关于“水电站水轮机尾水管出口处高速水流二次利用”的研究

嵇绍云 嵇海洲

【摘 要】水能资源是清洁可再生能源，开发利用水能资源，有利于优化能源结构，保护生态环境。开发利用水能资源首先是建拦河大坝，目的是获得蕴含巨大能量的高速水流，可现在水电站水轮机尾水管出口处蕴含巨大能量的高速水流却被白白浪费了。如果利用"v"形水渠引流技术，对水轮机尾水管出口处的高速水流进行二次利用，将会获得巨大的经济效益和社会效益。也将为我国实现2020年的减排目标做出贡献。

【关键词】水电站 水轮机 尾水管 高速水流 二次利用

1 前言

水能资源是一种无污染的可再生的清洁能源。随着地球上可供人类使用的不可再生的化石能源的日益减少，合理开发利用可再生清洁能源，优化能源结构，保护生态环境，成为许多国家的共识。我国在对太阳能、风能等无污染可再生能源大力开发的同时，对水能资源的开发利用也很重视。要开发利用水能资源首先要建拦河大坝，目的是什么呢？答案只有一个，获得蕴含巨大能量的高速水流。可现在从水电站水轮机尾水管出口处激射而出的高速水流，除了让游客当作“壮丽奇观”参观外，蕴含的巨大能量都被白白浪费了，非常可惜。如果利用“v”水渠引流技术，对水电站水轮机尾水管出口处的高速水流进行二次利用，将会获得巨大的经济效益和社会效益。也将会为我国承诺的到2020年温室气体排放量比2005年下降40%到45%的目标作出贡献。

2 理论依据

下面就以三峡水电站蓄水位在175m时单台水轮机作为研究对象。水轮机进水口直径为12m，水流速度为8m/s，那么它的流量约为3.14×（12÷2）?×8≈904m?/s。水轮机额定转速为72r/min，直径为10m。因为水轮机轮毂内轮叶自转轴沿径线从内向外每一点的线速度都不相同，因此水流速度也不同，如果把水轮机轮叶上距转轴 r m处这点看作内外容积相等，则πr ?=?/?π×（10÷2）?? r?3 .5m。也就是说，距水轮机转轴3.5m处内外容积基本相等，因此可以把距水轮机转轴3.5m处这点的水流速度作为水轮机尾水管出口处水流的速度。那么，水轮机尾水管出口处的水流速度约为（72÷60）×3.14×3.5×2≈26m/s。因为水轮机进水口和出水口的流量是相同的，所以水轮机尾水管出口处水流所蕴含的能量为?×904×1000×26?=305552000w≈30.6万kw。如果水能利用率为70%，那么单台水轮机尾水管出口处可利用的水能为30.6×70%≈21万kw。三峡水电站共有26台水轮发电机组（不包含右岸大坝"白石尖''山体内建设的6台70万kw的地下电站），如果所有水轮机尾水管出口处的水能都被利用，将有26×21=546万kw的装机增量。增加的幅度达546÷（70×26）×100%=30%。

3 二次利用水轮机尾水管出口处高速水流的技术方案

我国已建成的发电能力在50万kw以上的中、大型水力发电站有40多座，它的造价少的数十亿元人民币，多的高达几千亿元人民币，都是具有综合用途的功在当代利在千秋的伟大工程，对大坝的一点点损坏都是不允许的。因此，要对水轮机尾水管出口处的高速水流进行二次利用，就必须要在保证已建大坝安全，并且不影响已建水轮机发电的前提下进行。下面就以三峡水电站单台水轮机作为对象来设计二次利用水轮机尾水管出口处高速水流的方案。

我们在水电站大坝前可以看到，水流从水轮机尾水管出口处激射而出时成扇形散射开来，飞出数十米后落入江中，我们要想利用它就要在它还没有落入江中之前，把它汇聚起来，使它形成一股激流，这样就可以用来发电。方案是，建"v''形引流水渠。"v''形引流水渠上口宽度根据水流的散射宽度而定，高度根据水流的高度而定，"v''形引流水渠上宽下窄，内高外低，成抛物线形向下弯曲并逐渐转为水平。这样可使水流蕴含的能量损失较小。水流在自身重力的作用下，沿水渠而下汇聚成一股激流，部分损失的能量也在沿水渠向下流动的过程中得到恢复。因此水流的能量损失可以忽略不计。

水电站在建设时一般都具有防洪的作用，那么它的蓄水位就会根据枯水期和丰水期有所升降。如三峡水电站枯水期时蓄水位为175m（每年约有9个月的时间）， 丰水期时蓄水位为145m（每年约有3个月的时间）。因此，"v''形引流水渠的建设就要优先考虑枯水期时水轮机尾水管出口处的水流弧度，使水流弧度尽量与"v''形引流水渠的弧度相匹配。这样可使水流中蕴含的能量得到最大的利用。

"v''形引流水渠的建设方法可采用高架式，这样做造价低，安全性好，最重要的是不会影响到已建大坝的安全。水轮发电机可选用冲击式水轮机。当然，由于各水电站情况的不同，在建设过程中肯定会有这样或那样的区别，但"水渠引流''的方法还是普遍适用的。

4前景展望

4.1经济效益

我国已建成的发电能力在50万kw以上的中、大型水力发电站有40多座，装机总量在6000万kw以上（含三峡水电站），如果各水电站都能做好水轮机尾水管出口处高速水流的二次利用工作，按增幅30%计算，将有1800万kw的装机增量。年发电量将达788亿kw.h，创造经济价值约150亿元人民币。

4.2社会效益

因为火力发电站发电1万kw.h需耗标准煤360t，每吨 煤将排放二氧化碳、二氧化硫、氢氧化物等约2.6t。所以年增发电量将节约标准煤约28亿吨，减少温室气体等污染物的排放约72.8亿吨。

4.3规划中的水电站

现在我国正在大力开发金沙江流域的水能资源，规划中的20座水力发电站装机总量超过8000万kw。现在这些水电站有的正在建设中，有的正在规划，如果和水电站建设同步做好水轮机尾水管高速水流的二次利用工作，不仅会有2000万kw以上的装机增量，而且还将大大降低工程建设的难度和资金的投入。

5 结语

综上所述，做好水电站水轮机尾水管出口处高速水流的二次利用工作，不仅切实可行，使水力资源得到充分利用，而且有巨大的经济效益和社会效益。同时还会为我国减排目标的实现做出贡献。

作者简介：嵇绍云（1965—），男，江苏建湖人，本科学历，工程师，主要研究风力和水力发电，有风力方面的专利一件；嵇海洲（1990—），男，江苏建湖人，本科学历，技术员，主要研究风力和水力发电，有风力方面的专利一件。