CN101131146A - 桨轮堰潮汐电站及其设备设施 - Google Patents

Abstract

一种桨轮堰潮汐电站及其设备设施，其由桨轮式水轮机、双向桨轮机座和发电与调控设备设施三大功能部分组成；其桨轮式水轮机可实现一机双向旋转且双向完全相同的最大水能出力能力转换，适合拥有最大效益的单库双向式潮汐电站采用；其位置很低的冲压桨轮口可充分利用潮差有限的水头；其单机过流能力巨大并可通过控制冲压口闸门开闭数量的方式简单快速地对不同水头与出力能力及其变化进行调控；其结构可彻底消除海水腐蚀与渗入全贯流式水轮机这一全球潮汐电站的长久顽疾，其结构简捷、建设成本低、安装维护方便，开创了潮汐电站全新功效与类型，其将使潮汐电价与火电的比值优势超过10倍以上，其将使潮汐发电进入全新的发展阶段。

Description

桨轮堰潮汐电站及其设备设施

技术领域

本发明涉及一种全新功效潮汐电站及其设备设施，尤其是以桨轮堰发电技术为基础形成的桨轮堰潮汐电站及其设备设施。

背景技术

由于太阳、月亮形成的引潮力的作用，使海水不断地涨潮、落潮。涨潮时大量海水汹涌而来使水位升高，落潮时海水奔腾而归使水位下降。海水在运动时所具有的动能和势能统称为潮汐能；潮汐发电就是在海湾或是在有潮汐的河口建一拦水堤坝构成水库，并在坝内安装水轮发电机组，利用潮汐涨落时海水水位的频繁升降使水库内外交替形成水位落差与下泻水流推动水轮发电机组转动发电。潮汐发电的优点是成本低，按照现有技术建设的潮汐电站计算，其每度电的成本也仅相当于火电站的八分之一。

据计算，世界海洋潮汐能蕴藏量约为27亿千瓦，若全部转换成电能，每年发电量大约为1.2万亿度。我国大陆海岸长达18000多公里，海岸线共长32000多公里，因此潮汐能资源很是丰富。据不完全统计，中国潮汐能蕴藏量为1.1亿千瓦。

中国东南沿海地区经济发达，电力能源普遍紧缺，因此大力发展潮汐发电对于中国经济发展具有特别重大的区域优势效用。但是，潮汐发电站具有水头低、流量大、水位变化频繁、海水腐蚀设备严重等许多其自身独特的特点，其所采用的水轮机的结构与性能是决定潮汐电站建设成本、运行调控难易程度及其投资效益高低的关键。当前世界潮汐电站的主力机型是全贯流式水轮发电机组，但其体积大、耗钢量多，且设备完全浸入海水中，容易被海水腐蚀与形成缝隙渗入，其进、出水建筑物结构复杂；

此外，采用一个全贯流式水轮机所能形成的单机过流能力很低，因此如形成适合于潮汐发电所需的超大过流能力，在一个潮汐电站上就需排列设置许多个水轮机组并且使其共同运行实现，这更将导致上述问题的成倍放大。

当前，潮汐电站主要有三种建设形态：

一、单库单向电站。即只用一个水库，仅在涨潮(或落潮)时发电，因为其用潮时间和能力只有第二种方式的一半，所以投资效益不高，现在多数情况下已很少被采用。

二、单库双向电站。即用一个水库，在涨潮与落潮时水流内外进出水库的流动过程均可发电，只在平潮时不能发电，其是现在与以后最多采用的潮汐电站形式。

三、双库双向电站。即建设二个相邻的水库，使一库在涨潮时进水，另一库在落潮时放水，这样前一库的水位总比后一库高，水轮发电机组放在两库之间的隔坝内，两水库始终保持水位差可全天发电，但是由于其建设成本高，形成效益低，所以在实际中很少采用。

可见，采用全贯流式水轮机及其内部的转桨式水轮机的出力方式对于“单库单向电站”比较适合，其单向水流出力设计就如同在河流上建设的水电站(但潮汐电站水库的水位变化频繁，与河流电站还有所不同)。但其在具有最佳运行效益的“单库双向式潮汐电站”上采用，并使其转桨式水轮机形成“一机双向、双向完全相同的旋转出力转换设计”就难于实现；

日前，清华大学提出了一种可使全贯流式水轮机形成双向旋转出力能力设计的技术方案(发明专利号：200610057125.3)，其是在一个全贯流式水轮机内，同轴串联设置两个推力方向相反的转桨式水轮机转轮，其虽能达到双向出力的应用效果，但由于相互反向串联的转桨式水轮机相互影响将导致出力效率的进一步降低，并且导致结构更加复杂；此外，即使不涉及水流出力方向的问题，仅以单向出力而言采用转桨式水轮机所能形成的出力转换能力也很不理想，转桨式水轮机在超低水头的情况下无法有效运行；在水位变化时难于实现有效出力能力的调控。另外在潮汐电站如果采用全贯流式水轮机，其设计直径还不能很大，否则将导致水头利用不充分问题的进一步扩大，如果将大直径水轮机组埋入地平面以下解决其水头利用不充分的问题，又将导致泥沙淤积问题的发生。

综上所述各个方面的原因均是导致当前潮汐发电站建设成本高、出力能力低、运行控制难、维护费用高、技术难度大等系列问题的重要起因，至使当前的潮汐电站难于发挥出其本应具有的独特巨大优势与效益，并使其建设规模与发展速度受到极大的抑制。

中国发明专利(发明专利号：200510064669.8)提出了一种“桨轮堰水电站及其设备设施”全新水电技术方法及全新类型水电站的建设形式。堰：较低的挡水建筑物，因此桨轮堰水电站的结构与性能天然适合潮汐电站采用。

现有桨轮堰水电站所述的桨轮堰是由可设计成不同长度的桨轮板、辊、轴组成的桨轮式水轮机(或称为：桨轮转轮)和由单向挡水堰体、单向冲压桨轮口、冲压口闸门、溢流顶板、桨轮堰基础等组成的水轮机座配合构成。同一较长的桨轮堰可由1-多个单独运行的桨轮发电机组横向排列一体化构成。

桨轮堰水电站的作用方法是：通过其冲压桨轮口将桨轮堰蓄集的水能从堰的下部切向冲压卧式形态设置的桨轮转轮的最大力矩处，从而使其形成最大水能转换出力能力，其在出力转换过程中没有任何无出力就流失的水能损耗，其超长的桨轮转轮可形成巨大的整体压强合力，因此，即使是在超低水头及变化的情况下，还可通过增加其过流能力(即：增加对桨轮转轮水流冲击压迫面积)的方式形成与较高水头时候完全相同的单机出力能力调节控制；因此，使用者可利用其设计很长的冲压桨轮口与其上设置的若干个(或众多个)冲压口闸门的配合，实现对不同水头高度及其频繁变化中对水轮机组出力能力与电力调频的方便及时有效调控；桨轮堰水电站的出力过程与水流冲沙过程相同，设备全部在地平面之上，因此桨轮堰水电站不会产生泥沙淤积的问题。

桨轮堰水电站具有多种排列设置方式、堰体高度、桨轮直径、桨轮长度……等相关参数的不同设计与建设规模的选择，桨轮堰水电技术出现将使陆地水力水电获得更为广泛、高效、方便、廉价、多样的开发利用，其在潮汐电站的建设中也将发挥独特的作用。

发明内容

本发明的目的旨在针对现有潮汐电站的上述问题，提出一种可满足潮汐发电各个方面需求的、全新类型的潮汐电站及其设备设施-桨轮堰潮汐电站及其设备设施技术方案；其桨轮式水轮机可实现一机双向转动并形成双向完全相同的最大水能出力转换能力设计，实现单机超大过流能力设计与方便调控，其可使潮汐电站的潮差水头获得更为充分的利用；并可方便地实现对不同出力能力及其变化的方便快速调控，并且建设方式简单、建设成本低，其还可以从设计结构上彻底消除海水腐蚀与渗漏发电设备的问题，使之实现功效性能优势全面的发明目的；本发明也包括单库单向潮汐电站适合采用的桨轮堰潮汐电站设备设施。

本发明提出的桨轮堰潮汐电站及其设备设施是由(一)桨轮式水轮机部分、(二)双向桨轮机座部分和(三)适合其采用的发电机组与调控设备设施三大功能部分组成；

(注：因“单库单向潮汐电站”采用的桨轮堰潮汐电站及其设备设施与原有桨轮堰水电站及其设备设施(中国发明专利：200510064669.8)技术方案在形态与功效上大致相同，在本发明专利文件中只提供其主体结构的附图和图示标记说明，见示意图2，不单独对其进行更为详细的结构描述)；因此，本发明主要是针对单库双向(或双库双向)桨轮堰潮汐电站及其设备设施创新技术方案进行以下具体的描述：

(一)桨轮式水轮机部分

桨轮式水轮机(或称：桨轮转轮)是由①桨轮板、②桨轮辊、③桨轮轴等主要功能部件构成(见示意图1)，对其具体的描述是：

①多个或众多个桨轮板：各个相同规格的桨轮板均间距排列在桨轮辊上，桨轮板一般为平板形状，也可采用F、L等更加有利于集中水力、同时有利于其自身强度加强的结构。

在一个桨轮式水轮机上设置的桨轮板的数量、排列密度、设计强度、选择材料、设计直径、长度、宽度等可依该潮汐电站建设地点所拥有的水流强度、桨轮堰设计的高度与机组出力能力要求等实际确定。

潮汐电站采用的桨轮板一般采用复合玻璃钢制造，其内部可以钢材作为主体加强材料，也可选择采用合金铝、钢材附加耐磨耐腐蚀涂层等其它耐磨耐腐材料和涂层工艺等，为了加强各个桨轮板的强度，在其两板之间的间隔空间内分布设置加强板或加强杆。

②桨轮辊：桨轮辊为圆柱型辊体，在辊表面上均匀分布桨轮板，桨轮辊面主体材料可与桨轮板相同，为加强对桨轮辊面的支撑强度在其板轴之间的间隔空间内分布设置加强板(杆)。

桨轮辊的设计直径和长度、厚度等设计数据的确定可依建设地点拥有的潮汐强度、建设规模、出力能力等实际要求确定，桨轮板与桨轮辊共同构成桨轮转轮的基本形态，因此桨轮式水轮机的设计长度与规格可依不同的实际需要进行具体设计，也可使其形成系列化、标准化并进行标准化的生产。

③桨轮轴：在桨轮辊的中心设置桨轮式水轮机的动力输出轴(桨轮轴)，桨轮轴的设计直径和长度可依建设地点拥有的潮汐强度、桨轮式水轮机的设计长度、单机出力能力等的实际要求确定，长的桨轮轴可分阶段由桨轮轴座固定支撑(见示意图2、3)。

(二)双向桨轮机座部分

桨轮堰潮汐电站采用的桨轮机座的主要作用是集中水力，并与其内的桨轮式水轮机形成紧密的出力与调控配合，其使桨轮转轮稳固并实现最大的水流冲击出力能力的转换，还可通过冲压口闸门的全自动、半自动或人工调节，控制水流及桨轮式水轮机与发电机组的出力能力及其变化与电力调频，其主要功能结构包括：①双向挡水堰体；②双向冲压桨轮口；③冲压口闸门；④桨轮轴座；⑤桨轮堰基础；对桨轮机座组成件的结构与功能更具体的描述是：

①双向挡水堰体：双向挡水堰体是由面对潮汐电站水库内外的两个并列设置的桨轮挡水堰体和在其上设置的实体挡水堰体一体化构成，双向挡水堰体与潮汐电站建设的水坝并列连接一同构成潮汐电站的整体水库水坝；双向挡水堰体可双向阻挡水流并形成对桨轮转轮的定位双向切向冲击，为加强挡水堰体与桨轮堰的整体支撑附加设置桨轮堰加强体(见示意图2、3、5所示，注：示意图的结构为其基本功能结构，具体结构可依据实际需求有所改变)。

②双向冲压桨轮口：桨轮堰潮汐电站的双向挡水堰体与其下部的桨轮堰基础配合构成双向冲压桨轮口，其分别位于双向挡水堰体的下部，双向冲压桨轮口的设计高度与其中部配合设置的桨轮转轮的桨轮板的设计高度大致相当，其可将潮汐电站双向挡水堰体所形成的库内库外聚积的交替落差水力集中，并且通过双向冲压桨轮口来回切向冲击压迫于桨轮式水轮机的最大力矩处形成最大水能转换出力；

在冲压桨轮口的底部与桨轮式水轮机旋转弧面之间形成的“极点”处，还可设计成为与桨轮板旋转弧面紧密配合的凹圆弧形结构(见示意图3★标示)；并且可将挡水堰体的下部入水、出水口设计成为有利于水力过流集中加强与离散减力的略成一定向内斜度的形态为佳，使通过桨轮转轮的水流水能得到更加充分的利用；

③冲压口闸门：冲压口闸门一般设置在挡水堰体上并与其形成紧密配合，也可设置在其它适合安装可发挥相同功效的位置；冲压口闸门一般在一边的冲压桨轮口设置即可，但是需要进行反冲压方向的结构加强，因此其也可在两边均设置；在一个桨轮式水轮机机组上可分别单独排列设置多个冲压口闸门，并使其形成可分别单独调控开闭和开闭程度的操作控制，其开闭方式主要是采用上下(左右)移动的控制方式，也可采用如同蝶阀旋转的控制方式或各种门式开启的控制方式等。

④桨轮轴座：桨轮轴座的作用是支撑与固定桨轮轴。因潮汐电站采用的桨轮转轮一般均较长或很长，因此桨轮机座分布间隔设置可分段支撑固定桨轮轴(见示意图2)。

⑤桨轮堰基础：桨轮堰基础可使桨轮堰建设基础稳固；桨轮堰基础还可与冲压口闸门配合使其闭合稳固与闭合密封。

(三)适合其采用的发电机组与调控设备设施部分

桨轮堰潮汐电站一般采用卧式发电机，发电机轴与桨轮机轴可形成直接对接传动的设计(见示意图4)，在其间也可设置与采用齿轮箱的传动方式，采用齿轮配合传动方式可方便地使超大型桨轮式水轮机与发电机形成不同的转速比设计、出力能力设计与其转速比的调整调控，由图示中可以看出，桨轮堰潮汐电站安装的发电机及其它辅助设备全部在坝内地面空间中，可在桨轮堰潮汐电站的坝上分段单独设置发电机厂房(见示意图5)。

(注：前(一)、(二)两部分是本发明的主体创新部分，也是实现发明创新功能、结构、目的的关键，其(三)发电与调控设备设施与安装方式部分可由普通专业技术人员在现有成熟技术与成熟产品的基础上，根据实际工程要求进行适应性的具体设计后实现，因此在此不对其进行更加详细的结构描述)。

本发明对于“桨轮堰潮汐电站及其设备设施”基本运行方法的描述是：

可在一切具有一定潮汐能的地点建设桨轮堰潮汐电站，并使桨轮式水轮机与桨轮机座配合且横向排列形成桨轮堰，通过在桨轮机座下部设置的双向冲压桨轮口的作用将桨轮堰高所蓄积的双向起落潮汐水能以来回往复的方式双向切向作用于桨轮式水轮机(桨轮转轮)的最大力矩处，推动桨轮转轮实现正反向转动形成最大水能出力转换，通过桨轮轴的直接传动或通过齿轮箱的变速传动，将桨轮旋转动力作用于发电机上完成潮汐发电的目标；其单库单向式桨轮堰潮汐电站可直接采用“桨轮堰水电站及其设备设施”的技术方案。

在运行中对于桨轮堰潮汐电站及桨轮式水轮机出力能力和运行速度的调控方法是：通过冲压口闸门的开闭及其开闭程度、开闭数量的控制，实现桨轮式水轮机出力能力的调控与实现发电机组的电力调频；在同一个较长的桨轮堰上可由2-多个单独运行作用的桨轮式水轮机组并列构成，通过其全部开启与全部封闭可实现该桨轮堰潮汐电站的大规模整体运行调控。

本发明提出的“桨轮堰潮汐电站及其设备设施”具有独特的建设方式与出力操作控制方式与其形成效果，由于采用超长、巨大的桨轮式水轮机与其形成的强大单机过流能力，可在其桨轮板上形成十分巨大的合并压强力量，因此在超低水头的条件下也可形成巨大的单机出力能力；且其冲压桨轮口的设置位置很低，所以桨轮堰潮汐电站可充分利用十分有限的潮差水头，其机组的多设计形态和调控方法更可适合多种复杂情况的需求与变化，其桨轮式水轮机只有外部的桨轮板与桨轮辊接触海水，其传动轴与发电机组等均非在水下，因此可从设计结构上彻底消除现有全贯流式水轮机在潮汐电站采用所遇到的难于避免的设备腐蚀问题与海水渗入腐蚀的问题，从而完美地实现本发明前述的诸多方面的优势创新功效目标，本发明技术开创了潮汐电站全新类型，其出现将使潮汐发电与火力发电的成本优势比值进一步扩大，将使潮汐发电进入全新的发展阶段。

附图说明

下面结合示意图说明桨轮堰潮汐电站及其设备设施的主要功能结构。

图1是桨轮式水轮机的横向剖面结构的示意图。

图2是单库单向桨轮转轮与桨轮机座配合形成的桨轮堰主体的纵向剖面结构示意图。

图3是单库双向桨轮转轮与桨轮机座配合形成的桨轮堰主体的纵向剖面结构示意图。

图4是图3所述的桨轮堰主体的外部横向平视结构示意图。

图5是在一个潮汐电站水坝上并列设置的两个桨轮堰发电机组的宏观俯视示意图。

图1中：1.桨轮轴   2.桨轮辊   3.桨轮板的加强板  4.桨轮板。

图2中：5.桨轮堰蓄积水   6.单向挡水堰体及其加强体  7.单向冲压口闸门  8.冲压桨轮口  9.实体挡水堰体  10.桨轮轴座  11.桨轮式水轮机(桨轮转轮)  12.桨轮堰基础。

图3中：13.实体挡水堰体  14.桨轮堰加强体  15.双向挡水堰体  16.桨轮轴座17.桨轮式水轮机  18.冲压口闸门  19.桨轮堰基础  20.双向冲压桨轮口。

图4中：21.发电机安装机房坝体或其连接的一般坝体  22.实体挡水堰体  23.桨轮堰支撑加强体  24 双向挡水堰体  25.卧式发电机  26.冲压口闸门运行固定装置27.排列的多冲压口闸门及其开闭调控机构  28.桨轮堰基础。

图5中：29.发电机厂房与其基础  30.桨轮堰  31.桨轮堰支撑加强体  32.潮汐电站水坝  33.潮汐电站内外水库的水面。

实施举例

桨轮堰潮汐电站的运行实施步骤与形成效果主要体现在对其冲压口闸门的方便调控上，即：在水库内外有较高水头差距的时候，可通过采用减少对桨轮转轮冲压面积的操作控制方式实现对桨轮转轮的整体压强降低的目的；在水库内外有较低水头差距时候，可通过增加对桨轮转轮冲压面积的操作控制，实现对桨轮转轮整体压强增加的目的，以上变化的目标是使作用在一个桨轮转轮桨轮板上的水流压强数值相同，从而实现在较高与超低水头时候均使桨轮转轮出力能力均完全相同的调控目的，因此可通过水流与水头的上述协调交替变化配合的方式，方便地适应不同水头高度差距情况下对桨轮转轮出力能力的调控与电力调频。桨轮转轮冲压面积减少与增加的方式主要是通过对冲压口闸门开闭数量与程度的操作方式实现。

Claims (2)

1.一种桨轮堰潮汐电站及其设备设施，其特征在于：其是由(一)桨轮式水轮机部分、(二)双向桨轮机座部分和(三)适合于桨轮堰潮汐电站形式的发电与机组调控设备设施三大功能部分组成，对其具体的描述是：

(一)桨轮式水轮机部分

桨轮式水轮机由桨轮板、桨轮辊、桨轮轴等主要功能部件构成：

(二)双向桨轮机座部分

桨轮堰潮汐电站采用的桨轮机座的主要作用是集中水力，并与桨轮式水轮机形成紧密的出力与调控配合，其使桨轮转轮稳固并实现最大的水流冲击出力能力的转换，还可通过冲压口闸门的全自动、半自动或人工调节，控制水流及桨轮式水轮机与发电机组的出力能力及其变化与电力调频，其主要功能结构包括：双向挡水堰体；双向冲压桨轮口；冲压口闸门；桨轮轴座；桨轮堰基础；对其结构与功能的描述是：

①双向挡水堰体：双向挡水堰体是由面对潮汐电站水库内外的两个并列设置的桨轮挡水堰体和在其上设置的实体挡水堰体一体化构成，其可双向阻挡水流并形成对桨轮转轮的定位双向切向冲击，其两侧设置桨轮堰加强体，在其上一般设置实体挡水堰体并一体化构成；

②双向冲压桨轮口：其由双向挡水堰体与桨轮堰基础配合构成，其分别位于双向挡水堰体的下部，其高度与其配合的桨轮转轮的桨轮板设计高度相当；

③冲压口闸门：其设置在挡水堰体上并与其形成紧密配合，其一般在-边的冲压桨轮口设置即可，其也可在两边均设置；在一个桨轮式水轮机机组上可分别单独排列设置多个冲压口闸门，并使其形成可分别单独调控开闭和开闭程度的操作控制，其开闭方式主要是采用上下(左右)移动的控制方式，也可采用蝶阀旋转的控制方式或各种门式开启的控制方式等；

④桨轮轴座：桨轮轴座的作用是支撑与固定桨轮轴；

⑤桨轮堰基础：桨轮堰基础可使桨轮堰建设基础稳固；

(三)适合其采用的发电机组与调控设备设施部分

桨轮堰潮汐电站一般采用卧式发电机，发电机轴与桨轮机轴可形成直接对接传动的设计，也可采用齿轮箱的传动方式。

2.一种桨轮堰潮汐电站及其设备设施的基本运行方法，其特征在于：可在一切具有一定潮汐能的地点建设桨轮堰潮汐电站，并使桨轮式水轮机与桨轮机座配合且横向排列形成桨轮堰，通过在桨轮机座下部设置的双向冲压桨轮口的作用将桨轮堰高所蓄积的双向起落潮汐水能以来回往复的方式双向切向作用于桨轮式水轮机(桨轮转轮)的最大力矩处，推动桨轮转轮实现正反向转动形成最大水能出力转换，通过桨轮轴的直接传动或通过齿轮箱的变速传动，将桨轮旋转动力作用于发电机上完成潮汐发电的目标；其单库单向式桨轮堰潮汐电站可直接采用桨轮堰水电站及其设备设施的技术方案；

在运行中对于桨轮堰潮汐电站及桨轮式水轮机出力能力和运行速度的调控方法是：通过冲压口闸门的开闭及其开闭程度、开闭数量的控制，实现桨轮式水轮机出力能力的调控与实现发电机组的电力调频；在同一个较长的桨轮堰上可由2-多个单独运行作用的桨轮式水轮机组并列构成，通过其全部开启与全部封闭可实现该桨轮堰潮汐电站的大规模整体运行调控。

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