山區(qū)渠道漩渦式發(fā)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(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

改革開放之初，我國(guó)涌現(xiàn)出一大批關(guān)注排沙治沙方面的專家，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了王慶祥[1]等人設(shè)計(jì)的螺旋流裝置對(duì)渠道推移質(zhì)泥沙有較強(qiáng)的排沙能力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、排沙方便、耗水量小、簡(jiǎn)單而實(shí)用。俞健[2]提出的螺旋漏斗及渦管排沙技術(shù)只有在河流具備一定的地形條件下才能使用，而邊玉國(guó)等[3]提出的蜂窩式水力發(fā)電技術(shù)因可均衡受力、環(huán)保性能好、提供的電能穩(wěn)定受到青睞。中國(guó)專利文獻(xiàn)CN2673955Y中公開了一種渦環(huán)流排沙裝置[4]，該裝置可將泥沙送進(jìn)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(chǎn)生的能量有效利用。中國(guó)專利文獻(xiàn)CN204610129U中公開了一種利用水流漩渦發(fā)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(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，但是該裝置在含沙量大的河流中使用時(shí)，泥沙會(huì)磨損裝置本身，也不能長(zhǎng)久使用。張琦杰[6]提到，傳統(tǒng)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(tǒng)的單直流排沙，排沙所用的耗水量很小。水力發(fā)電需要利用水的勢(shì)能和水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行發(fā)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(jìn)行發(fā)電時(shí)，首先需要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行除沙過濾，大型水庫、水電站為了讓水質(zhì)達(dá)到一定要求，會(huì)在泵前設(shè)置排沙漏斗除沙[7-8]，但是在經(jīng)濟(jì)條件受限的地區(qū)，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(qū)渠道漩渦式發(fā)電排沙裝置[9]。

1 基本原理

裝置實(shí)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(cè)擋板隱藏，展現(xiàn)出內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖2)，在一級(jí)渠道中間放置擋水板達(dá)到穩(wěn)定流速的作用，將一級(jí)渠道變窄，起到束水作用?？紤]到試驗(yàn)?zāi)M及現(xiàn)實(shí)因素，擬使用螺旋式束水結(jié)構(gòu)，達(dá)到聚水、提高水速的作用。天然水流經(jīng)一級(jí)渠道加速后流入到與一級(jí)渠道尾部相連的螺旋式束水結(jié)構(gòu)中，水流流出螺旋式束水結(jié)構(gòu)的尾部時(shí)，直接快速?zèng)_擊葉片(葉片的厚度起主要作用)，水流帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電，水輪機(jī)下側(cè)安裝濾水排沙裝置，帶有泥沙的水流沖擊水輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)發(fā)電，隨后流入下部的濾沙裝置中，排沙裝置的側(cè)壁開口連接溢流槽，并與二級(jí)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(xiàn)實(shí)情況。沙子和水自然落入濾水排沙裝置中，當(dāng)其重量達(dá)到設(shè)計(jì)閾值時(shí)，底部的彈簧彈起止逆閥開啟實(shí)現(xiàn)排沙，其他時(shí)間彈簧自動(dòng)回彈閉合，表層的清水從側(cè)方溢流槽排出。

圖1 整體結(jié)構(gòu)實(shí)體圖

2 結(jié)構(gòu)詳述

如圖2所示，裝置主體由一級(jí)渠道、二級(jí)渠道、水輪發(fā)電機(jī)、濾水排沙結(jié)構(gòu)四大部分組成，整體看為“之”字形，本文重點(diǎn)研究濾水排沙結(jié)構(gòu)(實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)名稱：1.穩(wěn)流板 2.一級(jí)渠道 3.二級(jí)渠道 4.左右擋板 5.逆止閥 6.排水口 7.后側(cè)擋板 8.二級(jí)渠道支撐板 9.濾水排沙結(jié)構(gòu) 10.排沙渠道 11.水輪發(fā)電機(jī) 12.發(fā)電裝置

2.1 物理模型及概況

如圖3所示，水輪機(jī)扇葉的玻璃板挖孔直徑為130mm，水輪發(fā)電機(jī)扇葉直徑為100mm，轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)為200mm，直徑為5mm，前期完成了有機(jī)玻璃板的粘接、裝置的主體框架。本文通過對(duì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及創(chuàng)新，從含沙量大的河流中更加便利地獲取電能，同時(shí)起到排沙的作用。

圖3 一級(jí)渠道示意圖(單位：mm)

2.2 發(fā)電裝置和排沙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該部分如圖4—5所示，為更好達(dá)到發(fā)電排沙的同時(shí)作用，擬將一級(jí)渠道尾部下端連接螺旋式束水結(jié)構(gòu)達(dá)到聚水的目的，將一級(jí)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(diǎn)一線，渠道末端與螺旋式水槽相連，當(dāng)水流快速流出時(shí)，沖擊葉片正中央引起轉(zhuǎn)動(dòng)，以此帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。水輪發(fā)電機(jī)外接小燈泡(發(fā)電裝置)。

圖4 濾水排沙結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

2.2.2濾水排沙結(jié)構(gòu)

該部分如圖5所示，水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，泥沙因自身自重沉入該結(jié)構(gòu)底部，表層清水通過側(cè)方溢流槽流出，當(dāng)?shù)撞磕嗌尺_(dá)到所設(shè)計(jì)的閾值時(shí)，止逆閥自動(dòng)打開，將泥沙排出，排沙口傾斜放置，便于排污。實(shí)際工程中可用壓力傳感器代替止逆閥。

圖5 濾水排沙結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

3 試驗(yàn)效果及結(jié)論

經(jīng)試驗(yàn)初步探究，安裝螺旋式束水結(jié)構(gòu)后，水流可以垂向沖擊扇葉轉(zhuǎn)速較快，燈泡較亮，在大股水流的作用下，扇葉轉(zhuǎn)速更大，更容易發(fā)電且能量損失最小，故此將螺旋聚水結(jié)構(gòu)連接渠道尾部，水流通過螺旋狀聚水結(jié)構(gòu)，可正向垂直沖擊扇葉中央，致使水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)際工程中有蓄能裝置可保障電能穩(wěn)定輸出。本方法主要涉及水利水電工程領(lǐng)域，將節(jié)能減排、排沙、發(fā)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，后期可以用壓力傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)排沙。物理模型缺少能源收集裝置，在實(shí)際中可以利用能源收集裝置收集電源并提供穩(wěn)定的電，還有可需改進(jìn)的空間。

4 后期改進(jìn)

本裝置整體采用“之”字形，在實(shí)際應(yīng)用中可無限連接下層渠道，原理簡(jiǎn)單，實(shí)際工程操作起來方便，進(jìn)水端加閥門來控制流量，穩(wěn)定流速；止逆閥通過試驗(yàn)沙子和水的重量找到合適的彈簧范圍，達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)止逆閥開啟，彈簧彈起自動(dòng)關(guān)閉，實(shí)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(jí)渠道的是相對(duì)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(lián)網(wǎng)背景，將本文做到最大程度的應(yīng)用，使本方法具有最大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 發(fā)展前景

該裝置在滿足發(fā)電需求的同時(shí)，可大大減少排沙所需耗水量。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，該裝置每通過1m3/s帶有泥沙的水流，一年期間可節(jié)約200萬m3左右的排沙所需耗水量，相當(dāng)于一座中型水庫的蓄水量[10]，在排沙的同時(shí)可以解決一個(gè)小村莊的基本用電需求，有較好的應(yīng)用前景，在理論和實(shí)踐方面有較大意義。由于偏遠(yuǎn)地區(qū)缺乏相應(yīng)的過濾排沙系統(tǒng)和能源收集系統(tǒng)，因此很難從水位差中獲取優(yōu)質(zhì)的電能，本發(fā)明主要應(yīng)用于山區(qū)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(shí)際應(yīng)用中，建造方便、節(jié)省空間。可穩(wěn)定輸出電能，且水輪機(jī)組的發(fā)電量較大，將多臺(tái)設(shè)備結(jié)合起來，為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供用電需求；內(nèi)部可形成穩(wěn)定的空氣流漩渦，濾沙裝置的巧妙運(yùn)用，可大大減少排沙耗水量，在工程實(shí)踐時(shí)，可對(duì)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行考究，找出最適宜坡度，排沙裝置底部安裝力傳感器，進(jìn)行最大效率地發(fā)電和排沙；本發(fā)明適用于含沙量較大的河流中，不會(huì)對(duì)裝置本身造成破壞，可供長(zhǎng)久使用，利用的是水能發(fā)電，在發(fā)電的同時(shí)進(jìn)行排沙，將水資源高效利用，提高發(fā)電質(zhì)量；符合當(dāng)今時(shí)代特點(diǎn)，在“能源革命”之際，應(yīng)該充分利用這些能源，以謀求經(jīng)濟(jì)社會(huì)、節(jié)約型社會(huì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

通過能源收集裝置進(jìn)行發(fā)電，可起到發(fā)電排沙同時(shí)作用，為山區(qū)居民用電提供保障，也可將電能用于照明、工廠發(fā)電等其他用途，產(chǎn)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(yè)的用電提供部分電能。偏遠(yuǎn)地區(qū)供電不方便，此裝置可以利用自然界中行進(jìn)的水流進(jìn)行發(fā)電，利用能源收集系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定地輸出電能，可供居民用電、也可為當(dāng)?shù)毓S等需要電能的地方提供有力保障，可在實(shí)際工程中得到較大程度應(yīng)用[11]。

6 結(jié)語

本文通過研制山區(qū)渠道飲水排沙裝置，細(xì)述了裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和發(fā)電排沙原理，通過多方分析驗(yàn)證及試驗(yàn)效果可得：在保證安全的前提下，當(dāng)大股流垂直沖擊葉片時(shí)，扇葉旋轉(zhuǎn)速度最大，水輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率越高。該方法運(yùn)用到工程實(shí)踐中，布置緊湊、運(yùn)行管理方便、工程投資較小，可為類似工程設(shè)計(jì)提供一定借鑒作用，本發(fā)明通過對(duì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及創(chuàng)新，能夠從含沙量大的河流中更加便利地獲取電能，同時(shí)可起到排沙的作用。但該裝置沒有實(shí)現(xiàn)整體自動(dòng)化和智能化，未來可將新的推廣理念融入其中，效果更佳。