渠道濾水排沙發電結構模型實驗探究

段曉芳，張延賀，張宗江，張毅飛，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)

渠道及水庫的泥沙淤積問題在各大水庫中頻頻出現，嚴重影響河流的航運、發電效益和水資源綜合調度利用等功能，還可能堵塞無壓進水口水電站，對水電站的發電安全造成威脅，對于實際工程而言，現有的沉沙池等排沙設備不足以應對實際工程問題[1- 2]，還會造成表層大量清水流出，使得水資源浪費。任實等以三峽水庫為例，提出可使用氣動力式深水清淤技術在深水環境中安全高效運行[3]，但由于淤沙顆粒比較細，在使用該技術時需要綜合考慮泥沙淤積位置和水流流速；南軍虎等又提出可在渠道中使用旋流排沙技術，使用模型試驗和數值模擬相結合，并采取最新的正交試驗進行設計，在排沙處形成更有利于泥沙運動的水力條件便于排沙[4]，但該方法沒有將水流的能量加以利用，因此本項目思考能否集中收集渠道水資源并進行發電，從而達到保護環境、節能減排，利用余水發電減少購電經濟負擔。故對小型無壓式水電站發電系統中存在的問題進行實驗研究，根據幾何比尺和流量比尺制作實驗模型，利用控制變量法研究模型排沙量與所需耗水量的關系，得出模型濾水排沙效果最優時的鋼珠配重范圍和閥門控制板開度閾值范圍。探究水中含沙量與閥門控制板在排沙結束后回彈快慢，以及水流沖擊水輪機葉片哪種角度發電效果最優等。本文將圍繞渠道濾水排沙發電結構模型展開實驗研究分析，提出相關改進措施，控制進水渠道的含沙量，為保證水質提供必要的解決辦法。

1 研究背景及現狀

在多泥沙的實際工程首部樞紐中[5]，會在水電站進水口處設置攔污柵對泥沙推移質進行攔截[6]，或設置沉砂池來降低水流的挾沙能力從而使有害物或推移質沉積，使過濾后的清水進入引水道，防止進水口堵塞。使用上述方法可有效降低發生事故的頻率，但是對于攔污柵、沉砂池的清淤處理尤為復雜，常常需要耗費大量人工和機械設備的投入，必要時需要暫停水輪機的運轉以便清理，對發電穩定性和發電需求造成很大的影響。

高亞平等[7]提出一種渦環流排沙裝置，該裝置可將泥沙運送至排沙孔來減少耗水量，但卻無法將過濾后的清水收集利用；羅競東等[8]公開了一種可利用水流漩渦發電裝置，該裝置可利用渠道中水頭差促使葉片轉動發電，但是在含沙量大的河流中應用時，沙子會磨損裝置葉片，因此也不能長時間使用。

隨著科學技術發展和社會的進步，對渠道的清淤排沙發電功能提出了更高的要求，因此使用高效、清潔、節能的方式，不失為一種行之有效的好辦法，于是本文提出在水利樞紐排沙的同時不影響發電的辦法，在山區渠道漩渦式發電排沙裝置的研制基礎上進行改進[9]，利用渠道漩渦式排沙發電裝置模型，對排沙部分配重問題展開實驗，探究最合適的配重和閥門控制板開度的合適閾值和排沙所需耗水量的大小[10]。

2 實驗原理

2.1 裝置概況

河道水流通過入流渠道進入裝置，在水輪機的進水口處安裝束水引流裝置，使水流集中且平順地沖擊水輪機葉片促使其快速轉動，葉片高速轉動時發電機運作開始發電，發電狀態可由一旁的指示燈明亮程度來顯示；隨后水流進入下側過濾裝置，水流中的沙石在排沙裝置中由于重力作用沉于底部，上層清水則通過濾網從左側流出至束水引流裝置。當下側沉降后的沙石重量超過安置在閥門控制板左側的配重設備時，右側閥門控制板自動打開，待沙石和水排出后閥門控制板自動回彈關閉。如圖1—2所示。

圖1 整體裝置模型圖(結構名稱：1-入流渠道 2-水輪機葉片 3-發電機主軸 4-發電機 5-引流板 6-過濾網 7-排沙裝置 8-清水引水道 9-固定裝置 10-配重設備 11-發電指示燈 12-閥門控制板)

圖2 整體裝置實物圖

2.2 發電原理

水輪機的定子和發電機的轉子通過主軸相連，當水流流經水輪機下方導葉并垂直落在葉片上時，會引起導葉轉動然后帶動發電機主軸進行發電，然后水流進入排沙裝置，發電狀態可由一旁的指示燈明亮程度來顯示。如圖3所示。

圖3 發電部分裝置模型圖

2.3 排沙原理

通過水輪機輪葉的水繼續流入排沙濾水裝置中，水流中的沙石在排沙裝置中由于重力作用發生沉淀落至裝置底部，底部閥門控制板一直處于關閉狀態，上層清水通過濾網流出至側方束水引流裝置。當下側沙石沉降重量超過左側設計配重時，閥門控制板打開，待沙石排出后閥門控制板自動關閉防止多余水流排出。該部分主要通過調整排沙裝置左側下方的配重，研究閥門控制板的開度閾值和排沙所需耗水量之間的關系，原則是保證排沙效果的同時減少排沙耗水量。如圖4所示。

圖4 排沙濾水裝置局部模型圖

2.4 實驗方法

本項目使用大小不一的鋼珠來模擬實驗過程中各種工況下的配重，高速攝像機的鏡頭正視閥門控制板，在開始實驗的同時采用高速攝像機進行高速拍攝記錄，實驗結束后播放視頻慢鏡頭，截取閥門控制板最大開合角度的照片。然后使用測量儀器量取閥門控制板傾斜角度即開合角度；在排沙濾水裝置正下方放置盛水容器，當實驗用水為清水時，測出在閥門控制板剛好打開時的裝置右側的限制水位，并用記號筆標記，記為初始刻度線，并將過濾裝置刻度線以下的清水在天平上進行稱量；在渾水工況下，經多次實驗發現，閥門控制板打開時右側水位均未超過初始刻度線，為保證實驗的準確性，閥門控制板打開時應當保證容器內水位接近初始刻度線，當閥門控制板打開時停止供沙，此時稱量出沙子的重量、配重鋼珠的重量及初始刻度線下等量的沙和清水的質量。為了找出最合適配重以探討閥門控制板開度的合適閾值和排沙所需耗水量，實驗團隊使用控制變量法，在4種工況下進行實驗，對不同情況進行觀測和記錄，多次重復實驗，以減小實驗和人為誤差。如圖5所示。

圖5 實驗觀測情況

實驗結果如下：

(1)清水工況。當實驗用水完全為清水時，測出配重為392.3g時，清水質量達到990.1g，此時閥門控制板剛好打開，張開傾斜角度為34.8°，使閥門控制板處于承受能力極限狀態和準備自動閉合的臨界狀態。

(2)渾水工況。當排沙裝置下側左方配重為407.6g時，右側的清水和沙子重量達到1050.3g，此時閥門控制板正好打開，張開傾斜角度為46.7°，其中沙子的重量為150.1g，清水的重量為900.2g；當排沙裝置下側左方配重為421.5g時，右側的清水和沙子重量達到1127.4g，此時閥門控制板正好打開，張開傾斜角度為54.2°，其中沙子的重量為300.3g，清水的重量為827.1g；當排沙裝置下側左方配重為427.9g時，右側的清水和沙子重量達到1169.5g，此時閥門控制板正好打開，張開傾斜角度為54.2°，其中沙子的重量為400.2g，清水的重量為769.3g。

2.5 實驗結論

實驗測得的數據如圖6所示。

結論如下：

(1)隨著泥沙含量的不斷增大，左側配重不斷增加，閥門控制板的張開傾斜角也在不斷變大，排沙的耗水量隨之減小。

(2)考慮到實際工程情況多為泥沙河流，清水河流較為少見，因此只需考慮渾水工況，當配重范圍為407.6～427.9g時，此時分別對應閥門控制板的開度閾值為46.7°～54.2°，有較好的過濾排沙效果，且沙子可以高效排出。

(3)大量實驗觀測數據表明，通過入流渠道進入引流板的水流，垂直沖擊水輪機葉片時，發電效率最高且最穩定。

(4)在排沙過程中，隨著含沙量的不斷增大，排沙所需耗水量不斷減小。

3 實驗裝置改進

由于受到實驗室場地和疫情的影響，本裝置未能全部實現自動化，在實際水利樞紐工程中可增加蓄能儲能裝置，削峰填谷[11]，將電能高效利用；可以在實際過程中使用力學傳感器和數字顯示屏以增加數據的準確性和說服力；而且本裝置在閥門控制板進行排沙時下方沒有固定的儲存沙子裝置，在實際工程應用中可增設儲沙裝置，將沙子聚集起來待達到一定重量后一起排出；隨著現代技術越來越發達，可依托互聯網模式，對裝置進行遠程控制，對數據進行可行性分析，在實際工程運行前(可研階段)，先對所要實際施工的項目有最基本的預判，然后再進行一系列的后續施工過程，最終達到“智慧水利、數字孿生”的目的[12]。

圖6 實驗監測結果圖

4 關鍵技術及應用前景

本裝置將排沙功能與發電效果巧妙結合在一起，發揮各自優勢，揚長避短，為偏遠地區發電提供便利；在實際工程中可以得到一定程度的應用；同時可以與當地水庫進行聯合調度，將會達到事半功倍的效果。必要時可以修建攔沙壩[13]攔沙，另外水庫沖沙也是一種安全、便捷的天然清淤方式[14- 15]，必要時采取強有力的人為因素加以干預，配合治理工程所需的必要水利水文等要素，以保證高效的發電排沙效益，但最重要的是生態修復，使工程泥沙淤積問題得到根本改善，以解決實際問題。

5 結語

通過實驗研究發現：含沙量增大可使排沙所需耗水量減小；垂直擊打水輪機葉片發電效率最高且最穩定，該結論可為相關實際工程應用提供必要的理論支持和數據支撐。但該裝置沒有實現完全自動化且排沙部分沒有固定的排沙裝置，對于實際工程含沙量較大的河流，須加高進水渠道，以使該設備安全穩定運行，并加強管理和綜合調度，采取防洪減淤措施，研究出最優水資源調度方案，基于該實驗裝置和以上辦法，將幫助更多地區實現生態效益、經濟效益和社會效益，為我國實現“碳達峰、碳中和”的雙碳目標作貢獻，也為世界治沙提供可參考的中國方案。