黃土高原水電站排沙系統(tǒng)的研究與思考

席旺富，劉 軍

(榆林市榆陽區(qū)中營(yíng)盤水電站服務(wù)中心，陜西 榆林 719000)

0 引 言

黃土高原因?yàn)樗亮魇Я看螅铀沉看螅沟盟娬具\(yùn)行幾年后，便會(huì)因?yàn)槿霂炷嗌车脑黾訉?dǎo)致庫容減小，造成最常見的水庫淤積問題[1]。另外，還會(huì)造成水電站機(jī)組磨損嚴(yán)重，嚴(yán)重影響其效益發(fā)揮。為了減小泥沙帶來的災(zāi)害，需對(duì)水電站的排沙系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 泥沙對(duì)水電站的影響

水庫淤積，是一個(gè)普遍存在的問題[2]，已經(jīng)嚴(yán)重地制約著水電站正常的生產(chǎn)運(yùn)行，極大地限制了水電站效益的發(fā)揮，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

(1)由于泥沙顆粒粗，質(zhì)地堅(jiān)硬[3]，大量泥沙堆積在攔污柵前，漂流物和懸浮物吸附在攔污柵上，阻塞攔污柵侵占水電站進(jìn)水流道，造成水輪機(jī)無法進(jìn)水，機(jī)組被迫停機(jī)。

(2)泥沙阻塞水輪發(fā)電機(jī)組冷卻水系統(tǒng)，造成水輪機(jī)水系統(tǒng)癱瘓。

2 水電站泥沙的研究

2.1 泥沙的分類

隨著庫區(qū)泥沙的不斷淤積,引水含沙量不斷增加,不僅影響發(fā)電效益、加速機(jī)組過流部件磨損,甚至?xí)斐尚购殚l門無法正常開啟[4]。水電站排沙問題的研究從泥沙的結(jié)構(gòu)分析是解決排沙問題的關(guān)鍵，在水文學(xué)中泥沙可分為懸移質(zhì)和推移質(zhì)兩大類：

(1)懸移質(zhì)。所謂懸移質(zhì)，顧名思義就是懸浮在水中的物質(zhì)，它主要分為兩大類：浮在水中的泥沙和懸浮在水中的其他物質(zhì)，如塑料袋、動(dòng)物尸體等。

(2)推移質(zhì)。所謂推移質(zhì)，顧名思義就是被水推移的物質(zhì)，主要分為兩大類：水中4～10 mm的石塊和漂流在水面的樹枝、衣物、浮冰等。

2.2 泥沙影響水電站運(yùn)行的原因

2.2.1 泥沙堆積攔污柵前，阻塞攔污柵，侵占水電站進(jìn)水流道的原因

水電站的引水樞紐一般是由大壩(水電站)、進(jìn)水建筑物、沖沙閘組成。由于建壩形成壩區(qū)(庫區(qū))，在壩區(qū)隨水流移動(dòng)的懸移質(zhì)和推移質(zhì)由于流速下降就開始向壩區(qū)沉積，比重大的顆粒沉積在壩區(qū)上游，比重比較輕的顆粒就沉積到攔污柵前；不能再沉積和漂流在水面上且體積大于攔污柵柵孔的物質(zhì)就吸附在攔污柵上，小于攔污柵柵孔的物質(zhì)從水輪機(jī)排向下游河道。隨著水中動(dòng)物尸體、衣物、塑料袋等漂流物在攔污柵上吸附，粒徑少于攔污柵柵孔的懸浮物也逐漸在攔污柵前堆積起來，加速了柵前泥沙的堆積；堆積物越堆越高，引水流道越來越小，水輪機(jī)出力越來越低，直到最后阻塞整個(gè)攔污柵柵孔，機(jī)組無法進(jìn)水只能停機(jī)。

2.2.2 泥沙阻塞水輪發(fā)電機(jī)組冷卻水系統(tǒng)的原因

水電站冷卻水多取于壓力管道中的發(fā)電用水，經(jīng)濾水器過濾后對(duì)發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)軸承進(jìn)行冷卻。由于濾水器體積的限制無法滿足水中泥沙在濾水器中的堆積，濾水器清理不及時(shí)就會(huì)逼迫停機(jī)。

3 解決辦法

電站引水防水的主要問題是防止推移質(zhì)泥沙和懸移質(zhì)較粗的泥沙進(jìn)入電站[5]。

3.1 泥沙堆積在攔污柵前侵占水電站進(jìn)水流道的解決辦法

(1)采用格柵式?jīng)_沙底孔和沖沙閘相結(jié)合的辦法可以排除攔污柵前泥沙的堆積。

(2)采用自動(dòng)式攔污柵和沖污渠道相結(jié)合的方法可以完全清理攔污柵上的吸附物。

(3)采用漂流閘門和漂流壩相結(jié)合的辦法可以完全清理來自上游的漂流物。

3.2 泥沙阻塞水輪發(fā)電機(jī)組冷卻水系統(tǒng)的解決辦法

采用恒流自循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和自動(dòng)外循環(huán)水冷卻系統(tǒng)可以徹底解決泥沙阻塞水輪發(fā)電機(jī)組冷卻水系統(tǒng)的問題。

4 水電站排沙問題的原理

4.1 格柵式?jīng)_沙底孔排沙的原理

格柵式?jīng)_沙底孔排沙的基本原理是利用水力學(xué)中水流的大于不沖流速結(jié)合紊流的原理將堆積在進(jìn)水口的泥沙排往下游，其具體設(shè)計(jì)辦法如下所示(見圖1)。

圖1 格柵式?jīng)_沙底孔、自動(dòng)攔污柵排污渠和漂流物漂流原理示意

(1)泥沙量的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)站壩址以上流域面積內(nèi)多年平均懸移質(zhì)和推移質(zhì)的總含量按以下公式計(jì)算：

H=(G1×Q2×r1×t)/(S×Q1)

式中，H為洪水淤積深度(m)；G1為壩址以上流域面積內(nèi)多年平均懸移質(zhì)和推移質(zhì)含沙量(t)；Q1為多年平均徑流量(m3/s)；Q2為水輪機(jī)引水流量(m3/s)；r1為泥沙容重(m3/t)；S為水電站面積(m3)；t為預(yù)計(jì)排沙底孔開啟時(shí)間(按進(jìn)水口淹沒深度和排沙底孔深度比，經(jīng)過淤積、排除綜合比較確定)。

(2)沖沙底孔容積的確定

V=H×S

式中，V為沖沙底孔容積；H同上式；S為底孔面積(底孔面積=沖沙閘寬度×進(jìn)水室橫截面長(zhǎng)度)。

(3)沖沙底孔流速的確定

由于沖沙底孔的寬度和沖沙閘寬度相等，所以流速等于沖沙閘出水流速。

(4)格柵式?jīng)_沙底孔的隔板確定

① 沖沙底孔流量

沖沙底孔流量=連接沖沙底孔的沖沙閘出流流量=∑q1～n

式中，∑q1～n為n個(gè)格柵孔流量的和。

②格柵長(zhǎng)度

格柵長(zhǎng)度等于沖沙閘長(zhǎng)度。

③格柵孔寬度

格柵孔寬度=柵孔流量/(柵孔流速×格柵寬度)

(5)沖沙底孔的比降=底孔高度的一半/進(jìn)水室寬度×100%。

(6)格柵式?jīng)_沙底孔的原理如圖1所示的Ⅰ部分。

4.2 攔污柵吸附物的排除

(1)采用自動(dòng)攔污柵可自動(dòng)清除攔污柵上吸附物，這種攔污柵在市場(chǎng)可以購(gòu)置，這里不再重述。

(2)采用排污渠可以將攔污柵吸附物排向大壩下游。自動(dòng)攔污柵能將攔污柵吸附物提升到一定的高度，排污渠可將吸附物通過水流排向大壩下游。

(3)原理如圖1所示的Ⅱ部分。

4.3 漂流物的排除

有關(guān)數(shù)據(jù)按以下方式計(jì)算：

(1)漂流物量的確定

漂流物量按以下公式計(jì)算：

V= (G2×Q2×r2×t)/(S×Q1)

式中，V為漂流物體積；G2為壩址以上流域面積內(nèi)多年平均推移質(zhì)含沙量(t)；r2為推移質(zhì)綜合容重(m3/t)；其他同以上公式意義。

V=堰寬×溢流高度；堰寬=沖沙閘寬度；溢流高度=V/堰寬。

(2)堰頂高程

堰頂高程=設(shè)計(jì)上游水位-溢流高度

(3)根據(jù)以上計(jì)算繪制漂流物排除設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示的Ⅲ部分。

4.4 泥沙阻塞冷卻水的排除

(1)采用恒流自循環(huán)解決水電站內(nèi)部水冷卻問題。

水電站冷卻系統(tǒng)分兩大類：一是發(fā)電機(jī)冷卻；二是機(jī)組軸承冷卻。無論哪種冷卻都是需要冷卻水。恒流自循環(huán)系統(tǒng)包括兩個(gè)方面：

①自循環(huán)系統(tǒng)。自循環(huán)系統(tǒng)就是將發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)、軸承冷卻系統(tǒng)、冷卻水池連接成一個(gè)整體形成自循環(huán)。這樣自循環(huán)系統(tǒng)只有滲漏和蒸發(fā)的流逝，對(duì)水的需求量大大減少。

②計(jì)算機(jī)監(jiān)控的恒流系統(tǒng)。就是在自循環(huán)系統(tǒng)設(shè)置兩種水泵，一種是常態(tài)供水泵，一種是調(diào)節(jié)水泵；兩種水泵和設(shè)置在每個(gè)供水口的流量監(jiān)視儀一起構(gòu)成計(jì)算機(jī)監(jiān)視恒流系統(tǒng)。當(dāng)流量監(jiān)視儀的數(shù)據(jù)和設(shè)定的每一個(gè)數(shù)據(jù)比較出現(xiàn)差值，若機(jī)組供水流量減少，調(diào)節(jié)水泵供電頻率提高；反之降低，就可以調(diào)節(jié)機(jī)組供水量達(dá)到供水平衡。

(2)采用外循環(huán)水冷卻系統(tǒng)也可以解決電站內(nèi)部水系統(tǒng)的降溫問題。在冷卻水池外增設(shè)外循環(huán)水冷卻系統(tǒng)來降低內(nèi)部自循環(huán)水系統(tǒng)水溫。

(3)根據(jù)以上方案繪制水冷卻系統(tǒng)示意圖(見圖2)。

5 水電站排沙系統(tǒng)研究的結(jié)果

5.1 系統(tǒng)組成

通過以上研究可以得出水電站泥沙排除系統(tǒng)的研究結(jié)果，該系統(tǒng)由4大部分組成(見圖3)。

(1)由格柵式?jīng)_沙底孔結(jié)合沖沙閘組成對(duì)進(jìn)水口攔污柵前泥沙堆積的排除。

(2)由自動(dòng)攔污柵結(jié)合排污渠道對(duì)攔污柵吸附物的清除。

(3)由漂流閘門結(jié)合漂流堰對(duì)攔污柵前漂流物的排除。

(4)由恒流自循環(huán)冷卻水和自動(dòng)外循環(huán)水冷卻組成，采取冷卻水和泥沙的分離技術(shù)，徹底解決泥沙阻塞冷卻器的問題。

圖2 恒流自循環(huán)、自動(dòng)外循環(huán)系統(tǒng)示意

圖3 水電站排沙系統(tǒng)原理示意

5.2 水電站排沙系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)利用紊流原理，采取格柵式?jīng)_沙底孔對(duì)攔污柵前的堆積物的清理。

在國(guó)內(nèi)目前采用的沖沙底孔都沒有格柵，它容易造成距離沖沙閘近的堆積物的清理，距離遠(yuǎn)的清理不凈或者清理不了的現(xiàn)象。由于在原沖沙底孔上增設(shè)了間隔不等、數(shù)量不等的格柵，沖沙閘的流量將會(huì)合理地分配到?jīng)_沙底孔每一個(gè)進(jìn)水流道；又由于格柵的方向使得水流在沖沙底孔內(nèi)形成亂流，加深了對(duì)泥沙的清理。

(2)采用漂流閘門和漂流堰對(duì)漂流物的清理。

目前國(guó)內(nèi)沒有對(duì)漂流物的專門研究，漂流物一般采用排污渠道進(jìn)行排除。這種設(shè)計(jì)只能對(duì)浮冰等一些小的漂流物進(jìn)行清理，無法完成體積龐大、數(shù)量極多的漂流物的清理。本論文首次對(duì)該技術(shù)進(jìn)行論證、分析，是水電站排沙系統(tǒng)的新課題。另外，本論文對(duì)漂流閘門開啟方向的理解更是一個(gè)新思維。一般的閘門都是向上開啟，向下關(guān)閉，而漂流物閘門是向下開啟，向上關(guān)閉。這樣向下開啟時(shí)漂流物就會(huì)自然流向下游，若向上開啟就會(huì)造成對(duì)漂流物的阻擋，只有全開才能漂流。

(3)采用自動(dòng)外循環(huán)系統(tǒng)。

在國(guó)內(nèi)目前采用的外循環(huán)系統(tǒng)是將外冷卻水利用水泵抽到1個(gè)大水池中，在大池中設(shè)置冷卻器進(jìn)行降溫；這種冷卻方式的投資比較大，能耗比較大。而自動(dòng)外循環(huán)系統(tǒng)就是利用連通器原理在水池中設(shè)置熱水池和冷水池，當(dāng)熱水池中水位升高，水流自動(dòng)通過連通器流向冷水池；而連通器又是一個(gè)冷卻器，利用發(fā)電尾水的流動(dòng)就自然將水溫降低，不需要再投資修建專門的水冷卻池和為完成該種任務(wù)而裝置機(jī)電設(shè)備，節(jié)約投資和運(yùn)行費(fèi)用。

5.3 效果分析

我們?cè)邳S土高原某水電站進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，三級(jí)站裝機(jī)容量9 000 kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量為4 200萬kW·h；二級(jí)站裝機(jī)容量8 000 kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量3 600萬kW·h；一級(jí)站裝機(jī)容量9 600 kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量4 500萬kW·h。經(jīng)過運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，沒有這套系統(tǒng)的電站由于泥沙淤積不能正常發(fā)電，年累計(jì)時(shí)間為45 d(見表1)。

表1 各站的效益對(duì)比

從表1可以看出，該系統(tǒng)排沙效果顯著。

6 結(jié) 語

泥沙一直是困擾黃土高原水電站運(yùn)行的頭等問題，通過對(duì)黃土高原水電站泥沙組成，水電站排沙的方法、原理、結(jié)果探討，可見該方法具有很好的作用，其技術(shù)特性顯著，運(yùn)用效果明顯，可供相關(guān)單位進(jìn)行引進(jìn)實(shí)踐。