CN101377076B - 风力分级提水调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力分级提水调控系统。它包括水流道从低水位到高水位分成若干等级流道，每相邻两水位流道之间设置一个水坝，水坝上有水坝闸门，每个水坝闸门上部有一个泄流孔，下部有一个由流道低水位自动调节系统控制启闭的调节孔。本发明可以保证分级提水沿线上所有风力提水机械永远不会因空载而超速运行，从而保证风力提水工程正常安全工作。

Description

风力分级提水调控系统

技术领域

本发明涉及一种风力提水系统，特别是一种风力分级提水调控系统。

技术背景

风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展潜力的能源之一。

缺水与干旱导致了全球大量土地的沙漠化。我国是世界上沙漠化危害最严重的国家之一。据统计，上世纪50年代到70年代中期，我国沙漠化土地面积平均每年增加1560平方公里，70年代中期到80年代中后平均每年增加2100平方公里，而90年代以后沙漠化面积的发展速度为平均每年增加2460平方公里。全国荒漠化土地面积263万平方公里，占国土总面积的27.3％。沙漠化遍及西北、华北、东北西部的13个省区，包含90个完整沙区县，508个部分沙区县，近4亿人口受其影响，据测算，我国每年因荒漠化造成的直接经济损失高达540亿元。

近年来，西安交通大学的霍有光教授、中国地质大学陈昌礼教授分别在报刊上发表文章，提出了“海水西调”的大胆设想。目前，这一大胆设想已经引起了社会各界认识的广泛重视，2004年，张序山、杨桓等向“两会”提交了这一提案。2007年2月，在反复调研的基础上，国务院研究室研究员李炳坤、唐元、董忠将一份《关于研究实施“海水西送工程”的建议》提交有关部门，报告称：通过实施渤海海水资源西送工程，可望解决我国北方生态环境恶化、生产生活缺水和能源开发用水不足等难题。报告估计，以从渤海湾每年调水300亿立方米计，将水位提升1300米，则每年需耗电1400亿度，发电装机容量2000万千瓦。报告建议采用电网夜间供电、风力发电及新建煤电厂等方案解决供能问题。预期全部工程约需投资6000亿—7000亿元，约9年可收回包括利、税在内的全部投资。最终的结论是实施“海水西送”是一项规模宏大的具有生态效益、社会效益的环保工程，又极具经济效益，意义重大而深远！前不久，中国科学院何祚庥院士与陈应天研究员发表署名文章，对海水西输的设想给予了充分肯定，认为采用燃煤电站发电提水将大量增加污染，背离改善环境、改善生态的目的。他们认为：采用“风光互补发电”的方式，可以解决海水西输的能量需要。发明者非常支持东水西调的大胆设想，也十分赞赏李炳坤等同志的积极建议，李炳坤等同志的建议充分肯定了东水西调的整体构思、并进行了方案可行性的初步论证和分析。建设这样一个造福子孙的重大工程，需要我们因地制宜地进行认真反复的调研与论证，特别是提水所需的能源问题，更需要慎重研究。李炳坤等同志提出利用电网夜间供电、风力发电及新建煤电厂来解决调水所需要的能量问题，只是给出了一个思路，具体方案有待更多专家的论证。何祚庥院士等建议利用风力发电与太阳能发电互补的方法，为东水西输提供能源，是一个很好的思路。

简单分析一下：如采用燃煤电站发电提水，东水西输需要2000万千瓦装机容量，占我国电力总装机容量的2.5％；按每度电煤耗320标煤计算，每年耗电约14000亿度约合标煤4480万吨，占2007年全国煤炭产量的1.8％，该工程每年增加CO₂排放约1亿吨，还会大量增加SO₂及NO_x等有害气体的排放，增大了环境保护的压力。因此，在煤炭资源越来越稀缺、环保压力越来越大的今天，全部或部分采用这种方式为东水西输提供能源不是最理想的选择。我国华北及西北地区，风能与太阳能极为丰富，那么在海水西输过程中完全可以采用风能提水，并利用太阳能进海水淡化。

对于这样一个东水西送工程，从葫芦岛至锡林郭勒之间，可修建一条宽阔的阶梯河道(或管道)，采用闸坝，将水位分级，利用风力提水，使水从东到西，分级递送。在没有对沿途地质结构进行详细研究之前，暂且不讨论河床(或管道)的具体路线，只给出一个大致的线路：从葫芦岛市附近取水，经朝阳市、过赤峰市、再过克什克腾旗，到达锡林郭勒盟。具体河床(或管道)走向也需要根据地貌特征来确定。水到达锡林郭勒后，可通过自流管道，由东向西输送到各大沙漠的盐湖，形成一连串的“人造海”。

该线路沿途优势的风力资源为风力分级提水方案提供了保证。锡林郭勒盟风资源丰富，品质好，年有效风速持续时间长。全盟年平均风速为8.9m/s，平均风功率密度为663W/m2。据测算，全盟的风能总蕴藏量达5亿千瓦以上，其中可开发利用量超过5000万千瓦。克什克腾旗地处山区与高原接壤地带，地势西北高东南低，地形平坦，植被稀疏，风阻较小，风向比较稳定。风能资源丰富，风况佳，是理想的风场。截止目前，克旗规划的5个风场已建成4个，全旗风资源可装机300万千瓦以上，是全国6个百万千瓦大型风电场之一。赤峰市是内蒙古的风能资源富集区，全市风能资源达1万平方公里，易开发的风能资源在1800万千瓦以上。赤峰市有42.3％的丘陵地，建设风电场有着得天独厚的条件。因为大部分丘陵高地隆起都在50—100米左右，其形状犹如一个个巨型天然塔架，而大多丘陵山坡均在30度左右，其形状平滑如流线，没有凹凸。这种地形条件由低到高，形成了较好的下垫面，可以使气流加速，对建设风电场极为有利。据有关部门多年的测风数据表明，该地区年平均风速每秒可达6.6米，年有效风速时数近7000小时，是内蒙古自治区的重要风场，具有较好的开发利用前景。调水起点葫芦岛市、沿线的朝阳市也都是国内少有的风能资源丰富的地区，年均风速大，风况稳定，可开发风力资源1100万千瓦。没有台风袭击也是整个东水西调沿线风力资源的优点之一。

从葫芦岛到锡林郭勒，总长615公里，水位共提升1300米，假设平均每级提高13米，需要分100级。平均每个提升站的水平距离约6.1公里。按年调水360亿立方计，每天调水1亿立方。

1、能量需求

对每个提升站，每天需要将1亿方水提升13米，需要有效功率约15万千瓦。每个提升站建设一个50万千瓦的风车群，就能完全满足风能提水的要求。全线共需要5000万千瓦的装机容量，显然，沿线的风能资源是能够满足要求的。

2、河道及水库建设要求

考虑到风具有一定的间隙性，因此必须有一定容量的河道来进行能量储存。假定每段提升站的河道容量为1亿立方，则即使该站区风车群一天内完全不工作，输水过程仍能继续进行。

假定库区内每段的河道平均长6公里，宽555米，深30米。如此设计需要修建大型水库或河道，建设及移民成本很大。另外，如果某一提升站区内连续数天风力很小，在没有适当调控措施的情况下，河道可能引起断流。河道一旦断流，上游的风车没有负载，导致起风车加速导致损坏，容易引起事故。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题而提供一种风力分级提水调控系统，从而保证风力提水工程正常安全工作。

本风力分级提水调控系统，包括高位水库、低位水库、水坝闸门、水坝闸门上的泄流孔、水坝闸门上的调节孔、高位水池、低位水池、提水风车、高位引流渠、低位引流渠、水坝闸门上安装的低水位传感器、与闸门相连的可以正旋与反旋的电机、与电机轴相连的带有正旋与反旋螺纹的螺杆、装有正旋与反旋螺母的调节孔闸板。分级提水是指从低水位到高水位，分成若干水位等级，每两个水位等级之间，设置一个水坝及闸门，水坝的低水位侧的水，通过风力提水或水泵，提升到水坝的高水位侧，如此逐级提升，把水位比较低的水提升的相当高的水位。在各级水坝闸门上设置水位传感器及调节孔，水位传感器上有高端及低端，当低水位水库内的水位低于水位传感器的低端位置时，电机反向旋转，打开调节孔闸板；当低水位水库内的水位高于水位传感器处的高端位置时，电机正向旋转，直至关闭调节孔闸板。

参见图1，水位传感器的低端位置设置在风力提水机提水口上方0.5m以上，只要低水位侧的水位低于传感器低端位置，则调节孔打开，这样可以保证该处的风力提水机不在空载状态下运行。如图1，假如C位置处风力小，风车停止工作或提水量很小。如果此时D位置处的风车提水量较C处大，则D位置处低位水库的水位越来越低。当低至水位传感器安装低端位置时，D位置水坝上的调节阀门在电机的带动下打开，D位置处高位水流向低位；当水位高于低位传感器高端位置时，D位置水坝上的调节阀门在电机的带动下闭合。如果E位置低位水位下降到水位传感器低端以下时，则其调节阀门打开。以此上推，直至最高水位，Z坝上的调节阀门打开。假如此时B以下的风车正常工作，则B-C之间的水位会不断升高，高到坝闸的泄流孔时，水流向低位泄流。此时水道本质上处于断流状态，C-D坝之间的水是从高位调剂而来，再利用风力提水机抽上去，不断往复，从而保证沿线所有风车不会因空载而超速。

A坝是海平面与次低水位之间的坝，该坝上不设低水位传感器及调节孔，或者低水位始终设在海平面以下，这样，即使A处风车或所有风车都停止工作，高位水库中的水永远不可能再回到大海。只要最高位水库中有一定量的水容量，整个流道上的风车都可以正常运行，只是在某局部区域内风力过小时，实际输水量可能为零。一旦某区域内风力过小导致风车一段时间内停止运行，只要锡林郭勒的水库保持一定的存水量并停止向其他地区供水，整条水道就不会断流，有风区域的风车也能正常运行。另外，采用这种调控方法，沿线的河道容量可以大大降低，只需要在提水站附近修建水池或小型水库，采用管道输送，大量节省建筑及移民成本。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种风力分级提水调控系统，包括水流道从低水位到高水位分成的若干水位等级流道，每相邻两个水位流道间设置一个水坝，并有提水风车实现从低水位流道向高水位流道提水，其特征在于：每个低水位流道各接通一个低水位水库或低水位水池，每个高水位流道各接通一个高水位水库或高水位水池；所述低水位水库或低水位水池与所述高水位水库或高水位水池之间设置若干所述提水风车，实现从低水位水库或低水位水池向高水位水库或高水位水池提水；每个水坝上有一个水坝闸门，所述水坝砸门上部有一个泄流孔，下部有一个有流道低水位自动调节系统控制启闭的调节孔。

上述流道低水位自动调节系统是：在所述水坝闸门的低水位侧安装一个水位传感器，所述水位传感器的输出信号连接到一个控制器，所述控制器控制一个电机，所述电机的输出轴联接一根具有正旋螺纹和反旋螺纹的螺杆，所述螺杆的正旋螺纹和反旋螺纹分别与固定在调节孔上两块闸板的螺母旋配；所述水位传感器有高端和低端，当低水位流道的水位高于水位传感器的高端时，低水位自动调节系统控制调节孔的闸板闭合。

上述最低水位流道应连通水位基本不变的水域，最低水位流道与次低水位流道之间水坝闸门上不设调节孔和流道低水位自动调节系统。

上述最高水位流道应连通大容量的最高水位水库，起水位保持不低于最高水位流道与此高水位流道之间水坝闸门的调节孔水位。

上述水流道为阶梯河道或管道。

上述调节孔面积为高低水位额定差Δh与坝体长度L乘积所得面积的0.001～0.4倍，形状可以是圆形、椭圆形或长方形；选择用两块分开的闸板，或者采用通流面积相当的一个或若干个阀门。

上述泄流孔为长方型孔，其高度为高低水位额定差Δh的0.01～0.5倍，长度为坝体长度L的0.2～1.0倍。

上述最高水位水库容量为水流道额度日流量的1.0～50倍。

本发明与现有技术相比，具有如下特点：本发明通过流道低水位自动调节系统，可以保证分级提水沿线上所有的风力提水机械永远不会因空载而超速运行，并且沿线不需要建设大容量水库。

附图说明

图1是分级提水沿线的示意图

图2是某一提水站坝闸、高低水库与水渠及风机群的平面示意图

图3是水坝闸门示意图

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：

参见图1、图2和图3，本风力分级提水调控系统包括水流道从低水位到高水位分成的若干水位等级流道，每相邻两个水位流道1、3间设置一个水坝，并有提水风车5实现从低水位流道1向高水位流道3提水，其特征在于：每个低水位流道1各接通一个低水位水库或低水位水池2，每个高水位流道3各接通一个高水位水库或高水位水池4；所述低水位水库或低水位水池2与所述高水位水库或高水位水池之间设置若干所述提水风车5，实现从低水位水库或低水位水池2向高水位水库或高水位水池4提水；每个水坝上有一个水坝闸门8，所述水坝砸门8上部有一个泄流孔9，下部有一个有流道低水位自动调节系统控制启闭的调节孔11。

参见图3，上述流道低水位自动调节系统是：在所述水坝闸门8的低水位侧安装一个水位传感器15，所述水位传感器15的输出信号连接到一个控制器16，所述控制器16控制一个电机12，所述电机12的输出轴联接一根具有正旋螺纹13和反旋螺纹14的螺杆，所述螺杆的正旋螺纹13和反旋螺纹14分别与固定在调节孔11上两块闸板10的螺母旋配；所述水位传感器15有高端和低端，当低水位流道1的水位高于水位传感器15的高端时，低水位自动调节系统控制调节孔11的闸板10闭合。

上述水流道的最低水位流道19应流通水位基本不变的水域，最低水位流道19与次低水位流道之间水坝闸门上不设调节孔和流道低水位自动调节系统。最高水位流道18应连通大容量的最高水位水库，起水位保持不低于最高水位流道18与此高水位流道之间水坝闸门8的调节孔11水位。上述水流道为阶梯河道或管道。上述调节孔11面积为高低水位额定差Δh与坝体长度L乘积所得面积的0.001～0.4倍，形状可以是圆形、椭圆形或长方形；选择用两块分开的闸板，或者采用通流面积相当的一个或若干个阀门。上述泄流孔9为长方型孔，其高度为高低水位额定差Δh的0.01～0.5倍，长度为坝体长度L的0.2～1.0倍。上述最高水位水库容量为水流道额定日流量的1.0～50倍。

本实施例具体实施地域和设施如下：

从葫芦岛至锡林郭勒之间，修建一条宽阔的阶梯河道(或管道)，采用闸坝将水位分级，利用风力将水从东到西分级递送。

每13米为一级，即每两级水位之间的位差是13m，共设100级。每级采用50万千瓦的风力机群进行提水。

沿线采用五根10m直径的管道输水，在每站建设高低位两个水库，两个水位之间建一个闸坝，坝体长50m宽，30m高。闸板上的泄流孔长40m，高1m，泄流孔下端距高于高位水设计位置5m。假设海平面水位为0米，则第N个高位水水位的设计位置就为13N米。水位传感器有两端，传感器低端与高端之间的差位0.5m，传感器安装在低位水侧，其高端低于其设定的水位1m；调节孔长25米，高2米，孔上端与低位传感器位置一致。风力提水机的提水口比调节孔下边沿低0.5m.

调节口的闸板由两块大小相等的长方体板材组成，其面积比调节孔的面积大20％。闸板分别由电机带动的正旋和反旋螺杆驱动，当低位的水位低于水位传感器低端时，电机反转时，闸板打开；当低位的水位高于水位传感器的高端时，电机正转时直至闸板闭合。

最低端的坝闸上不设水位传感器及调节孔。

Claims (8)

1.一种风力分级提水调控系统，包括水流道从低水位到高水位分成的若干水位等级流道，每相邻两个水位流道(1、3)间设置一个水坝，并有提水风车(5)实现从低水位流道(1)向高水位流道(3)提水，其特征在于：

a.每个低水位流道(1)各接通一个低水位水库或低水位水池(2)，每个高水位流道(3)各接通一个高水位水库或高水位水池(4)；

b.所述低水位水库或低水位水池(2)与所述高水位水库或高水位水池之间设置若干所述提水风车(5)，实现从低水位水库或低水位水池(2)向高水位水库或高水位水池(4)提水；

c.每个水坝上有一个水坝闸门(8)，所述水坝闸门(8)上部有一个泄流孔(9)，下部有一个由流道低水位自动调节系统控制启闭的调节孔(11)。

2.根据权利要求1所述的风力分级提水调控系统，其特征在于所述流道低水位自动调节系统是：在所述水坝闸门(8)的低水位侧安装一个水位传感器(15)，所述水位传感器(15)的输出信号连接到一个控制器(16)，所述控制器(16)控制一个电机(12)，所述电机(12)的输出轴联接一根具有正旋螺纹(13)和反旋螺纹(14)的螺杆，所述螺杆的正旋螺纹(13)和反旋螺纹(14)分别与固定在调节孔(11)上两块闸板(10)的螺母旋配；所述水位传感器(15)有高端和低端，当低水位流道(1)的水位高于水位传感器(15)的高端时，低水位自动调节系统控制调节孔(11)的闸板(10)闭合；当低水位流道(1)的水位低于水位传感器(15)的低端时，低水位自动调节系统控制调节孔(11)的闸板(10)打开。

3.根据权利要求1所述的风力分级提水调控系统，其特征在于最低水位流道(19)应连通水位基本不变的水域，最低水位流道(19)与次低水位流道之间水坝闸门上不设调节孔和流道低水位自动调节系统。

4.根据权利要求1所述的风力分级提水调控系统，其特征在于最高水位流道(18)应连通大容量的最高水位水库，其水位保持不低于最高水位流道(18)与次高水位流道之间水坝闸门(8)的调节孔(11)水位。

5.根据权利要求1所述的风力分级提水调控系统，其特征在于所述水流道为阶梯河道或管道。

6.根据权利要求1所述的风力分级提水调控系统，其特征所述调节孔(11)面积为高低水位额定差Δh与坝体长度L乘积所得面积的0.001~0.4倍，形状可以是圆形、椭圆形或长方形；选择用两块分开的闸板，或者采用通流面积相当的一个或若干个阀门。

7.根据权利要求1所述的风力分级提水调控系统，其特征在于所述的泄流孔(9)为长方型孔，其高度为高低水位额定差Δh的0.01~0.5倍，长度为坝体长度L的0.2～1.0倍。

8.根据权利要求1所述的风力分级提水调控系统，其特征在于最高水位水库容量为水流道额定日流量的1.0～50倍。

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