的“蓄清排渾”運用方式。之后，陸續(xù)安裝了國產(chǎn)5萬kw的5臺發(fā)電機(jī)組，實現(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。

工程探索出的獨特的“蓄清排渾”運用方式摘要：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)，采用低水位運用，使渾濁泥沙能夠暢通排出水庫，使整個庫區(qū)泥沙年內(nèi)進(jìn)出平衡。對于發(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”兩個運行時段。這一“蓄清排渾”的運用方式還為黃河小浪底、萬家寨及長江三峽等工程的興建提供了有益的借鑒。

二、六年渾水發(fā)電試驗成果達(dá)到國際先進(jìn)水平

從1973年底第一臺機(jī)組投運到1980年，三門峽水利樞紐一直實行全年發(fā)電運行，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噸的卡車運送，需要天天出動110萬輛拉一年）泥沙氣蝕對機(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)試驗的決定。得到了國家水利部的批準(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)。

第一次實驗，是通過四號機(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、葉片根部裂紋發(fā)展情況觀測、水情及泥沙資料觀測、攔污柵運用情況觀測等項目，至10月19日停機(jī)，經(jīng)歷一個全汛期發(fā)電運行，累計運行1883個小時。試驗的葉片從頭部、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，使科技攻關(guān)人員感到肩頭責(zé)任重大。

但也正是通過實驗使他們把握了當(dāng)時條件下的水輪機(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，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，試驗不斷增加項目，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，運用電腦泥沙檢測儀對過機(jī)泥沙含量進(jìn)行實時檢測，對汛期水庫排沙泄洪運用方式和發(fā)電時段選擇進(jìn)行探索。

許多參加試驗探究的科研單位也針對黃河泥沙對抗磨材料氣蝕磨損情況，及時總結(jié)經(jīng)驗教訓(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)電試驗得到了全國各級水電水利系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)和專家的關(guān)注，也吸取了全國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”，來自國務(wù)院重大技術(shù)裝備辦公室、設(shè)計單位、制造單位、科研單位、大專院校及水利系統(tǒng)的70余名專家，通過實地考察，分析探究，總結(jié)研討，積極獻(xiàn)計獻(xiàn)策，使攻關(guān)工作得到有力的推動。

1993年底，水利部再次在三門峽召開會議，并將三門峽渾水發(fā)電試驗列為國家“八五”重點科研項目攻關(guān)計劃。

三門峽樞紐局又陸續(xù)對五號、一號、三號機(jī)組進(jìn)行了38種金屬和非金屬材料試驗，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)實驗，首先解決了小塊試驗板防護(hù)工藝和小面積試驗，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，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，同時根據(jù)汛期渾水發(fā)電需要，對水庫的泄洪排沙、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)化時段等關(guān)鍵試驗項目中取得了重大突破，使泥沙氣蝕對葉片磨損深度由1989年的10至20mm減少到1.5至2mm，對機(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，六年試驗投入運行機(jī)組7臺次，總計運行時間409天，累計8335小時，投入試驗資金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)計提供了科學(xué)依據(jù)，總結(jié)出一整套汛期渾水發(fā)電運行管理辦法，為多泥沙河流水力發(fā)電管理運用提供了寶貴的經(jīng)驗。六年渾水發(fā)電直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)2200萬元，其試驗成果可以運用于對原5臺機(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)電試驗總結(jié)鑒定會，鑒定渾水發(fā)電試驗探究取得了重要科研成果，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，有推廣應(yīng)用價值，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

三、一號機(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機(jī)組技改成功，使黃河渾水發(fā)電科技水平又上了一個新臺階，為充分利用寶貴的黃河水資源作出新貢獻(xiàn)。

技改后的一號機(jī)組容納了國內(nèi)國外先進(jìn)技術(shù)，容量由5萬kw增至6萬kw。且機(jī)組運行的穩(wěn)定性、自動化程度都有較大提高。

六年渾水發(fā)電試驗成果為今后的渾水發(fā)電生產(chǎn)打下了堅實的基礎(chǔ)。自1995年，三門峽水利樞紐邊試驗邊生產(chǎn)，使黃河水資源得到了充分利用，產(chǎn)生出巨大的經(jīng)效益和社會效益。然而只有將試驗成果應(yīng)用于水輪機(jī)的設(shè)計制造，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，必須最終通過對機(jī)組技術(shù)改造才能全面實施渾水發(fā)電。

三門峽樞紐局在大力實施渾水發(fā)電試驗的同時，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)和試驗內(nèi)容要求，并配合設(shè)計單位完成了“可研設(shè)計”。1994年和德國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，三門峽一號機(jī)組技改報告終于通過了上級主管部門批準(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)到國際先進(jìn)水平的汛期渾水發(fā)電試驗成果，又引進(jìn)了國際上對水輪機(jī)抗磨處于領(lǐng)先地位的德國伏依特公司的先進(jìn)技術(shù)。在真機(jī)設(shè)計前，結(jié)合三門峽水利樞紐多年抗磨經(jīng)驗進(jìn)行了認(rèn)真探究吸取，并通過水輪機(jī)模型實驗，選出了最佳機(jī)型后，由德國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，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，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。

面對挑戰(zhàn)和困難，參戰(zhàn)的三門峽樞紐局一號機(jī)項目部、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)骨干的中堅力量，對施工中的難點和技術(shù)難題，進(jìn)行反復(fù)的方案論證和模擬試驗，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，終于攻克了一個個難關(guān)，專心血和汗水贏來了一號機(jī)技改的成功，從而使黃河渾水發(fā)電上了一個新臺階，進(jìn)一步為黃河乃至國內(nèi)外多泥沙河流水力發(fā)電提供了寶貴的經(jīng)驗，實現(xiàn)了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，為國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和黃河的治理開發(fā)譜寫了新的篇章。