嵇紹云 嵇海洲

【摘 要】水能資源是清潔可再生能源，開發(fā)利用水能資源，有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。開發(fā)利用水能資源首先是建攔河大壩，目的是獲得蘊(yùn)含巨大能量的高速水流，可現(xiàn)在水電站水輪機(jī)尾水管出口處蘊(yùn)含巨大能量的高速水流卻被白白浪費(fèi)了。如果利用"v"形水渠引流技術(shù)，對水輪機(jī)尾水管出口處的高速水流進(jìn)行二次利用，將會獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。也將為我國實現(xiàn)2020年的減排目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】水電站 水輪機(jī) 尾水管 高速水流 二次利用

1 前言

水能資源是一種無污染的可再生的清潔能源。隨著地球上可供人類使用的不可再生的化石能源的日益減少，合理開發(fā)利用可再生清潔能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，成為許多國家的共識。我國在對太陽能、風(fēng)能等無污染可再生能源大力開發(fā)的同時，對水能資源的開發(fā)利用也很重視。要開發(fā)利用水能資源首先要建攔河大壩，目的是什么呢？答案只有一個，獲得蘊(yùn)含巨大能量的高速水流?？涩F(xiàn)在從水電站水輪機(jī)尾水管出口處激射而出的高速水流，除了讓游客當(dāng)作“壯麗奇觀”參觀外，蘊(yùn)含的巨大能量都被白白浪費(fèi)了，非常可惜。如果利用“v”水渠引流技術(shù)，對水電站水輪機(jī)尾水管出口處的高速水流進(jìn)行二次利用，將會獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。也將會為我國承諾的到2020年溫室氣體排放量比2005年下降40%到45%的目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。

2 理論依據(jù)

下面就以三峽水電站蓄水位在175m時單臺水輪機(jī)作為研究對象。水輪機(jī)進(jìn)水口直徑為12m，水流速度為8m/s，那么它的流量約為3.14×（12÷2）?×8≈904m?/s。水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速為72r/min，直徑為10m。因為水輪機(jī)輪轂內(nèi)輪葉自轉(zhuǎn)軸沿徑線從內(nèi)向外每一點(diǎn)的線速度都不相同，因此水流速度也不同，如果把水輪機(jī)輪葉上距轉(zhuǎn)軸 r m處這點(diǎn)看作內(nèi)外容積相等，則πr ?=?/?π×（10÷2）?? r?3 .5m。也就是說，距水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸3.5m處內(nèi)外容積基本相等，因此可以把距水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸3.5m處這點(diǎn)的水流速度作為水輪機(jī)尾水管出口處水流的速度。那么，水輪機(jī)尾水管出口處的水流速度約為（72÷60）×3.14×3.5×2≈26m/s。因為水輪機(jī)進(jìn)水口和出水口的流量是相同的，所以水輪機(jī)尾水管出口處水流所蘊(yùn)含的能量為?×904×1000×26?=305552000w≈30.6萬kw。如果水能利用率為70%，那么單臺水輪機(jī)尾水管出口處可利用的水能為30.6×70%≈21萬kw。三峽水電站共有26臺水輪發(fā)電機(jī)組（不包含右岸大壩"白石尖''山體內(nèi)建設(shè)的6臺70萬kw的地下電站），如果所有水輪機(jī)尾水管出口處的水能都被利用，將有26×21=546萬kw的裝機(jī)增量。增加的幅度達(dá)546÷（70×26）×100%=30%。

3 二次利用水輪機(jī)尾水管出口處高速水流的技術(shù)方案

我國已建成的發(fā)電能力在50萬kw以上的中、大型水力發(fā)電站有40多座，它的造價少的數(shù)十億元人民幣，多的高達(dá)幾千億元人民幣，都是具有綜合用途的功在當(dāng)代利在千秋的偉大工程，對大壩的一點(diǎn)點(diǎn)損壞都是不允許的。因此，要對水輪機(jī)尾水管出口處的高速水流進(jìn)行二次利用，就必須要在保證已建大壩安全，并且不影響已建水輪機(jī)發(fā)電的前提下進(jìn)行。下面就以三峽水電站單臺水輪機(jī)作為對象來設(shè)計二次利用水輪機(jī)尾水管出口處高速水流的方案。

我們在水電站大壩前可以看到，水流從水輪機(jī)尾水管出口處激射而出時成扇形散射開來，飛出數(shù)十米后落入江中，我們要想利用它就要在它還沒有落入江中之前，把它匯聚起來，使它形成一股激流，這樣就可以用來發(fā)電。方案是，建"v''形引流水渠。"v''形引流水渠上口寬度根據(jù)水流的散射寬度而定，高度根據(jù)水流的高度而定，"v''形引流水渠上寬下窄，內(nèi)高外低，成拋物線形向下彎曲并逐漸轉(zhuǎn)為水平。這樣可使水流蘊(yùn)含的能量損失較小。水流在自身重力的作用下，沿水渠而下匯聚成一股激流，部分損失的能量也在沿水渠向下流動的過程中得到恢復(fù)。因此水流的能量損失可以忽略不計。

水電站在建設(shè)時一般都具有防洪的作用，那么它的蓄水位就會根據(jù)枯水期和豐水期有所升降。如三峽水電站枯水期時蓄水位為175m（每年約有9個月的時間）， 豐水期時蓄水位為145m（每年約有3個月的時間）。因此，"v''形引流水渠的建設(shè)就要優(yōu)先考慮枯水期時水輪機(jī)尾水管出口處的水流弧度，使水流弧度盡量與"v''形引流水渠的弧度相匹配。這樣可使水流中蘊(yùn)含的能量得到最大的利用。

"v''形引流水渠的建設(shè)方法可采用高架式，這樣做造價低，安全性好，最重要的是不會影響到已建大壩的安全。水輪發(fā)電機(jī)可選用沖擊式水輪機(jī)。當(dāng)然，由于各水電站情況的不同，在建設(shè)過程中肯定會有這樣或那樣的區(qū)別，但"水渠引流''的方法還是普遍適用的。

4前景展望

4.1經(jīng)濟(jì)效益

我國已建成的發(fā)電能力在50萬kw以上的中、大型水力發(fā)電站有40多座，裝機(jī)總量在6000萬kw以上（含三峽水電站），如果各水電站都能做好水輪機(jī)尾水管出口處高速水流的二次利用工作，按增幅30%計算，將有1800萬kw的裝機(jī)增量。年發(fā)電量將達(dá)788億kw.h，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價值約150億元人民幣。

4.2社會效益

因為火力發(fā)電站發(fā)電1萬kw.h需耗標(biāo)準(zhǔn)煤360t，每噸 煤將排放二氧化碳、二氧化硫、氫氧化物等約2.6t。所以年增發(fā)電量將節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約28億噸，減少溫室氣體等污染物的排放約72.8億噸。

4.3規(guī)劃中的水電站

現(xiàn)在我國正在大力開發(fā)金沙江流域的水能資源，規(guī)劃中的20座水力發(fā)電站裝機(jī)總量超過8000萬kw?，F(xiàn)在這些水電站有的正在建設(shè)中，有的正在規(guī)劃，如果和水電站建設(shè)同步做好水輪機(jī)尾水管高速水流的二次利用工作，不僅會有2000萬kw以上的裝機(jī)增量，而且還將大大降低工程建設(shè)的難度和資金的投入。

5 結(jié)語

綜上所述，做好水電站水輪機(jī)尾水管出口處高速水流的二次利用工作，不僅切實可行，使水力資源得到充分利用，而且有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同時還會為我國減排目標(biāo)的實現(xiàn)做出貢獻(xiàn)。

作者簡介：嵇紹云（1965—），男，江蘇建湖人，本科學(xué)歷，工程師，主要研究風(fēng)力和水力發(fā)電，有風(fēng)力方面的專利一件；嵇海洲（1990—），男，江蘇建湖人，本科學(xué)歷，技術(shù)員，主要研究風(fēng)力和水力發(fā)電，有風(fēng)力方面的專利一件。