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總結，分析了渾水發(fā)電創(chuàng)造的巨大效益及對國內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

“黃河斗水，泥居其七”，要實現黃河渾水發(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。

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“蓄水攔沙”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，短短的幾年內庫區(qū)淤積泥沙50多億t。為此，水庫被迫轉為“滯洪排沙”運用。從1964年國家決定，對三門峽樞紐進行二次改建，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5萬kw的5臺發(fā)電機組，實現了低水頭徑流發(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：即當年11月至翌年6月的非汛期，水庫蓄水運用，泥沙沉積庫內，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，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)泥沙年內進出平衡。對于發(fā)電來說，就出現了非汛期的“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)電試驗成果達到國際先進水平

從1973年底第一臺機組投運到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）泥沙氣蝕對機組水輪機過流部件磨損嚴重，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濟建設和黃河治理開發(fā)的迫切需要出發(fā)，經過大量的科研預備和認真分析，作出了利用即將退役的水輪機葉片開展汛期發(fā)電攻關試驗的決定。得到了國家水利部的批準和有關科研單位的支持。隨即，三門峽樞紐局自籌資金，自立項目，精選科研人員，明確攻關課題，成立科研攻關領導小組，進行強力攻關。

第一次實驗，是通過四號機組從7月21日開始并網發(fā)電，主要布置了水輪機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，經歷一個全汛期發(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。破壞深度最嚴重處達40mm，堆焊在葉片背面的抗磨材料蕩然無存，嚴重的現實，使科技攻關人員感到肩頭責任重大。

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

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)化調度及水文泥沙探究分析，運用電腦泥沙檢測儀對過機泥沙含量進行實時檢測，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，及時總結經驗教訓，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)領導和專家的關注，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)電及抗磨機組科技攻關研討會”，來自國務院重大技術裝備辦公室、設計單位、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，總結研討，積極獻計獻策，使攻關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”重點科研項目攻關計劃。

三門峽樞紐局又陸續(xù)對五號、一號、三號機組進行了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材料。并通過刻苦鉆研，反復實驗，首先解決了小塊試驗板防護工藝和小面積試驗，最終創(chuàng)造性的解決了水輪機大面積直接施焊工藝，通過1993年、1994年兩年汛期真機試驗，被防護的水輪機嚴重磨損破壞區(qū)基本完好。從而總結出了三門峽水輪機過流部件表面防護方案，同時根據汛期渾水發(fā)電需要，對水庫的泄洪排沙、設備檢修、水草處理等技術難題進行系統(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，取得了一系列泥沙水文資料，為水庫優(yōu)化調度提供了科學依據，把握了水輪機過流部件磨蝕破壞分布規(guī)律及強度特征，對抗磨材料的研制取得了突破性進展，從而為選擇水輪機過流部件防護方案和水輪機改型設計提供了科學依據，總結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驗。六年渾水發(fā)電直接經濟效益達2200萬元，其試驗成果可以運用于對原5臺機組增容和技改。

1995年2月，水利部在三門峽召開汛期渾水發(fā)電試驗總結鑒定會，鑒定渾水發(fā)電試驗探究取得了重要科研成果，經濟效益和社會效益顯著，有推廣應用價值，達到了國際先進水平。

三、一號機組技改成功使渾水發(fā)電水平全面提高

世紀初年，隨著黃河三門峽水利樞紐一號機組技改成功，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。

技改后的一號機組容納了國內國外先進技術，容量由5萬kw增至6萬kw。且機組運行的穩(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)電生產打下了堅實的基礎。自1995年，三門峽水利樞紐邊試驗邊生產，使黃河水資源得到了充分利用，產生出巨大的經效益和社會效益。然而只有將試驗成果應用于水輪機的設計制造，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，必須最終通過對機組技術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，努力進行著適合黃河三門峽渾水發(fā)電的機組技改預備。他們到北京水科院、清華大學、潘家口水利樞紐等十多家科研單位和水利樞紐進行大量的技術調研，并向多家國外水輪機制造公司發(fā)出技術咨詢，根據三門峽水利樞紐具體情況和專家意見，提出了機組技改初步意見。1993年提出了合理技術參數和試驗內容要求，并配合設計單位完成了“可研設計”。1994年和德國伏依特公司合作探究水輪機制造。無數次的輾轉反側，無數次的優(yōu)化設計，三門峽一號機組技改報告終于通過了上級主管部門批準。

本次機組技改的關鍵是解決機組水輪機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到國際先進水平的汛期渾水發(fā)電試驗成果，又引進了國際上對水輪機抗磨處于領先地位的德國伏依特公司的先進技術。在真機設計前，結合三門峽水利樞紐多年抗磨經驗進行了認真探究吸取，并通過水輪機模型實驗，選出了最佳機型后，由德國伏依特公司及其配套的上海希科公司進行了真機設計制造，三門峽樞紐局進行了機組技改施工。

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葉片時，關切地詢問了機組抗磨新問題。

機組技改于1999年11月正式開工。由于三門峽水力發(fā)電含沙量大、技術要求高，采用當今國內外先進的科學技術，具有一定的挑戰(zhàn)性。在機組技改過程中，碰到了一些前所未有的難題。例如，新制造的機組轉輪，結構獨特，技術要求苛刻，轉輪室為全球形上下分瓣結構，目前為國內首例，在技術要求方面，轉輪和轉輪室間隙僅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，由于機組是部分改造，原有座環(huán)、尾水管、定子機架等不動，機組中心不變，因而在新舊部件連接、中心高程找正調整等方面，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項目部、機電檢修分公司、水利水電技術開發(fā)公司、黃河監(jiān)理公司三門峽分公司等單位，迎著困難上，緊緊抓住技術質量、施工部署、人員組織等關鍵環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮技術人員和生產骨干的中堅力量，對施工中的難點和技術難題，進行反復的方案論證和模擬試驗，全力組織技術攻關，并在施工中進行了精心組織,科學管理，終于攻克了一個個難關，專心血和汗水贏來了一號機技改的成功，從而使黃河渾水發(fā)電上了一個新臺階，進一步為黃河乃至國內外多泥沙河流水力發(fā)電提供了寶貴的經驗，實現了良好的社會效益和經濟效益，為國家的經濟建設和黃河的治理開發(fā)譜寫了新的篇章。