黃土高原水電站排沙系統的研究與思考

席旺富，劉 軍

(榆林市榆陽區中營盤水電站服務中心，陜西 榆林 719000)

0 引 言

黃土高原因為水土流失量大，河水含沙量大，使得水電站運行幾年后，便會因為入庫泥沙的增加導致庫容減小，造成最常見的水庫淤積問題[1]。另外，還會造成水電站機組磨損嚴重，嚴重影響其效益發揮。為了減小泥沙帶來的災害，需對水電站的排沙系統進行研究。

1 泥沙對水電站的影響

水庫淤積，是一個普遍存在的問題[2]，已經嚴重地制約著水電站正常的生產運行，極大地限制了水電站效益的發揮，主要表現在以下兩個方面：

(1)由于泥沙顆粒粗，質地堅硬[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水流道，造成水輪機無法進水，機組被迫停機。

(2)泥沙阻塞水輪發電機組冷卻水系統，造成水輪機水系統癱瘓。

2 水電站泥沙的研究

2.1 泥沙的分類

隨著庫區泥沙的不斷淤積,引水含沙量不斷增加,不僅影響發電效益、加速機組過流部件磨損,甚至會造成泄洪閘門無法正常開啟[4]。水電站排沙問題的研究從泥沙的結構分析是解決排沙問題的關鍵，在水文學中泥沙可分為懸移質和推移質兩大類：

(1)懸移質。所謂懸移質，顧名思義就是懸浮在水中的物質，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，如塑料袋、動物尸體等。

(2)推移質。所謂推移質，顧名思義就是被水推移的物質，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，侵占水電站進水流道的原因

水電站的引水樞紐一般是由大壩(水電站)、進水建筑物、沖沙閘組成。由于建壩形成壩區(庫區)，在壩區隨水流移動的懸移質和推移質由于流速下降就開始向壩區沉積，比重大的顆粒沉積在壩區上游，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就吸附在攔污柵上，小于攔污柵柵孔的物質從水輪機排向下游河道。隨著水中動物尸體、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，水輪機出力越來越低，直到最后阻塞整個攔污柵柵孔，機組無法進水只能停機。

2.2.2 泥沙阻塞水輪發電機組冷卻水系統的原因

水電站冷卻水多取于壓力管道中的發電用水，經濾水器過濾后對發電機和發電機軸承進行冷卻。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，濾水器清理不及時就會逼迫停機。

3 解決辦法

電站引水防水的主要問題是防止推移質泥沙和懸移質較粗的泥沙進入電站[5]。

3.1 泥沙堆積在攔污柵前侵占水電站進水流道的解決辦法

(1)采用格柵式沖沙底孔和沖沙閘相結合的辦法可以排除攔污柵前泥沙的堆積。

(2)采用自動式攔污柵和沖污渠道相結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 泥沙阻塞水輪發電機組冷卻水系統的解決辦法

采用恒流自循環冷卻水系統和自動外循環水冷卻系統可以徹底解決泥沙阻塞水輪發電機組冷卻水系統的問題。

4 水電站排沙問題的原理

4.1 格柵式沖沙底孔排沙的原理

格柵式沖沙底孔排沙的基本原理是利用水力學中水流的大于不沖流速結合紊流的原理將堆積在進水口的泥沙排往下游，其具體設計辦法如下所示(見圖1)。

圖1 格柵式沖沙底孔、自動攔污柵排污渠和漂流物漂流原理示意

(1)泥沙量的確定

根據設計站壩址以上流域面積內多年平均懸移質和推移質的總含量按以下公式計算：

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多年平均懸移質和推移質含沙量(t)；Q1為多年平均徑流量(m3/s)；Q2為水輪機引水流量(m3/s)；r1為泥沙容重(m3/t)；S為水電站面積(m3)；t為預計排沙底孔開啟時間(按進水口淹沒深度和排沙底孔深度比，經過淤積、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×進水室橫截面長度)。

(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)格柵式沖沙底孔的隔板確定

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個格柵孔流量的和。

②格柵長度

格柵長度等于沖沙閘長度。

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/進水室寬度×100%。

(6)格柵式沖沙底孔的原理如圖1所示的Ⅰ部分。

4.2 攔污柵吸附物的排除

(1)采用自動攔污柵可自動清除攔污柵上吸附物，這種攔污柵在市場可以購置，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

有關數據按以下方式計算：

(1)漂流物量的確定

漂流物量按以下公式計算：

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多年平均推移質含沙量(t)；r2為推移質綜合容重(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=設計上游水位-溢流高度

(3)根據以上計算繪制漂流物排除設計示意圖如圖1所示的Ⅲ部分。

4.4 泥沙阻塞冷卻水的排除

(1)采用恒流自循環解決水電站內部水冷卻問題。

水電站冷卻系統分兩大類：一是發電機冷卻；二是機組軸承冷卻。無論哪種冷卻都是需要冷卻水。恒流自循環系統包括兩個方面：

①自循環系統。自循環系統就是將發電機冷卻系統、軸承冷卻系統、冷卻水池連接成一個整體形成自循環。這樣自循環系統只有滲漏和蒸發的流逝，對水的需求量大大減少。

②計算機監控的恒流系統。就是在自循環系統設置兩種水泵，一種是常態供水泵，一種是調節水泵；兩種水泵和設置在每個供水口的流量監視儀一起構成計算機監視恒流系統。當流量監視儀的數據和設定的每一個數據比較出現差值，若機組供水流量減少，調節水泵供電頻率提高；反之降低，就可以調節機組供水量達到供水平衡。

(2)采用外循環水冷卻系統也可以解決電站內部水系統的降溫問題。在冷卻水池外增設外循環水冷卻系統來降低內部自循環水系統水溫。

(3)根據以上方案繪制水冷卻系統示意圖(見圖2)。

5 水電站排沙系統研究的結果

5.1 系統組成

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

(1)由格柵式沖沙底孔結合沖沙閘組成對進水口攔污柵前泥沙堆積的排除。

(2)由自動攔污柵結合排污渠道對攔污柵吸附物的清除。

(3)由漂流閘門結合漂流堰對攔污柵前漂流物的排除。

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

圖2 恒流自循環、自動外循環系統示意

圖3 水電站排沙系統原理示意

5.2 水電站排沙系統的特點

(1)利用紊流原理，采取格柵式沖沙底孔對攔污柵前的堆積物的清理。

在國內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，距離遠的清理不凈或者清理不了的現象。由于在原沖沙底孔上增設了間隔不等、數量不等的格柵，沖沙閘的流量將會合理地分配到沖沙底孔每一個進水流道；又由于格柵的方向使得水流在沖沙底孔內形成亂流，加深了對泥沙的清理。

(2)采用漂流閘門和漂流堰對漂流物的清理。

目前國內沒有對漂流物的專門研究，漂流物一般采用排污渠道進行排除。這種設計只能對浮冰等一些小的漂流物進行清理，無法完成體積龐大、數量極多的漂流物的清理。本論文首次對該技術進行論證、分析，是水電站排沙系統的新課題。另外，本論文對漂流閘門開啟方向的理解更是一個新思維。一般的閘門都是向上開啟，向下關閉，而漂流物閘門是向下開啟，向上關閉。這樣向下開啟時漂流物就會自然流向下游，若向上開啟就會造成對漂流物的阻擋，只有全開才能漂流。

(3)采用自動外循環系統。

在國內目前采用的外循環系統是將外冷卻水利用水泵抽到1個大水池中，在大池中設置冷卻器進行降溫；這種冷卻方式的投資比較大，能耗比較大。而自動外循環系統就是利用連通器原理在水池中設置熱水池和冷水池，當熱水池中水位升高，水流自動通過連通器流向冷水池；而連通器又是一個冷卻器，利用發電尾水的流動就自然將水溫降低，不需要再投資修建專門的水冷卻池和為完成該種任務而裝置機電設備，節約投資和運行費用。

5.3 效果分析

我們在黃土高原某水電站進行了實驗，三級站裝機容量9 000 kW，設計年發電量為4 200萬kW·h；二級站裝機容量8 000 kW，設計年發電量3 600萬kW·h；一級站裝機容量9 600 kW，設計年發電量4 500萬kW·h。經過運行統計，沒有這套系統的電站由于泥沙淤積不能正常發電，年累計時間為45 d(見表1)。

表1 各站的效益對比

從表1可以看出，該系統排沙效果顯著。

6 結 語

泥沙一直是困擾黃土高原水電站運行的頭等問題，通過對黃土高原水電站泥沙組成，水電站排沙的方法、原理、結果探討，可見該方法具有很好的作用，其技術特性顯著，運用效果明顯，可供相關單位進行引進實踐。