TRIZ 規(guī)劃方法剖析水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)

張永強(qiáng)

（和田鼎晟工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，新疆 和田848000）

0 引言

水利蓄能電站與普通電站相比，會(huì)在高處修建一個(gè)儲(chǔ)備用的水庫(kù)。在用電低峰期，水利蓄能電站能夠借助電站自身多余發(fā)電能，將水庫(kù)中的水抽到高處方便存儲(chǔ)。而在用電高峰期，水利蓄能電站將這部分水從高處排除，通過(guò)高落差進(jìn)行發(fā)電[1]。水利蓄能電站能夠調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)載，具有電能調(diào)節(jié)作用，并兼有調(diào)頻調(diào)相功能，電站建成后，以220 kV 接入電網(wǎng)。某水利蓄能電站是由上下水庫(kù)、輸水裝置和地面開(kāi)關(guān)站等組成的建筑物，其中引水裝置采用1 洞2 機(jī)布置方案，尾水裝置采用2 機(jī)1 洞布置方案。而下庫(kù)進(jìn)/出水口依據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，在電站下方以及水庫(kù)兩側(cè)進(jìn)行布置，而在上下游設(shè)置排水涵洞[2]。同時(shí)，為了減少水利蓄能電站進(jìn)/出水口明挖量，隧洞洞線(xiàn)盡可能采用垂直布置方式，將水利蓄能電站進(jìn)/出水口確定在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。基于此，提出了TRIZ 規(guī)劃方法剖析水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)。

1 基于TRIZ 方法規(guī)劃布局模型設(shè)計(jì)

TRIZ 規(guī)劃方法是基于專(zhuān)利知識(shí)的系統(tǒng)化方法，認(rèn)為任何設(shè)備都可以看做一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的，通過(guò)子系統(tǒng)間相互作用實(shí)現(xiàn)水利蓄能電站進(jìn)出水功能[3]。

基于TRIZ 方法規(guī)劃布局過(guò)程模型設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 基于TRIZ 方法規(guī)劃布局模型

基于TRIZ 方法規(guī)劃布局過(guò)程模型，主要分為如下幾個(gè)步驟：

Step1：選定水利蓄能電站，確定布局水利蓄能電站所能實(shí)現(xiàn)的功能；

Step2：構(gòu)建功能模型，借助畫(huà)圖工具，將水利蓄能電站分解，通過(guò)識(shí)別元件與元件之間作用，構(gòu)建功能模型；

Step3：項(xiàng)目線(xiàn)索，設(shè)定水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)主題及關(guān)鍵字進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目檢索，并對(duì)其進(jìn)行項(xiàng)目趨勢(shì)分析，了解該方法現(xiàn)狀；

Step4：設(shè)計(jì)方案分析，匯總水利蓄能電站數(shù)據(jù)，判斷設(shè)計(jì)方案成熟度，根據(jù)該方法應(yīng)用情況，選定方法進(jìn)化路線(xiàn)，確定潛力狀態(tài)；

Step5：水利蓄能電站進(jìn)/出水口方法布局，結(jié)合水利蓄能電站結(jié)構(gòu)，形成多層次布局規(guī)劃[4]。

2 進(jìn)/出水口金屬結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置

水利蓄能電站進(jìn)/出水口主要金屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備包括：引水進(jìn)洞的水利蓄能電站上、下庫(kù)進(jìn)/出水口隔污柵、檢修閘門(mén)，其中進(jìn)/出水口主要金屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)/出水口主要金屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備參數(shù)

（1）上、下庫(kù)進(jìn)/出水口隔污柵

對(duì)于上、下庫(kù)進(jìn)/出水口隔污柵的設(shè)置，選用活動(dòng)?xùn)? 孔的隔污柵，并使其呈直線(xiàn)布置形式。充分考慮到運(yùn)輸條件，需將隔污柵分成5 個(gè)部分，每個(gè)部分設(shè)置正反兩個(gè)方向的滑動(dòng)支承。由于水利蓄能電站進(jìn)/出水口處的污染物較少，且水流是雙向的，因此附著在隔污柵上的污染物較少[5]。而上庫(kù)檢修閘門(mén)設(shè)立在上庫(kù)死水位置以上、下庫(kù)的檢修閘門(mén)與死水位置同等高，因此，對(duì)隔污柵柵葉檢修時(shí)，可將臨時(shí)設(shè)備起吊在檢修平臺(tái)上。

（2）檢修閘門(mén)

輸水發(fā)電系統(tǒng)采用4 機(jī)布置形式，在進(jìn)水口段閘門(mén)處，應(yīng)保證孔口尺寸寬與高系數(shù)一致，而采用平面滑動(dòng)的鋼閘門(mén)，能夠促進(jìn)高揚(yáng)程卷?yè)P(yáng)機(jī)高效運(yùn)作。檢修閘門(mén)處的充水設(shè)施頂部設(shè)置了充水閥，閥門(mén)芯片通過(guò)軸與擔(dān)梁直接連接，固定卷?yè)P(yáng)機(jī)[6]。每扇閘門(mén)在檢修平臺(tái)上部設(shè)置了電動(dòng)鎖定裝置，防止卷?yè)P(yáng)機(jī)動(dòng)/關(guān)閉制動(dòng)器失效所造成的檢修閘門(mén)突然降落事故[7]。

3 基于TRIZ 方法的進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)

基于上述選用的進(jìn)/出水口金屬結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置，設(shè)計(jì)基于TRIZ 方法的進(jìn)/出水口。

3.1 進(jìn)/出水口型式

水利蓄能電站進(jìn)/出水口主要有井式和岸邊側(cè)式兩種，由于岸邊側(cè)式布設(shè)了事故檢修閘門(mén)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，水頭損失較小[8]。充分考慮到工程下水庫(kù)天然徑流上已經(jīng)建立的水庫(kù)，存在少量泥沙問(wèn)題，因此，為了減少水庫(kù)泥沙對(duì)進(jìn)/出水口進(jìn)水與排水的影響，需實(shí)時(shí)檢修尾水引水進(jìn)水口，并嚴(yán)謹(jǐn)控流。根據(jù)檢修閘門(mén)井的布置形式，可分為豎井式和塔式兩種，由于水利蓄能電站進(jìn)/出水口所處位置相對(duì)平緩，依據(jù)地質(zhì)和地形條件無(wú)法決定豎井式進(jìn)/出水口，因此，最終確定水利蓄能電站進(jìn)/出水口為側(cè)向塔式進(jìn)/出水口[9]。

3.2 進(jìn)/出水口寬度確定

進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)主要是由閘門(mén)、調(diào)整段、隔污柵、清理池、明渠、檢修平臺(tái)、公路平臺(tái)組成的，在TRIZ 規(guī)劃方案支持下，下庫(kù)進(jìn)/出水口寬度主要是由兩個(gè)條件確定的：

（1）兩條尾水洞凈間距

兩條尾水洞凈間距依據(jù)TRIZ 規(guī)劃方案，確定尾水洞洞徑大小。

（2）隔污柵寬度

由流經(jīng)隔污柵水流流速確定隔污柵寬度，根據(jù)TRIZ 設(shè)計(jì)規(guī)范，控制水流流速[10～11]。

3.3 結(jié)構(gòu)確定

根據(jù)上述確定的進(jìn)/出水口寬度，分析水流特性，確定擴(kuò)散段內(nèi)的有壓緩流擴(kuò)散阻力[12]。斷面能量方程為：

兩個(gè)斷面面積分別為：

式中：S0和S1分別為側(cè)向塔式前端斷面和后端斷面面積；r 和R分別表示兩個(gè)斷面的直徑[14]。

兩個(gè)斷面流速分布調(diào)整需要從垂直和平面兩個(gè)方面進(jìn)行，兩者是相關(guān)的，存在分流隔墻，各個(gè)孔道過(guò)流量基本一致，這是影響水頭損失的主要因素。通常擴(kuò)散段底板位于斷面處，接近于平底狀態(tài)，一旦頂板擴(kuò)張不當(dāng)，就會(huì)在頂部產(chǎn)生水流分離現(xiàn)象，因此，需克服頂部所產(chǎn)生的水流分離問(wèn)題，盡量保持流速均勻。擴(kuò)散段前洞身應(yīng)與坡底呈5°向上的角度，使擴(kuò)散段入流水體本身向上出流，抵消了頂板擴(kuò)張角度偏大的問(wèn)題，無(wú)負(fù)流速出現(xiàn)[15]。

擴(kuò)散段接修一段水平頂板后，整流段的側(cè)式進(jìn)水口設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 整流段的側(cè)式進(jìn)水口設(shè)計(jì)

評(píng)定整流端的設(shè)計(jì)能夠適當(dāng)減小擴(kuò)散長(zhǎng)度，使水流未分離之前就進(jìn)入整流階段，不存在擴(kuò)散段內(nèi)壓力遞增情況，進(jìn)而消除局部負(fù)流速現(xiàn)象，達(dá)到水流均勻調(diào)整的目的。

依據(jù)上述內(nèi)容，設(shè)計(jì)水利蓄能電站進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。

圖3 水利蓄能電站進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)是由擴(kuò)散段、隔污柵和防渦梁組成的，其中擴(kuò)散段是由分流隔墻分成的孔流道，并呈平面擴(kuò)張角形態(tài)，從流體運(yùn)動(dòng)角度分析，水利蓄能電站進(jìn)/出水口屬漸擴(kuò)管或漸縮管，分別控制水流流出和水流流進(jìn)。對(duì)于水利蓄能電站來(lái)說(shuō)，進(jìn)/出水口都承受雙向流動(dòng)水流影響。

進(jìn)出水口底板呈放射狀，分流墩外圍各布置了3 根防渦梁，水流從四周進(jìn)出。進(jìn)/出水口底板設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

圖4 進(jìn)/出水口底板設(shè)計(jì)

綜合考慮水利蓄能電站安全以及引水洞開(kāi)挖安全，完成了以上設(shè)計(jì)方案。

4 實(shí)驗(yàn)

水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)方案與TRIZ 創(chuàng)新原理緊密結(jié)合，使設(shè)計(jì)方案更容易實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證TRIZ 規(guī)劃方法剖析水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)合理性，以新疆某水利蓄能電站為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行研究。

4.1 工程概況

新疆某水利蓄能電站為1 d 調(diào)節(jié)純水利蓄能電站，主要是由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、下水庫(kù)以及地面開(kāi)關(guān)站組成的，電站內(nèi)部裝有4 臺(tái)單機(jī)容量為300 MW 的可逆式水泵水槍機(jī)組，總裝機(jī)容量為1500 MW。水利蓄能電站在電網(wǎng)中主要擔(dān)負(fù)調(diào)峰作用，電站建成后，以220 kV 出線(xiàn)接入電網(wǎng)之中。

水利蓄能電站簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。

圖5 泰安水利蓄能電站簡(jiǎn)圖

水利蓄能電站輸水系統(tǒng)主要布置于山丘陵區(qū)內(nèi)，引水裝置采用4 機(jī)布置方案，尾水系統(tǒng)為2 洞布置方案，下庫(kù)進(jìn)/出水口根據(jù)樞紐，設(shè)計(jì)具體布置要求。為了盡可能減少下庫(kù)進(jìn)/出水口明挖量，明渠軸線(xiàn)盡可能垂直平底。

4.2 主要參數(shù)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別采用傳統(tǒng)方法與TRIZ 規(guī)劃方法對(duì)水利蓄能電站進(jìn)/出水口的進(jìn)水和出水情況進(jìn)行分析，并使用LS300 型智能水流測(cè)速計(jì)對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（1）進(jìn)水情況

針對(duì)水利蓄能電站進(jìn)水情況，見(jiàn)圖6。

圖6 實(shí)際進(jìn)水情況對(duì)比分析

由圖6 可知，在不同水深流速橫向分布情況下，水利蓄能電站進(jìn)水流速逐漸下降，當(dāng)橫向長(zhǎng)度為2.0 m 以?xún)?nèi)時(shí)，水利蓄能電站進(jìn)水流速?gòu)?.3 m/s 降為1.1 m/s；當(dāng)橫向長(zhǎng)度為2.0 m～3.0 m時(shí)，水利蓄能電站進(jìn)水流速?gòu)?.1 m/s 下降到0.9 m/s；當(dāng)橫向長(zhǎng)度為3.0 m～4.0 m 時(shí)，水利蓄能電站進(jìn)水流速?gòu)?.9 m/s 上升到1.8 m/s；當(dāng)橫向長(zhǎng)度為4.0 m～7.0 m 時(shí)，水利蓄能電站進(jìn)水流速?gòu)?.8 m/s 下降到0，此時(shí)水利蓄能電站進(jìn)水完畢。

基于上述情況，將兩種方法進(jìn)水情況對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 兩種方法進(jìn)水流速對(duì)比分析

采用傳統(tǒng)方法在進(jìn)水過(guò)程中，由于前期流速過(guò)快，導(dǎo)致后期水流全部流入；而在實(shí)際過(guò)程中，需對(duì)流速進(jìn)行控制，減緩水利蓄能電站受到的水壓壓力，而TRIZ 規(guī)劃方法正好做到了這一點(diǎn)，與實(shí)際進(jìn)行情況基本一致。

（2）出水情況

針對(duì)水利蓄能電站出水情況，見(jiàn)圖7。

圖7 實(shí)際出水情況對(duì)比分析

由圖7 可知，當(dāng)橫向長(zhǎng)度為2.0 m 以?xún)?nèi)時(shí)，水利蓄能電站出水流速?gòu)?.8 m/s 升為1.7 m/s；當(dāng)橫向長(zhǎng)度為2.0 m～5.0 m時(shí)，水利蓄能電站出水流速保持1.7 m/s 不變；當(dāng)橫向長(zhǎng)度為5.0 m～7.0 m 時(shí)，水利蓄能電站出水流速?gòu)?.7 m/s 下降到0。

基于上述情況，將兩種方法出水情況對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 兩種方法進(jìn)水流速對(duì)比分析

采用傳統(tǒng)方法在出水過(guò)程中，前期出水速度依然較快，導(dǎo)致后期水流全部流失；而TRIZ 規(guī)劃方法控制了出水速度，減緩水利蓄能電站受到的水壓壓力，這與實(shí)際情況是一致的。

綜上所述：TRIZ 規(guī)劃方法剖析水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)是具有合理性的。

5 結(jié)語(yǔ)

TRIZ 規(guī)劃方法剖析水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)可將設(shè)計(jì)過(guò)程變得更加簡(jiǎn)便，設(shè)計(jì)更容易實(shí)現(xiàn)。TRIZ 規(guī)劃方法不僅能夠指導(dǎo)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，還能評(píng)估設(shè)計(jì)方案實(shí)施的可行性。再加上設(shè)計(jì)方案具有可復(fù)制性，對(duì)于任意產(chǎn)品創(chuàng)新都是具有指導(dǎo)性意義的。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可知，該設(shè)計(jì)方案有效控制了水流流速。

進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，需要結(jié)合水力學(xué)、巖土性質(zhì)特點(diǎn)，提高水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)水平。然而，該內(nèi)容缺乏從工程應(yīng)用角度分析的成果，因此，需從基礎(chǔ)性工作加以聯(lián)系，對(duì)一些實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行研究，保證分流隔墻能夠合理布置。