山區渠道漩渦式發電排沙裝置的研制

段曉芳，張延賀，張宗江，王建新，2

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

改革開放之初，我國涌現出一大批關注排沙治沙方面的專家，通過試驗驗證了王慶祥[1]等人設計的螺旋流裝置對渠道推移質泥沙有較強的排沙能力，結構簡單、排沙方便、耗水量小、簡單而實用。俞健[2]提出的螺旋漏斗及渦管排沙技術只有在河流具備一定的地形條件下才能使用，而邊玉國等[3]提出的蜂窩式水力發電技術因可均衡受力、環保性能好、提供的電能穩定受到青睞。中國專利文獻CN2673955Y中公開了一種渦環流排沙裝置[4]，該裝置可將泥沙送進排沙孔來減少排沙所需耗水量，但是無法將過濾后的清水產生的能量有效利用。中國專利文獻CN204610129U中公開了一種利用水流漩渦發電裝置[5]，該裝置可利用渠道中水流形成的高差促使扇葉轉動發電，但是該裝置在含沙量大的河流中使用時，泥沙會磨損裝置本身，也不能長久使用。張琦杰[6]提到，傳統的管道輸沙采用直流式，無法克服高含量的沙子與低能耗之間的矛盾，而螺旋式輸沙雖然在螺旋部分有一定的水頭損失，但相比于傳統的單直流排沙，排沙所用的耗水量很小。水力發電需要利用水的勢能和水輪發電機的轉動進行發電，二者缺一不可，在此過程中，河流的含沙量起著重要作用，在利用含沙量較大的河流進行發電時，首先需要對水質進行除沙過濾，大型水庫、水電站為了讓水質達到一定要求，會在泵前設置排沙漏斗除沙[7-8]，但是在經濟條件受限的地區，想要除沙并從中獲取一定電能有一定難度，于是擬研制出一種山區渠道漩渦式發電排沙裝置[9]。

1 基本原理

裝置實物圖如圖1所示，為了裝置整體的可視化和視覺效果，將前側擋板隱藏，展現出內部結構(圖2)，在一級渠道中間放置擋水板達到穩定流速的作用，將一級渠道變窄，起到束水作用。考慮到試驗模擬及現實因素，擬使用螺旋式束水結構，達到聚水、提高水速的作用。天然水流經一級渠道加速后流入到與一級渠道尾部相連的螺旋式束水結構中，水流流出螺旋式束水結構的尾部時，直接快速沖擊葉片(葉片的厚度起主要作用)，水流帶動葉片旋轉進行發電，水輪機下側安裝濾水排沙裝置，帶有泥沙的水流沖擊水輪機葉片旋轉發電，隨后流入下部的濾沙裝置中，排沙裝置的側壁開口連接溢流槽，并與二級渠道相連，濾水排沙裝置底部安裝止逆閥，采用止逆閥代替壓力傳感器，模擬現實情況。沙子和水自然落入濾水排沙裝置中，當其重量達到設計閾值時，底部的彈簧彈起止逆閥開啟實現排沙，其他時間彈簧自動回彈閉合，表層的清水從側方溢流槽排出。

圖1 整體結構實體圖

2 結構詳述

如圖2所示，裝置主體由一級渠道、二級渠道、水輪發電機、濾水排沙結構四大部分組成，整體看為“之”字形，本文重點研究濾水排沙結構(實驗中用止逆閥代替)的開度大小和集束裝置的開口形狀。

圖2 整體結構示意圖結構名稱：1.穩流板 2.一級渠道 3.二級渠道 4.左右擋板 5.逆止閥 6.排水口 7.后側擋板 8.二級渠道支撐板 9.濾水排沙結構 10.排沙渠道 11.水輪發電機 12.發電裝置

2.1 物理模型及概況

如圖3所示，水輪機扇葉的玻璃板挖孔直徑為130mm，水輪發電機扇葉直徑為100mm，轉軸長為200mm，直徑為5mm，前期完成了有機玻璃板的粘接、裝置的主體框架。本文通過對結構的改進及創新，從含沙量大的河流中更加便利地獲取電能，同時起到排沙的作用。

圖3 一級渠道示意圖(單位：mm)

2.2 發電裝置和排沙結構設計

2.2.1發電裝置結構設計

該部分如圖4—5所示，為更好達到發電排沙的同時作用，擬將一級渠道尾部下端連接螺旋式束水結構達到聚水的目的，將一級渠道尾部底端開口圓心、螺旋狀收集裝置中心、扇葉中心三點一線，渠道末端與螺旋式水槽相連，當水流快速流出時，沖擊葉片正中央引起轉動，以此帶動水輪發電機發電。水輪發電機外接小燈泡(發電裝置)。

圖4 濾水排沙結構示意圖(單位：mm)

2.2.2濾水排沙結構

該部分如圖5所示，水輪發電機轉動時，泥沙因自身自重沉入該結構底部，表層清水通過側方溢流槽流出，當底部泥沙達到所設計的閾值時，止逆閥自動打開，將泥沙排出，排沙口傾斜放置，便于排污。實際工程中可用壓力傳感器代替止逆閥。

圖5 濾水排沙結構實物圖

3 試驗效果及結論

經試驗初步探究，安裝螺旋式束水結構后，水流可以垂向沖擊扇葉轉速較快，燈泡較亮，在大股水流的作用下，扇葉轉速更大，更容易發電且能量損失最小，故此將螺旋聚水結構連接渠道尾部，水流通過螺旋狀聚水結構，可正向垂直沖擊扇葉中央，致使水輪發電機發電，實際工程中有蓄能裝置可保障電能穩定輸出。本方法主要涉及水利水電工程領域，將節能減排、排沙、發電集一體，在含沙量大的河流中快捷高效地獲取電能，但沒有整體實現自動化，后期可以用壓力傳感器代替傳統排沙。物理模型缺少能源收集裝置，在實際中可以利用能源收集裝置收集電源并提供穩定的電，還有可需改進的空間。

4 后期改進

本裝置整體采用“之”字形，在實際應用中可無限連接下層渠道，原理簡單，實際工程操作起來方便，進水端加閥門來控制流量，穩定流速；止逆閥通過試驗沙子和水的重量找到合適的彈簧范圍，達到設計值時止逆閥開啟，彈簧彈起自動關閉，實際工程可利用壓力傳感器控制開度；止逆閥把大部分泥沙排出，溢出排沙裝置向下級渠道的是相對比較清的水，最終可利用的為清水；利用Fluent、Ansys、Orange等模擬軟件將模型更好地表示出來，后期可融入新的推廣理念，利用互聯網背景，將本文做到最大程度的應用，使本方法具有最大的實際應用價值。

5 發展前景

該裝置在滿足發電需求的同時，可大大減少排沙所需耗水量。據相關數據顯示，該裝置每通過1m3/s帶有泥沙的水流，一年期間可節約200萬m3左右的排沙所需耗水量，相當于一座中型水庫的蓄水量[10]，在排沙的同時可以解決一個小村莊的基本用電需求，有較好的應用前景，在理論和實踐方面有較大意義。由于偏遠地區缺乏相應的過濾排沙系統和能源收集系統，因此很難從水位差中獲取優質的電能，本發明主要應用于山區及水位差較大的地方，采用“之”字形，呈梯度排列，可從含沙量較大的河流中高效獲取電能；在實際應用中，建造方便、節省空間。可穩定輸出電能，且水輪機組的發電量較大，將多臺設備結合起來，為偏遠地區提供用電需求；內部可形成穩定的空氣流漩渦，濾沙裝置的巧妙運用，可大大減少排沙耗水量，在工程實踐時，可對當地實際情況進行考究，找出最適宜坡度，排沙裝置底部安裝力傳感器，進行最大效率地發電和排沙；本發明適用于含沙量較大的河流中，不會對裝置本身造成破壞，可供長久使用，利用的是水能發電，在發電的同時進行排沙，將水資源高效利用，提高發電質量；符合當今時代特點，在“能源革命”之際，應該充分利用這些能源，以謀求經濟社會、節約型社會的長遠發展。

通過能源收集裝置進行發電，可起到發電排沙同時作用，為山區居民用電提供保障，也可將電能用于照明、工廠發電等其他用途，產生的電能可減少居民日常在用電方面的消耗、也為工廠等企業的用電提供部分電能。偏遠地區供電不方便，此裝置可以利用自然界中行進的水流進行發電，利用能源收集系統持續、穩定地輸出電能，可供居民用電、也可為當地工廠等需要電能的地方提供有力保障，可在實際工程中得到較大程度應用[11]。

6 結語

本文通過研制山區渠道飲水排沙裝置，細述了裝置的結構設計和發電排沙原理，通過多方分析驗證及試驗效果可得：在保證安全的前提下，當大股流垂直沖擊葉片時，扇葉旋轉速度最大，水輪發電機的發電效率越高。該方法運用到工程實踐中，布置緊湊、運行管理方便、工程投資較小，可為類似工程設計提供一定借鑒作用，本發明通過對結構的改進及創新，能夠從含沙量大的河流中更加便利地獲取電能，同時可起到排沙的作用。但該裝置沒有實現整體自動化和智能化，未來可將新的推廣理念融入其中，效果更佳。