關于“水電站水輪機尾水管出口處高速水流二次利用”的研究

嵇紹云 嵇海洲

【摘 要】水能資源是清潔可再生能源，開發利用水能資源，有利于優化能源結構，保護生態環境。開發利用水能資源首先是建攔河大壩，目的是獲得蘊含巨大能量的高速水流，可現在水電站水輪機尾水管出口處蘊含巨大能量的高速水流卻被白白浪費了。如果利用"v"形水渠引流技術，對水輪機尾水管出口處的高速水流進行二次利用，將會獲得巨大的經濟效益和社會效益。也將為我國實現2020年的減排目標做出貢獻。

【關鍵詞】水電站 水輪機 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，合理開發利用可再生清潔能源，優化能源結構，保護生態環境，成為許多國家的共識。我國在對太陽能、風能等無污染可再生能源大力開發的同時，對水能資源的開發利用也很重視。要開發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，獲得蘊含巨大能量的高速水流。可現在從水電站水輪機尾水管出口處激射而出的高速水流，除了讓游客當作“壯麗奇觀”參觀外，蘊含的巨大能量都被白白浪費了，非常可惜。如果利用“v”水渠引流技術，對水電站水輪機尾水管出口處的高速水流進行二次利用，將會獲得巨大的經濟效益和社會效益。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%的目標作出貢獻。

2 理論依據

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

3 二次利用水輪機尾水管出口處高速水流的技術方案

我國已建成的發電能力在50萬kw以上的中、大型水力發電站有40多座，它的造價少的數十億元人民幣，多的高達幾千億元人民幣，都是具有綜合用途的功在當代利在千秋的偉大工程，對大壩的一點點損壞都是不允許的。因此，要對水輪機尾水管出口處的高速水流進行二次利用，就必須要在保證已建大壩安全，并且不影響已建水輪機發電的前提下進行。下面就以三峽水電站單臺水輪機作為對象來設計二次利用水輪機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，水流從水輪機尾水管出口處激射而出時成扇形散射開來，飛出數十米后落入江中，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，這樣就可以用來發電。方案是，建"v''形引流水渠。"v''形引流水渠上口寬度根據水流的散射寬度而定，高度根據水流的高度而定，"v''形引流水渠上寬下窄，內高外低，成拋物線形向下彎曲并逐漸轉為水平。這樣可使水流蘊含的能量損失較小。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。因此水流的能量損失可以忽略不計。

水電站在建設時一般都具有防洪的作用，那么它的蓄水位就會根據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''形引流水渠的建設就要優先考慮枯水期時水輪機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。這樣可使水流中蘊含的能量得到最大的利用。

"v''形引流水渠的建設方法可采用高架式，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。水輪發電機可選用沖擊式水輪機。當然，由于各水電站情況的不同，在建設過程中肯定會有這樣或那樣的區別，但"水渠引流''的方法還是普遍適用的。

4前景展望

4.1經濟效益

我國已建成的發電能力在50萬kw以上的中、大型水力發電站有40多座，裝機總量在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的裝機增量。年發電量將達788億kw.h，創造經濟價值約150億元人民幣。

4.2社會效益

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

4.3規劃中的水電站

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

5 結語

綜上所述，做好水電站水輪機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，而且有巨大的經濟效益和社會效益。同時還會為我國減排目標的實現做出貢獻。

作者簡介：嵇紹云（1965—），男，江蘇建湖人，本科學歷，工程師，主要研究風力和水力發電，有風力方面的專利一件；嵇海洲（1990—），男，江蘇建湖人，本科學歷，技術員，主要研究風力和水力發電，有風力方面的專利一件。