TRIZ 規(guī)劃方法剖析水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計

張永強

（和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆 和田848000）

0 引言

水利蓄能電站與普通電站相比，會在高處修建一個儲備用的水庫。在用電低峰期，水利蓄能電站能夠借助電站自身多余發(fā)電能，將水庫中的水抽到高處方便存儲。而在用電高峰期，水利蓄能電站將這部分水從高處排除，通過高落差進(jìn)行發(fā)電[1]。水利蓄能電站能夠調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)載，具有電能調(diào)節(jié)作用，并兼有調(diào)頻調(diào)相功能，電站建成后，以220 kV 接入電網(wǎng)。某水利蓄能電站是由上下水庫、輸水裝置和地面開關(guān)站等組成的建筑物，其中引水裝置采用1 洞2 機布置方案，尾水裝置采用2 機1 洞布置方案。而下庫進(jìn)/出水口依據(jù)總體設(shè)計方案，在電站下方以及水庫兩側(cè)進(jìn)行布置，而在上下游設(shè)置排水涵洞[2]。同時，為了減少水利蓄能電站進(jìn)/出水口明挖量，隧洞洞線盡可能采用垂直布置方式，將水利蓄能電站進(jìn)/出水口確定在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)?；诖耍岢隽薚RIZ 規(guī)劃方法剖析水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計。

1 基于TRIZ 方法規(guī)劃布局模型設(shè)計

TRIZ 規(guī)劃方法是基于專利知識的系統(tǒng)化方法，認(rèn)為任何設(shè)備都可以看做一個技術(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成的，通過子系統(tǒng)間相互作用實現(xiàn)水利蓄能電站進(jìn)出水功能[3]。

基于TRIZ 方法規(guī)劃布局過程模型設(shè)計見圖1。

圖1 基于TRIZ 方法規(guī)劃布局模型

基于TRIZ 方法規(guī)劃布局過程模型，主要分為如下幾個步驟：

Step1：選定水利蓄能電站，確定布局水利蓄能電站所能實現(xiàn)的功能；

Step2：構(gòu)建功能模型，借助畫圖工具，將水利蓄能電站分解，通過識別元件與元件之間作用，構(gòu)建功能模型；

Step3：項目線索，設(shè)定水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計主題及關(guān)鍵字進(jìn)行相關(guān)項目檢索，并對其進(jìn)行項目趨勢分析，了解該方法現(xiàn)狀；

Step4：設(shè)計方案分析，匯總水利蓄能電站數(shù)據(jù)，判斷設(shè)計方案成熟度，根據(jù)該方法應(yīng)用情況，選定方法進(jìn)化路線，確定潛力狀態(tài)；

Step5：水利蓄能電站進(jìn)/出水口方法布局，結(jié)合水利蓄能電站結(jié)構(gòu)，形成多層次布局規(guī)劃[4]。

2 進(jìn)/出水口金屬結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置

水利蓄能電站進(jìn)/出水口主要金屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備包括：引水進(jìn)洞的水利蓄能電站上、下庫進(jìn)/出水口隔污柵、檢修閘門，其中進(jìn)/出水口主要金屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 進(jìn)/出水口主要金屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備參數(shù)

（1）上、下庫進(jìn)/出水口隔污柵

對于上、下庫進(jìn)/出水口隔污柵的設(shè)置，選用活動?xùn)? 孔的隔污柵，并使其呈直線布置形式。充分考慮到運輸條件，需將隔污柵分成5 個部分，每個部分設(shè)置正反兩個方向的滑動支承。由于水利蓄能電站進(jìn)/出水口處的污染物較少，且水流是雙向的，因此附著在隔污柵上的污染物較少[5]。而上庫檢修閘門設(shè)立在上庫死水位置以上、下庫的檢修閘門與死水位置同等高，因此，對隔污柵柵葉檢修時，可將臨時設(shè)備起吊在檢修平臺上。

（2）檢修閘門

輸水發(fā)電系統(tǒng)采用4 機布置形式，在進(jìn)水口段閘門處，應(yīng)保證孔口尺寸寬與高系數(shù)一致，而采用平面滑動的鋼閘門，能夠促進(jìn)高揚程卷揚機高效運作。檢修閘門處的充水設(shè)施頂部設(shè)置了充水閥，閥門芯片通過軸與擔(dān)梁直接連接，固定卷揚機[6]。每扇閘門在檢修平臺上部設(shè)置了電動鎖定裝置，防止卷揚機動/關(guān)閉制動器失效所造成的檢修閘門突然降落事故[7]。

3 基于TRIZ 方法的進(jìn)/出水口設(shè)計

基于上述選用的進(jìn)/出水口金屬結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置，設(shè)計基于TRIZ 方法的進(jìn)/出水口。

3.1 進(jìn)/出水口型式

水利蓄能電站進(jìn)/出水口主要有井式和岸邊側(cè)式兩種，由于岸邊側(cè)式布設(shè)了事故檢修閘門，結(jié)構(gòu)相對簡單，水頭損失較小[8]。充分考慮到工程下水庫天然徑流上已經(jīng)建立的水庫，存在少量泥沙問題，因此，為了減少水庫泥沙對進(jìn)/出水口進(jìn)水與排水的影響，需實時檢修尾水引水進(jìn)水口，并嚴(yán)謹(jǐn)控流。根據(jù)檢修閘門井的布置形式，可分為豎井式和塔式兩種，由于水利蓄能電站進(jìn)/出水口所處位置相對平緩，依據(jù)地質(zhì)和地形條件無法決定豎井式進(jìn)/出水口，因此，最終確定水利蓄能電站進(jìn)/出水口為側(cè)向塔式進(jìn)/出水口[9]。

3.2 進(jìn)/出水口寬度確定

進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)主要是由閘門、調(diào)整段、隔污柵、清理池、明渠、檢修平臺、公路平臺組成的，在TRIZ 規(guī)劃方案支持下，下庫進(jìn)/出水口寬度主要是由兩個條件確定的：

（1）兩條尾水洞凈間距

兩條尾水洞凈間距依據(jù)TRIZ 規(guī)劃方案，確定尾水洞洞徑大小。

（2）隔污柵寬度

由流經(jīng)隔污柵水流流速確定隔污柵寬度，根據(jù)TRIZ 設(shè)計規(guī)范，控制水流流速[10～11]。

3.3 結(jié)構(gòu)確定

根據(jù)上述確定的進(jìn)/出水口寬度，分析水流特性，確定擴(kuò)散段內(nèi)的有壓緩流擴(kuò)散阻力[12]。斷面能量方程為：

兩個斷面面積分別為：

式中：S0和S1分別為側(cè)向塔式前端斷面和后端斷面面積；r 和R分別表示兩個斷面的直徑[14]。

兩個斷面流速分布調(diào)整需要從垂直和平面兩個方面進(jìn)行，兩者是相關(guān)的，存在分流隔墻，各個孔道過流量基本一致，這是影響水頭損失的主要因素。通常擴(kuò)散段底板位于斷面處，接近于平底狀態(tài)，一旦頂板擴(kuò)張不當(dāng)，就會在頂部產(chǎn)生水流分離現(xiàn)象，因此，需克服頂部所產(chǎn)生的水流分離問題，盡量保持流速均勻。擴(kuò)散段前洞身應(yīng)與坡底呈5°向上的角度，使擴(kuò)散段入流水體本身向上出流，抵消了頂板擴(kuò)張角度偏大的問題，無負(fù)流速出現(xiàn)[15]。

擴(kuò)散段接修一段水平頂板后，整流段的側(cè)式進(jìn)水口設(shè)計見圖2。

圖2 整流段的側(cè)式進(jìn)水口設(shè)計

評定整流端的設(shè)計能夠適當(dāng)減小擴(kuò)散長度，使水流未分離之前就進(jìn)入整流階段，不存在擴(kuò)散段內(nèi)壓力遞增情況，進(jìn)而消除局部負(fù)流速現(xiàn)象，達(dá)到水流均勻調(diào)整的目的。

依據(jù)上述內(nèi)容，設(shè)計水利蓄能電站進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 水利蓄能電站進(jìn)/出水口結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)是由擴(kuò)散段、隔污柵和防渦梁組成的，其中擴(kuò)散段是由分流隔墻分成的孔流道，并呈平面擴(kuò)張角形態(tài)，從流體運動角度分析，水利蓄能電站進(jìn)/出水口屬漸擴(kuò)管或漸縮管，分別控制水流流出和水流流進(jìn)。對于水利蓄能電站來說，進(jìn)/出水口都承受雙向流動水流影響。

進(jìn)出水口底板呈放射狀，分流墩外圍各布置了3 根防渦梁，水流從四周進(jìn)出。進(jìn)/出水口底板設(shè)計見圖4。

圖4 進(jìn)/出水口底板設(shè)計

綜合考慮水利蓄能電站安全以及引水洞開挖安全，完成了以上設(shè)計方案。

4 實驗

水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計方案與TRIZ 創(chuàng)新原理緊密結(jié)合，使設(shè)計方案更容易實現(xiàn)。為了驗證TRIZ 規(guī)劃方法剖析水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計合理性，以新疆某水利蓄能電站為實驗對象進(jìn)行研究。

4.1 工程概況

新疆某水利蓄能電站為1 d 調(diào)節(jié)純水利蓄能電站，主要是由上水庫、輸水系統(tǒng)、下水庫以及地面開關(guān)站組成的，電站內(nèi)部裝有4 臺單機容量為300 MW 的可逆式水泵水槍機組，總裝機容量為1500 MW。水利蓄能電站在電網(wǎng)中主要擔(dān)負(fù)調(diào)峰作用，電站建成后，以220 kV 出線接入電網(wǎng)之中。

水利蓄能電站簡圖見圖5。

圖5 泰安水利蓄能電站簡圖

水利蓄能電站輸水系統(tǒng)主要布置于山丘陵區(qū)內(nèi)，引水裝置采用4 機布置方案，尾水系統(tǒng)為2 洞布置方案，下庫進(jìn)/出水口根據(jù)樞紐，設(shè)計具體布置要求。為了盡可能減少下庫進(jìn)/出水口明挖量，明渠軸線盡可能垂直平底。

4.2 主要參數(shù)

實驗參數(shù)見表2。

表2 實驗參數(shù)

4.3 實驗結(jié)果與分析

分別采用傳統(tǒng)方法與TRIZ 規(guī)劃方法對水利蓄能電站進(jìn)/出水口的進(jìn)水和出水情況進(jìn)行分析，并使用LS300 型智能水流測速計對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計。

（1）進(jìn)水情況

針對水利蓄能電站進(jìn)水情況，見圖6。

圖6 實際進(jìn)水情況對比分析

由圖6 可知，在不同水深流速橫向分布情況下，水利蓄能電站進(jìn)水流速逐漸下降，當(dāng)橫向長度為2.0 m 以內(nèi)時，水利蓄能電站進(jìn)水流速從2.3 m/s 降為1.1 m/s；當(dāng)橫向長度為2.0 m～3.0 m時，水利蓄能電站進(jìn)水流速從1.1 m/s 下降到0.9 m/s；當(dāng)橫向長度為3.0 m～4.0 m 時，水利蓄能電站進(jìn)水流速從0.9 m/s 上升到1.8 m/s；當(dāng)橫向長度為4.0 m～7.0 m 時，水利蓄能電站進(jìn)水流速從1.8 m/s 下降到0，此時水利蓄能電站進(jìn)水完畢。

基于上述情況，將兩種方法進(jìn)水情況對比分析，結(jié)果見表3。

表3 兩種方法進(jìn)水流速對比分析

采用傳統(tǒng)方法在進(jìn)水過程中，由于前期流速過快，導(dǎo)致后期水流全部流入；而在實際過程中，需對流速進(jìn)行控制，減緩水利蓄能電站受到的水壓壓力，而TRIZ 規(guī)劃方法正好做到了這一點，與實際進(jìn)行情況基本一致。

（2）出水情況

針對水利蓄能電站出水情況，見圖7。

圖7 實際出水情況對比分析

由圖7 可知，當(dāng)橫向長度為2.0 m 以內(nèi)時，水利蓄能電站出水流速從0.8 m/s 升為1.7 m/s；當(dāng)橫向長度為2.0 m～5.0 m時，水利蓄能電站出水流速保持1.7 m/s 不變；當(dāng)橫向長度為5.0 m～7.0 m 時，水利蓄能電站出水流速從1.7 m/s 下降到0。

基于上述情況，將兩種方法出水情況對比分析，結(jié)果見表4。

表4 兩種方法進(jìn)水流速對比分析

采用傳統(tǒng)方法在出水過程中，前期出水速度依然較快，導(dǎo)致后期水流全部流失；而TRIZ 規(guī)劃方法控制了出水速度，減緩水利蓄能電站受到的水壓壓力，這與實際情況是一致的。

綜上所述：TRIZ 規(guī)劃方法剖析水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計是具有合理性的。

5 結(jié)語

TRIZ 規(guī)劃方法剖析水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計可將設(shè)計過程變得更加簡便，設(shè)計更容易實現(xiàn)。TRIZ 規(guī)劃方法不僅能夠指導(dǎo)創(chuàng)新設(shè)計，還能評估設(shè)計方案實施的可行性。再加上設(shè)計方案具有可復(fù)制性，對于任意產(chǎn)品創(chuàng)新都是具有指導(dǎo)性意義的。通過仿真實驗可知，該設(shè)計方案有效控制了水流流速。

進(jìn)/出水口設(shè)計是一個復(fù)雜過程，需要結(jié)合水力學(xué)、巖土性質(zhì)特點，提高水利蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計水平。然而，該內(nèi)容缺乏從工程應(yīng)用角度分析的成果，因此，需從基礎(chǔ)性工作加以聯(lián)系，對一些實際問題進(jìn)行研究，保證分流隔墻能夠合理布置。