TRIZ 规划方法剖析水利蓄能电站进/出水口设计

2020-04-30张永强

陕西水利 2020年2期

张永强

（和田鼎晟工程试验检测有限公司，新疆和田848000）

0 引言

水利蓄能电站与普通电站相比，会在高处修建一个储备用的水库。在用电低峰期，水利蓄能电站能够借助电站自身多余发电能，将水库中的水抽到高处方便存储。而在用电高峰期，水利蓄能电站将这部分水从高处排除，通过高落差进行发电[1]。水利蓄能电站能够调节电网负载，具有电能调节作用，并兼有调频调相功能，电站建成后，以220 kV 接入电网。某水利蓄能电站是由上下水库、输水装置和地面开关站等组成的建筑物，其中引水装置采用1 洞2 机布置方案，尾水装置采用2 机1 洞布置方案。而下库进/出水口依据总体设计方案，在电站下方以及水库两侧进行布置，而在上下游设置排水涵洞[2]。同时，为了减少水利蓄能电站进/出水口明挖量，隧洞洞线尽可能采用垂直布置方式，将水利蓄能电站进/出水口确定在预设范围内。基于此，提出了TRIZ 规划方法剖析水利蓄能电站进/出水口设计。

1 基于TRIZ 方法规划布局模型设计

TRIZ 规划方法是基于专利知识的系统化方法，认为任何设备都可以看做一个技术系统，该系统是由多个子系统组成的，通过子系统间相互作用实现水利蓄能电站进出水功能[3]。

基于TRIZ 方法规划布局过程模型设计见图1。

图1 基于TRIZ 方法规划布局模型

基于TRIZ 方法规划布局过程模型，主要分为如下几个步骤：

Step1：选定水利蓄能电站，确定布局水利蓄能电站所能实现的功能；

Step2：构建功能模型，借助画图工具，将水利蓄能电站分解，通过识别元件与元件之间作用，构建功能模型；

Step3：项目线索，设定水利蓄能电站进/出水口设计主题及关键字进行相关项目检索，并对其进行项目趋势分析，了解该方法现状；

Step4：设计方案分析，汇总水利蓄能电站数据，判断设计方案成熟度，根据该方法应用情况，选定方法进化路线，确定潜力状态；

Step5：水利蓄能电站进/出水口方法布局，结合水利蓄能电站结构，形成多层次布局规划[4]。

2 进/出水口金属结构及设备布置

水利蓄能电站进/出水口主要金属结构和设备包括：引水进洞的水利蓄能电站上、下库进/出水口隔污栅、检修闸门，其中进/出水口主要金属结构和设备参数见表1。

表1 进/出水口主要金属结构和设备参数

（1）上、下库进/出水口隔污栅

对于上、下库进/出水口隔污栅的设置，选用活动栅4 孔的隔污栅，并使其呈直线布置形式。充分考虑到运输条件，需将隔污栅分成5 个部分，每个部分设置正反两个方向的滑动支承。由于水利蓄能电站进/出水口处的污染物较少，且水流是双向的，因此附着在隔污栅上的污染物较少[5]。而上库检修闸门设立在上库死水位置以上、下库的检修闸门与死水位置同等高，因此，对隔污栅栅叶检修时，可将临时设备起吊在检修平台上。

（2）检修闸门

输水发电系统采用4 机布置形式，在进水口段闸门处，应保证孔口尺寸宽与高系数一致，而采用平面滑动的钢闸门，能够促进高扬程卷扬机高效运作。检修闸门处的充水设施顶部设置了充水阀，阀门芯片通过轴与担梁直接连接，固定卷扬机[6]。每扇闸门在检修平台上部设置了电动锁定装置，防止卷扬机动/关闭制动器失效所造成的检修闸门突然降落事故[7]。

3 基于TRIZ 方法的进/出水口设计

基于上述选用的进/出水口金属结构及设备布置，设计基于TRIZ 方法的进/出水口。

3.1 进/出水口型式

水利蓄能电站进/出水口主要有井式和岸边侧式两种，由于岸边侧式布设了事故检修闸门，结构相对简单，水头损失较小[8]。充分考虑到工程下水库天然径流上已经建立的水库，存在少量泥沙问题，因此，为了减少水库泥沙对进/出水口进水与排水的影响，需实时检修尾水引水进水口，并严谨控流。根据检修闸门井的布置形式，可分为竖井式和塔式两种，由于水利蓄能电站进/出水口所处位置相对平缓，依据地质和地形条件无法决定竖井式进/出水口，因此，最终确定水利蓄能电站进/出水口为侧向塔式进/出水口[9]。

3.2 进/出水口宽度确定

进/出水口结构主要是由闸门、调整段、隔污栅、清理池、明渠、检修平台、公路平台组成的，在TRIZ 规划方案支持下，下库进/出水口宽度主要是由两个条件确定的：

（1）两条尾水洞净间距

两条尾水洞净间距依据TRIZ 规划方案，确定尾水洞洞径大小。

（2）隔污栅宽度

由流经隔污栅水流流速确定隔污栅宽度，根据TRIZ 设计规范，控制水流流速[10～11]。

3.3 结构确定

根据上述确定的进/出水口宽度，分析水流特性，确定扩散段内的有压缓流扩散阻力[12]。断面能量方程为：

两个断面面积分别为：

式中：S0和S1分别为侧向塔式前端断面和后端断面面积；r 和R分别表示两个断面的直径[14]。

两个断面流速分布调整需要从垂直和平面两个方面进行，两者是相关的，存在分流隔墙，各个孔道过流量基本一致，这是影响水头损失的主要因素。通常扩散段底板位于断面处，接近于平底状态，一旦顶板扩张不当，就会在顶部产生水流分离现象，因此，需克服顶部所产生的水流分离问题，尽量保持流速均匀。扩散段前洞身应与坡底呈5°向上的角度，使扩散段入流水体本身向上出流，抵消了顶板扩张角度偏大的问题，无负流速出现[15]。

扩散段接修一段水平顶板后，整流段的侧式进水口设计见图2。

图2 整流段的侧式进水口设计

评定整流端的设计能够适当减小扩散长度，使水流未分离之前就进入整流阶段，不存在扩散段内压力递增情况，进而消除局部负流速现象，达到水流均匀调整的目的。

依据上述内容，设计水利蓄能电站进/出水口结构，见图3。

图3 水利蓄能电站进/出水口结构

该结构是由扩散段、隔污栅和防涡梁组成的，其中扩散段是由分流隔墙分成的孔流道，并呈平面扩张角形态，从流体运动角度分析，水利蓄能电站进/出水口属渐扩管或渐缩管，分别控制水流流出和水流流进。对于水利蓄能电站来说，进/出水口都承受双向流动水流影响。

进出水口底板呈放射状，分流墩外围各布置了3 根防涡梁，水流从四周进出。进/出水口底板设计见图4。

图4 进/出水口底板设计

综合考虑水利蓄能电站安全以及引水洞开挖安全，完成了以上设计方案。

4 实验

水利蓄能电站进/出水口设计方案与TRIZ 创新原理紧密结合，使设计方案更容易实现。为了验证TRIZ 规划方法剖析水利蓄能电站进/出水口设计合理性，以新疆某水利蓄能电站为实验对象进行研究。

4.1 工程概况

新疆某水利蓄能电站为1 d 调节纯水利蓄能电站，主要是由上水库、输水系统、下水库以及地面开关站组成的，电站内部装有4 台单机容量为300 MW 的可逆式水泵水枪机组，总装机容量为1500 MW。水利蓄能电站在电网中主要担负调峰作用，电站建成后，以220 kV 出线接入电网之中。

水利蓄能电站简图见图5。

图5 泰安水利蓄能电站简图

水利蓄能电站输水系统主要布置于山丘陵区内，引水装置采用4 机布置方案，尾水系统为2 洞布置方案，下库进/出水口根据枢纽，设计具体布置要求。为了尽可能减少下库进/出水口明挖量，明渠轴线尽可能垂直平底。

4.2 主要参数

实验参数见表2。

表2 实验参数

4.3 实验结果与分析

分别采用传统方法与TRIZ 规划方法对水利蓄能电站进/出水口的进水和出水情况进行分析，并使用LS300 型智能水流测速计对结果进行统计。

（1）进水情况

针对水利蓄能电站进水情况，见图6。

图6 实际进水情况对比分析

由图6 可知，在不同水深流速横向分布情况下，水利蓄能电站进水流速逐渐下降，当横向长度为2.0 m 以内时，水利蓄能电站进水流速从2.3 m/s 降为1.1 m/s；当横向长度为2.0 m～3.0 m时，水利蓄能电站进水流速从1.1 m/s 下降到0.9 m/s；当横向长度为3.0 m～4.0 m 时，水利蓄能电站进水流速从0.9 m/s 上升到1.8 m/s；当横向长度为4.0 m～7.0 m 时，水利蓄能电站进水流速从1.8 m/s 下降到0，此时水利蓄能电站进水完毕。

基于上述情况，将两种方法进水情况对比分析，结果见表3。