CN101713367A - 层叠式尾水管高效水力发电方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种层叠式尾水管高效水力发电方法及系统，其特征在于：水轮机出水口处引出多条相同方向的尾水管，并自下而上层叠而成；每条尾水管管径大于压力引水管管径。通过增大水流落差，获得更大的水体势能转化为电能，从而节约水体流量；又增大压力引水管和尾水管水流速度之差值，增大水能中动能分量转化为电能，提高发电效率。

Description

层叠式尾水管高效水力发电方法及系统

技术领域

本发明涉及一种层叠式尾水管高效水力发电方法及系统，属于水力发电领域。

背景技术

水电站利用水库来蓄水，水库库容越大存储的水量越大，水库蓄存的水能就越多。具有一定流速的水流含有动能，流速越高具有的动能就越大；处于一定高度的水流具有势能，相对高度越大具有的势能就越大。水流从高处流向低处，可以将势能转化为动能，水流获得更高的速度。水库里储蓄的水在重力作用下获得高的速度，沿压力引水管向下输移，在水轮机接口处获得更高的速度。具有一定速度的水流驱动水轮机转动，使水轮机获得机械能；水轮机驱动发电机，将机械能转化为电能。传统上水电站水轮发电机组输出功率的计算公式都采用如下数学公式^[1]-[13]：

P＝9.80ηQH            (1)

式中P为水轮发电机组输出功率(kW)，Q为发电流量，H为发电水头，η为水轮机发电效率。

式(1)是在假设压力引水管入口处水流速度、压强与水轮机出水口处水流速度、压强相等的前提下得出的。也就是说，水轮发电机组输出功率的传统计算方法只包括势能，而没有包括动能、压能。传统计算方法，没有考虑水流动能和压能在水库、压力引水管、水轮机、尾水管的输移，因此在结构和工艺上也没有对水库、压力引水管、水轮机、尾水管进行针对性改进和优化，使得水能没有得到充分和高效的利用。

水轮发电机组从水库水体势能、动能和压能转化而成的电能主要与水库落差、压力引水管入口处水流速度和水库蓄水水位等有关系。

水电能源是以发电为主兼顾其他综合利用的资源，为了能够对其利用进行合理的优化，必须通过数学方法求出其总量，建立函数模型。水电能源是由自然水资源所蕴藏的能量转化而来，主要是存在于水体中的压能、势能、冲击动能以及水体重力做功所产生的能量。

(1)进水口处水体微元具有的能量

假设水电站某机组压力道管为圆柱形，进水口处一个在x方向上微长度为dx的水体微元，则该水体微元的受力有重力、水压强及水库四级水体重力分量对其作用力。在这些作用力共同作用下，水体微元沿着压力引水管进口向出口运动并推动水轮机组转动，最终实现水能-机械能-电能的耦合转换，水轮发电机组产生电能输出。

压强沿压力引水管方向分量对水体微元所做的功或者所具有的能量W_I为：

$W_I=P_I{V}_W=(H-H_I)\mathrm{\ρ}\·\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^2\mathrm{dx}=\frac{1}{4}\mathrm{\π\ρ}{D}^2(H-H_I)\mathrm{dx}---\left(2\right)$

其中P_I、V_W、H_I、D为压力引水管入口处水体微元的体积、压强、水位、直径，H为水库蓄水水位，ρ为水的比重，α为压力引水管倾斜角。

水体微元重量在压力引水管入口处所形成的压力沿压力引水管方向的分量所做的功或者所具有的能量为：

$M_I=p_M{V}_M=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^2\mathrm{\ρ}\·{\mathrm{dx}}^2---\left(3\right)$

设重量为m_W、体积为V_W的水体微元在压力引水管进水口处的速度为v_I，j，i，则其具有的动能为：

$K_I=\frac{1}{2g}{m}_W{v}_I^2=\frac{1}{2g}\·\frac{1}{4}\mathrm{\π\ρ}{D}^2\mathrm{dx}\·v_I^2=\frac{1}{8g}\·\mathrm{\π\ρ}{D}^2{v}_I^2\mathrm{dx}---\left(4\right)$

重量为m_W、体积为V_W的水体微元在压力引水管进水口处所具有势能为：

$E_I=m_W\·H_I=\frac{1}{4}\mathrm{\π\ρ}{D}^2{H}_I\·\mathrm{dx}---\left(5\right)$

(2)出水口处水体微元具有的能量

对水轮机做功后运动到下游的水体微元，假设水电站水轮发电机组在水轮机出水口处的压强为p_O，则该压强对重量为m_W、体积为V_W的水体微元所做的为：

$W_O=p_O\·V_W=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^2{P}_O\mathrm{dx}---\left(6\right)$

重量为m_W的水体微元在水轮机出水口处截面所形成的压力沿压力道管方向的分量所做的功或者所具有的能量为：

$M_O=M_I=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^2\mathrm{\ρ}\·d^{2}x---\left(7\right)$

设重量为m_W、体积为V_W的水体微元在水轮机出水口处的速度为v_O，则其具有的动能为：

$K_O=\frac{1}{2g}{m}_W{v}_O^2=\frac{1}{2g}\·\frac{1}{4}\mathrm{\π\ρ}{D}^2\mathrm{dx}\·v_O^2=\frac{1}{8g}\·\mathrm{\π\ρ}{D}^2{v}_O^2\mathrm{dx}---\left(8\right)$

重量为m_W、体积为V_W的水体微元在水轮机出水口处所具有的势能为：

$E_O=m_W\·H_O=\frac{1}{4}\mathrm{\π\ρ}{D}^2{H}_O\·\mathrm{dx}---\left(9\right)$

其中H_O为水电站水轮机出水口处的高程。

(3)机组电能计算

上游水体微元经过水轮机做功运动到引水管出口，根据能量守恒定律，水轮机获得的能量或功为：

$E_G=W_I+K_I+E_I+M_I-W_O-K_O-E_O-M_O$

$=\frac{{\mathrm{\πD}}^2\cos \mathrm{\α}[\mathrm{\ρ}(H-H_I)-P_o]\mathrm{dx}}{4}+\frac{{\mathrm{\π\ρD}}^2\cos \mathrm{\α}[v_I^2-v_o^2]\mathrm{dx}}{8g}$

$+\frac{{\mathrm{\π\ρD}}^2(H_I-H_o)\mathrm{dx}}{4}---\left(10\right)$

令k_p为水电站机组水轮机出水口处与压力道管进水口处水体压强之比：

$k_P=\frac{p_O}{p_I}---\left(11\right)$

k_v为梯级水电站机组水轮机出水口处与压力道管进水口处水体流速之比：

$k_v=\frac{v_O}{v_I}---\left(12\right)$

H_D为水电站机组压力道管进水口处与水轮机出水口处之间的落差：

H_D＝H_I-H_O    (13)

把水轮机获得的能量或功用电功率表示，则梯级水电站j第i台机组以kW为单位(1kW＝102kg.m/s)在时段dt内所产生的出力可以表示：

$N_G=\frac{1}{102}[(1-k_p)p_I+\frac{1}{2g}{v}_I^3(1-k_v)+H_D]Q_G---\left(14\right)$

其中Q_G为机组发电流量， $Q_G=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^2{v}_I,$ $v_I=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}.$

对式(14)整理，得：

$N_G=9.8[(1-k_p)p_I+\frac{1}{2g}{v}_I^3(1-k_v)+H_D]Q_G---\left(15\right)$

从式(15)可以看出，水电站水库可利用的水能包括水体压能、动能、势能，利用水轮发电机组所获得的电能同水电站落差、发电流量有关，还与压力引水管进出口水体的压力、速度、引水管倾角以及水电站的库容特征等参数有密切关系。

传统的水轮发电机组都是采用上述式(1)的传统计算方法来确定其装机容量的。

本发明的作者经过多年研究，得出如下结论：

1)水力发电机是通过水库、压力引水管、水轮机、发电机和尾水管将水能转化为机械能在转化为电能的，电能包括动能、势能和压能等三种分量。

2)动能分量与压力引水管入水口处及水轮机出水口处水流速度的平方差成正比。压力引水管入水口处水流速度大而将水轮机出水口处水流速度控制得小，动能分量将会增大；压力引水管入水口处及水轮机出水口处水流速度相等，动能分量为0。

3)压能分量与压力引水管入水口处及水轮机出水口处水流压强之差值成正比。压力引水管入水口处水流所受压强大而将水轮机出水口处水流压强控制得小，压能分量将会增大；压力引水管入水口处及水轮机出水口处水流速度相等，压能分量为0。

发明内容

基于上述的分析，本发明所要解决的技术问题是，提供一种层叠式尾水管高效水力发电方法及系统，使水轮机出水口处瞬时排水量增大，流速降低，达到充分利用动能分量，使动能转化效率提高，实现更高效水力发电的目的。同时，采用多条大管径层叠布置的尾水管，可以进一步增加整个尾水管的管径，进而更大地降低尾水水流的速度，增加水库压力引水管入口处与多条层叠尾水管水流速度的差值，进一步提高水能中动能向电能转换的效率，提高水能利用效率。

本发明的技术方案如下：

层叠式尾水管高效水力发电方法，在水轮机出水口处引出多条相同方向并层叠布置的尾水管，而且要求每条层叠尾水管管径径大于压力引水管管径。利用水轮机的出水在各方向上均有压力的原理，通过增加尾水管数目，扩大尾水管出水口口径，获得压力道管进水口与水轮机出水口水流速度更大的差值。在水轮机出水口水流速度较小的情况下，使尾水管能够输运与压力引水管一样的发电流量，使动能更多地转化为电能。

层叠式尾水管高效水力发电系统，包括水库、压力引水管、水轮机、发电机、层叠尾水管，其特征在于：水轮机出水口处引出多条相同方向并层叠布置的尾水管，每条层叠尾水管管径大于压力引水管管径。

上述的层叠式尾水管高效水力发电系统，所述的多条层叠尾水管，由两条及以上大管径尾水管组成，其截面形状可为圆形，或椭圆形，或三角形，或方形，或多边形。

本发明的优点在于：通过对水力发电系统的尾水管系统进行创新设计，增加尾水管数量，增大压力引水管和尾水管水流速度之差值，从而增大水能中动能分量转化为电能的效率，提高发电效率和水能的利用效率。

附图说明

附图为本发明多尾水管高效水力发电系统的示意图。

具体实施方式

如图所示，1为水库，2为压力引水管，3为水轮机，4为发电机，5为尾水管群(尾水管有n条)。压力引水管2的进水口与水库1连接，压力引水管2的出水口与水轮机3的进水口连接。水轮机3的出水口与多管大管径尾水管5的进水口直接连接。

以口径8m的压力引水管2为例，对水轮机3而言压力引水管2的水流速度为8m/s，在不考虑经过水轮机3后水流速度的变化及其他因素的影响的情况下，如果尾水管群5中共有4条喇叭形尾水管(即n＝4)，由不同方向引出，每条尾水管为压力引水管2的口径的两倍，那么喇叭形尾水管群5在输运与压力引水管2一样的发电流量条件时，在水流平均分配的情况下，流经每条喇叭形尾水管的水流速度可变为4m/s。如果考虑水能中部分动能分量已经通过水轮机3转化为机械能，那么每条喇叭形尾水管5的水流速度将小于4m/s，甚至会更小。从整个尾水管来看，其水流速度会接近于1m/s，甚至会更小。从而在压力引水管和尾水管之间获得更大的水流速度的差值。

对于新机组，在设计时只要权衡技术和经济的效果，将每条喇叭形尾水管出水口口径设计为压力引水管口径的k倍，就能够使喇叭形尾水管水流速度减小1/k。尾水管水流速度的减小，就能够增大压力引水管和喇叭形尾水管水流速度的差值，从而使得更大的水流动能分量转化为电能，提高水能利用率，最强水能发电的高效性。

Claims (2)

1.层叠式尾水管高效水力发电方法，其特征在于，多条尾水管自下而上层叠而成，且尾水管管径大于压力引水管管径。

2.层叠式尾水管高效水力发电系统，包括水库、高细压力引水管、水轮机、发电机、多管尾水管，其特征在于，多条尾水管自下而上层叠而成，且尾水管管径大于压力引水管管径。

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